氮化硅基复合陶瓷及其活塞顶制作方法

田杰谟, 童晓华, 胡久大, 张宝清, 周建华, 王加龙

1992年1月15日

1990年7月5日

1990年7月5日

清华大学

C04B35/64GK1057826SQ9010324

氮化硅 活塞 复合 陶瓷 制作

1.一种氮化硅基复合陶瓷，其特征在于a.含有氮化硅，氧化钇、氧化铝外还加入氧化锆；b.其中氮化硅为70～90wt%，其他成份为10～30wt%2.一种氮化硅基复合陶瓷，其特征在于a.含有氮化硅，氧化钇、氧化铝外还加入氧化锆和碳化钛;b.其中氮化硅为70～90wt%，其他成份为10～30wt%3.一种氮化硅基复合陶瓷的制备方法，其特征在于混合后的粉料用冷等静压工艺成型-坯料，将坯料在800℃～1300℃非氧条件下预烧结，然后将坯料按零件尺寸进行切削加工，将加工好的坯料在1450℃～1800℃非氧条件下第二次烧结4.根据权利1、2所述的氮化硅基复合陶瓷，其特征在于所说的非氧条件下，两次烧结可采用热压法，也可采用热等静压法一次烧结5.根据权利要求1、2、3所述的氮化硅复合基陶瓷制成的绝热机用陶瓷活塞顶，其特征在于用冷等静压工艺成型的坯料在800℃～1300℃非氧条件下预烧，将预烧的坯料按零件的尺寸进行切削加工成ω型，加工好的坯料在1450℃～1800℃非氧条件下第二次烧结

