專利名稱：一種制備碳化硅顆粒增強氮化硅復相陶瓷零件的方法
技術領域：
本發明屬于復合陶瓷零部件制備技術領域，特別是提供了一種用注射成形工藝制 備碳化硅顆粒增強氮化硅(SiCp/Si3N4)復相陶瓷零件的方法，實現低成本、高性能陶瓷基 復合材料零件的制備。
背景技術：
SiCp/Si3N4材料具有作為高溫結構材料所需求的耐熱性、耐熱沖擊性、耐磨性和 耐腐蝕性，而且比金屬輕，滿足核能、石油化工、航空航天、國防等領域的需要具有重要的意 義。陶瓷材料本身固有的脆性和高硬度，傳統的粉末冶金模壓法雖然工藝簡單，但模壓形成 的成形坯往往密度不均勻，部件的形狀復雜程度也受到了一定的限制；先驅體裂解法除受 部件復雜程度限制外，還存在制備周期長、尺寸精度低等缺點；注漿成形和壓濾成形雖可成 形復雜形狀部件，但由于成形密度均勻性差及尺寸精度低等問題而限制了其應用范圍。而 采用粉末注射成形技術時，由于注射坯體的形狀接近制品的最終形狀，不僅解決了 SiCp/ Si3N4材料的組織均勻性問題，同時解決了其復雜零件的難加工成形問題，實現了 SiCp/ Si3N4材料與零件一體化成形。注射成形的基本工藝過程是首先將具有特定粒度和表面形態的陶瓷粉末與有機 粘結劑混合均勻，制成喂料。以有機粘結劑為載體，使得喂料在一定的溫度下具有流動性， 喂料在注射成形機上在力和熱的作用下流動填充模腔成形，得到注射坯體，隨后經過脫脂 和燒結得到全致密或接近全致密的產品。注射成形可自動化生產，生產過程中的管理和控 制也很方便，適宜大批量生產；制品各部位密度均勻，幾何尺寸精度高。

發明內容
本發明的目的在于提供一種制備SiCp/Si3N4復合材料零件的方法，解決了 SiCp/ Si3N4復合陶瓷零件生產過程中的組織不均勻、難加工、成本高等問題，實現了具有形狀復雜 和尺寸精度高的SiCp/Si3N4復合陶瓷零件的低成本制備。本發明的制備工藝為把陶瓷粉末與粘結劑混煉均勻，隨后制粒、注射成形，再將 注射生坯脫脂、燒結，制得SiCp/Si3N4復合陶瓷零件。具體工藝為1、混粉將SiC粉(粒徑為0. 01 0. 1 μ m)、Si3N4粉(粒徑為0. 3 1. 0 μ m)與燒 結助劑(燒結助劑由Al2O3 Y2O3組成，氧化鋁Al2O3和氧化釔Y2O3質量比為4 5)置于剛玉 球磨罐中以一定轉速球磨16小時，達到混合均勻。其中各粉末質量百分比為SiC Si3N4 燒結助劑=(5 20) (70 85) (5 10);2、石蠟基多組元粘結劑的配置粘結劑的成份為石蠟(PW)、高密度聚乙烯 (HDPE)、硬質酸(SA)。各組元重量百分比為PW HDPE SA= (60 70) (25 30) (5 10)。將三種組元加入恒溫裝置中共混，達到均勻混合；3、混煉將加入了一定量燒結助劑的氮化硅微粉與所配制的石蠟基多組元粘結劑 在開放式煉膠機上混煉1 1. 5h，混煉溫度為135 150°C，再在SK2160型雙螺桿混煉擠出機上制粒，使喂料進一步均勻，燒結助劑的氮化硅微粉與多組元聚合物石蠟基粘結劑粉 末(體積百分數)的比例為50 60 40 50。4、注射成形將制粒后所得喂料在CJ80E型注塑機上注射，注射溫度為170 185°C，注射壓力為90 llOMpa，模具溫度為20 50°C，得到SiCp/Si3N4復合陶瓷預成形 坯；5、脫脂及預燒結采用溶劑脫脂+熱脫脂的兩步脫脂法，首先將SiCp/Si3N4復合 陶瓷預成形坯浸于三氯乙烯中進行溶劑脫脂8 12h，脫脂溫度為20 50°C，脫脂完成后 取出坯體在恒溫干燥箱內烘干，熱脫脂在真空管式爐中進行，脫脂溫度在30 600°C之間， 最后加熱至1100 1200°C之間進行預燒結0. 