本发明属成份为特征的陶瓷成型制品的领域，尤其涉及以氮化硅为基料的制备方法及产品对Si3N4基陶瓷材料介绍的文章已有许多，其中大多是以Sialon系列为主通过改变助烧结剂的成份及含量来控制材料的性能，在专利CN85101384A中介绍了一种Si-Al-O-N系列的陶瓷材料，由于氮化铝在材料中的出现以及多型Si-Al-O-N相的形成，使材料的性能比纯Si3N4材料有很大提高，在专利CN86100425A中介绍了一种β′-Mg-Sialon的Si3N4基陶瓷材料并在其中加入了ZrO2，由于ZrO2，加入使材料中晶粒的形态发生了变化，达到了提高材料机械性能的目的以上两个专利中介绍的Si3N4基陶瓷材料的性能还不十分令人满意，作为发动机用活塞顶的材料更是有待提高，特别是在CN86100425A中，由于使用了不同的烧结助剂，镁铝尖晶石使陶瓷材料仍有较高的烧结温度利用陶瓷材料制造发动机用活塞顶可以充分利用陶瓷材料的耐高温特性因而，日本和美国等一些国家先后开展了陶瓷活塞顶的研制工作，但研究结果仍处在保密阶段，材料的配方和制造工艺均没有公布，大量的文章只是介绍并论述了陶瓷活塞顶的可行性，及材料的预测所介绍的零部件也都是发动机的其他零部件Walter Bryzik提出了组合式活塞顶工艺方法，由于要用镍基合金螺钉进行连接，因此使活塞顶成型工艺，烧结工艺及组装工作复杂化并且，由于镍基合金的使用，使活塞顶的工作温度受到限制本发明的目的在于提供制备高强度、高韧性，高抗热震性的氮化硅基复合陶瓷的配方及其制备方法，以及用该方法制备整体活塞顶工艺本发明的主要技术特征是氮化硅基复合陶瓷是由氮化硅、氧化钇、氧化铝、外加入氧化锆组成，其中氮化硅重量百分比为70～90%其它成分占10～30wt%，(加氧化锆、也可同时加入碳化钛)，将上述材料混合后的粉料用冷等静压工艺成型坯料，在800℃～1300℃非氧条件下预烧结，然后将坯料按零件尺寸进行切削加工，将加工好的坯料在1450℃～1800℃非氧条件下第二次烧结非氧条件下两次烧结工艺可采用热压法，也可采用热等静压法一次烧结本发明的技术方案是这样实现的1.Si3N4基陶瓷材料的配方材料基体是由氮化硅、氧化钇和氧化铝组成的，在基体材料中分别或同时加入碳化钛，氧化锆，其中Si3N4的含量为70～90wt%，其他成份含量的总合为10-30wt%需要说明的是，所谓氧化锆，除可以是纯ZrO2外还可以是ZrO2-TZP，它含有一定量的Y2O3和CeO2，其结构为四方相结构2.工艺过程将按一定成份比例配好的各种粉末在乙醇中球磨混合8～24小时，然后烘干，使粉料干燥将已干燥的粉进行造粒，造粒过程如下①将粉料在1500～2800bar的压力下压成坯件②将①所述的坯料粉碎成粉末③将②所述的粉末过40目以上的筛，得到一定粒度的粉末④将粉末③再经过①②③过程后就可得到粒度有较理想分布的粉末，造粒完闭将④中的粉末按一定尺寸要求成型，成型压力为1700～3000bar，即可得到坯料，将坯料在1450℃～1800℃非氧化气氛中进行无压烧结或热压烧结，也可热等静压烧结，升温和降温速度应控制在每分钟15℃以下，这是因为在材料没有完全烧结以前如有热冲击会使材料基体中产生大量的微裂纹，使材料的强度和韧性降低，在1450℃～1800℃烧结温度下，保温30分钟到6小时，根据不同烧结方法决定烧结时间，在无压烧结的条件下需要较长的时间，用热压或热等静压的方法时间就可以较短，如用热压的方法，热压的压力为150bar～400bar，热等静压的压力为1000bar-2000bar这样就得了所要求的陶瓷材料样品3.陶瓷活塞顶的成型工艺①将2中造粒完毕的粉末按尺寸要求成型，制成坯料②将①中的坯料进行预烧结，温度为800℃-1300℃，保温时间1小时～4小时，升温与降温速度控制在每分钟15℃以下，可得到经预烧的坯料③将②中的坯料按零件的要求进行机械加工，切削成成ω型④将③中得到的坯料再次烧结温度为1400℃到1800℃，保温时间与控制温速度与①中相同⑤将④中得到的烧结体进行精加工，即可得到尺寸合格的整体陶瓷活塞顶为了得到高强度，高韧性及高抗热震性的陶瓷材料，在氮化硅基体中加入了ZrO2、TiC，TiC在基体中起弥散强化作用，ZrO2的加入，除ZrO2起一定的弥散强化作用外，还可以使部分β-Si3N4晶粒以类晶须状的形态出现，即有一个大于1的长径比，由于在基体的相结构中发生了上述的变化，因而使材料强度，韧性及抗热震性有所提高使用本发明的工艺制造陶瓷活塞顶，可以直接制成整体的陶瓷活塞顶，省去了大量的加工工序，简化了组装使发动机的工作温度只受材料本身的限制实施例1成份75%Si3N4+8%Al2O3+6%Y2O3+2%TiC+9%ZrO2工艺①混合配料后，在乙醇中温磨16小时②烘干③造粒a.冷压成型，压力为2000barb.粉碎，过60目的筛;c.重复a，b工序④按活塞顶尺寸φ120×70mm，成型压力为2800bar⑤第一次预烧，用常压氮气保护，温度为1050℃，升温速度为每分钟5℃，保温时间2小时，降温速度为每分钟5℃⑥将⑤得到的坯料按活塞顶要求进行机加工，并留有一定的收缩量⑦将⑥中的坯料在常压氮气保护下进行终烧结，温度为1550℃，保温2小时，升降温速度均为每分钟8℃⑧对⑦中的烧结体进行精加工，得到尺寸合格的活塞顶实施例2成份70%Si3N4+8%Al2O3+4%Y2O3+18%ZrO2工艺①配料后在乙醇中温磨混合20小时②将①中混好的料烘干③将烘干的料放入准备好的热压模具中，并进行50bar的预压④将③中的热压模具进行热压，温度为1600℃，压力为200bar，保温时间40分钟⑤将④中的热压件取出，并精加工，得到尺寸合格的活塞顶