5 lh，得到預燒結坯，整個加熱過程氣氛為 Ar ；6、燒結將預燒結坯置于真空燒結爐中于1800 190(TC常壓燒結，保溫0.5 lh，升溫速率1400°C前為5 7°C /min, 1400°C后為3 5°C /min，燒結氣氛為Ar，燒結體 經后續精整處理，得到SiCp/Si3N4復合陶瓷零件。本發明的優點在于可直接制備出幾何形狀復雜的SiCp/Si3N4復合陶瓷制品；制品組織均勻，尺寸精 度高，且無須后續加工；可實現SiCp/Si3N4材料與零件的一體化成形；建立了具有形狀復雜 和尺寸精度高的SiCp/Si3N4復合陶瓷零件的低成本制備技術。
具體實施例方式實施例1 含5wt% SiC、裝載量58vol%的SiCp/Si3N4復合材料零件原料各成分的質量分數為5% SiC+85% Si3N4+4. 3% Al203+5. 7% Y2O3，粘結劑采用 為多聚合物石蠟基粘結劑，各組元重量分數為65% Pff+25% HDPE+10% SA，粉末裝載量為 58vol%。將粒度0. 58 μ m高純度的氮化硅微粉、粒度0. 09 μ m碳化硅粉末、燒結助劑按比例 混合，以無水乙醇為溶劑，在剛玉球磨罐中球磨16h。然后將球磨好的陶瓷粉末與粘結劑按 陶瓷粉末體積分數為58%配制，于SK2160型開放式煉塑機上140°C混煉均勻。隨后再用 PSJ32型單螺桿擠出機擠出制粒，在CJ80E型注塑機上采用注射壓力為lOOMPa，注射溫度 170°C，注射速度保持在系統最大值的60%，保壓壓力為lOOMPa，模具溫度為30°C的最佳注 射參數，注射出坯體，在40°C、8h進行溶劑脫脂，然后在Ar氣氛下熱脫脂并于120(TC預燒 結；最后在流動Ar氣氛下，在真空碳管爐在180(TC常壓燒結。燒結體經后續處理，即得到 相對密度達97%，尺寸精度高達士0. 2%和綜合力學性能較好的SiCp/Si3N4復合陶瓷異形 零件。實施例2 含IOwt % SiC、裝載量50vol%的SiCp/Si3N4復合材料零件原料各成分的質量分數為10% SiC+80% Si3N4+4. 3% Al203+5. 7% Y2O3，粘結劑采 用為多聚合物石蠟基粘結劑，各組元重量分數為63% Pff+27% HDPE+10% SA，粉末裝載量為 50vol%。將粒度0. 8 μ m高純度氮化硅微粉、粒度0. 09 μ m的碳化硅粉末、燒結助劑按比例 混合，以無水乙醇為溶劑，在剛玉球磨罐中球磨16h。然后將球磨好的陶瓷粉末與粘結劑 按陶瓷粉末體積分數為58%配制，于SK2160型開放式煉塑機上140°C混煉均勻，隨后再用PSJ32型單螺桿擠出機擠出制粒，在CJ80E型注塑機上采用注射壓力為lOOMPa，注射溫度 180°C，注射速度保持在系統最大值的60%，保壓壓力為lOOMPa，模具溫度為30°C的最佳注 射參數，注射出坯體，在40°C、8h進行溶劑脫脂，然后在Ar氣氛下熱脫脂并于120(TC預燒 結；最后在流動Ar氣氛下，在真空碳管爐在180(TC常壓燒結。燒結體經后續處理，即得到 相對密度達98%，尺寸精度高達士0. 2%和綜合力學性能較好的SiCp/Si3N4復合陶瓷異形 零件。實施例3 含20wt% SiC、裝載量58%的SiCp/Si3N4復合材料零件原料各成分的質量分數為5% SiC+85% Si3N4+4. 3% Al203+5. 7% Y2O3，粘結劑采用 為多聚合物石蠟基粘結劑，其各組元重量百分比為PW HDPE SA = 65 25 10，粉末 裝載量為58vol%。將粒度0.58 μ m高純度α相> 93 %的氮化硅微粉、粒度0. 09 μ m碳化硅粉末、 燒結助劑按比例混合，以無水乙醇為溶劑，在剛玉球磨罐中球磨16h。然后將球磨好的陶 瓷粉末與粘結劑按陶瓷粉末體積分數為58%配制，于SK2160型開放式煉塑機上140°C混 煉均勻，隨后再用PSJ32型單螺桿擠出機擠出制粒，在CJ80E型注塑機上采用注射壓力為 lOOMPa，注射溫度170°C，注射速度保持在系統最大值的60%，保壓壓力為lOOMPa，模具溫 度為30°C的最佳注射參數，注射出坯體，在40°C、8h進行溶劑脫脂，然后在Ar氣氛下熱脫脂 并于120(TC預燒結；最后在流動Ar氣氛下，在真空碳管爐在190(TC常壓燒結。燒結體經后 續處理，即得到相對密度達97%，尺寸精度高達士0.2%和綜合力學性能較好的SiCp/Si3N4 復合陶瓷異形零件。
權利要求
一種制備碳化硅顆粒增強氮化硅復相陶瓷零件的方法，其特征在于，制備工藝為a、混粉將SiC粉、Si3N4粉與燒結助劑置于剛玉球磨罐中以一定轉速球磨14 18小時，得到混合均勻的帶有燒結助劑的氮化硅微粉；其中各粉末質量分數為(5～20)％SiC+(70～85)％Si3N4+(5～10)％燒結助劑；燒結助劑由Al2O3∶Y2O3組成，質量分數為Al2O3∶Y2O3＝4∶5；b、石蠟基多組元粘結劑的配置粘結劑的成份為石蠟即PW、高密度聚乙烯即HDPE、硬質酸即SA，各組元重量百分比為PW∶HDPE∶SA＝(60～70)∶(25～30)∶(5～10)；將三種組元加入恒溫裝置中共混，達到成份均勻；c、混煉將加入了一定量燒結助劑的氮化硅微粉與所配制的多組元聚合物石蠟基粘結劑在開放式煉膠機上混煉1～1.5h，混煉溫度為135～150℃，再在SK2160型雙螺桿混煉擠出機上制粒，使喂料進一步均勻；燒結助劑的氮化硅微粉與多組元聚合物石蠟基粘結劑粉末體積百分數的比例為50～60∶40～50；d、注射成形將制粒后所得喂料在CJ80E型注塑機上注射，注射溫度為170～185℃，注射壓力為90～110Mpa，模具溫度為20～50℃，得到SiCp/Si3N4復合陶瓷預成形坯；e、脫脂及預燒結采用溶劑脫脂+熱脫脂的兩步脫脂法，首先將SiCp/Si3N4復合陶瓷預成形坯浸于三氯乙烯中進行溶劑脫脂8～12h，脫脂溫度為20～50℃，脫脂完成后取出坯體在恒溫干燥箱內烘干，熱脫脂在真空管式爐中進行，脫脂溫度在30～600℃之間，最后加熱至1100～1200℃之間進行預燒結0.5～1h，得到預燒結坯，整個加熱過程氣氛為Ar；f、燒結將預燒結坯置于真空燒結爐中于1800～1900℃常壓燒結，保溫0.5～1h，升溫速率1400℃前為5～7℃/min，1400℃后為3～5℃/min，燒結氣氛為Ar，燒結體經后續精整處理，得到SiCp/Si3N4復合陶瓷零件。
2.按照權利要求1所述的一種制備碳化硅顆粒增強氮化硅復相陶瓷零件方法，其特征 在于=Si3N4原料的粒徑為0. 3 Ι.Ομπι，純度>99% ；SiC粒徑為0.01 0. 1“111，純度> 99%。
全文摘要
一種制備碳化硅顆粒增強氮化硅復合陶瓷零件的方法，屬于陶瓷零件制備技術領域。是將SiC粉末、Si3N4粉末及燒結助劑與石蠟基多組元粘結劑混合成均勻的喂料，喂料經注射成形所得的預成形坯經溶脫、熱脫、1150～1200℃預燒結后，置于真空碳管爐在1800～1900℃、Ar氣氛下常壓燒結，制得SiCp/Si3N4復合陶瓷零件。本發明的優點是可直接制備出幾何形狀復雜的SiCp/Si3N4復合陶瓷制品；制品組織均勻，尺寸精度高，且無須后續加工；可實現SiCp/Si3N4材料與零件的一體化成形；建立了具有形狀復雜和尺寸精度高的SiCp/Si3N4復合陶瓷零件的低成本制備技術。
文檔編號C04B35/583GK101913878SQ20101023057
公開日2010年12月15日 申請日期2010年7月19日 優先權日2010年7月19日
發明者何新波, 曲選輝, 梅敏, 田常娟 申請人:北京科技大學