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氮化硅陶瓷的生产与应用

2018-02-08 17:50:21

氮化硅陶瓷的生产与应用

氮化硅(Si3N4)陶瓷因其熔点高,对于金属及氧化物熔体具有相当的高温稳定性

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,越来越多被应用于热工各个领域,如陶瓷烧成用棚板、辊棒,以及高温轴承、涡轮叶片等。

(一)反应烧结法生产Si3N4

采用一级结晶硅块,在球磨中湿磨,酒精作研磨介质,磨至小于0.07mm。然后净化原料,配料制成坯体。成型方法可采用浇注法、模压法,热压注法或等静压成型方法等。成型时要使素坯密度达到一定要求。  素坯先在氮化炉中进行氮化处理,可采用钼丝电炉或二硅化钼棒电炉。炉膛要密封严紧,以保证抽真空和使用的安全性。硅和氮在约970~1000℃开始反应,并随着温度升高反应速率加快。但如果温度很快上升超过硅熔点时,则坯体会由于硅熔融而坍塌。故必须在远低于熔点的温度中预先氮化。氮化炉内为95%氮气和5%氢气混合气氛,在1180~1210℃下氮化1~5小时。氮化程度约为9%,炉内垫板为氮化硅质材料。

素烧后的坯体进行机械加工时,要避免与水接触、进刀和车速不宜太快,将坯品加工至成品所需尺寸。

进行氮化烧成。氮化温度可采用低于硅熔点(1420℃)和高于硅熔点分阶段保温氮化方法。一种是在1250℃氮化保温一段时间,使硅颗粒表面生成交织状的α—氮化硅单晶粒,填满坯体中硅颗粒之间的孔隙,整个坯体具有一定强度。然后于1350~1400℃下长时间氮化,通过氮气——固相硅颗粒反应,使原来形成的络结构的氮化硅继续发育长大、致密。另一种是在1250℃氮化保温一段时间后,于1450℃氮化保温一段时间,此时硅熔成液体、反应速率很快,生成的氮化硅为硬度、密度较高的颗粒状,分散于低温生成的络状氮化硅内。

氮化时间:在1250℃时氮化4小时,1350℃时氮化8小时,氮化程度达51%,继续在1350℃氮化28小时,氮化程度只增加10%,在1450℃氮化2小时即可完全氮化。通常应为:1250℃时氮化4~10小时,1350℃ 24~36小时,1450℃ 6~12小时。

氮化气氛:由于氮与硅反应为放热反应,氮化初期反应很快,产生的大量热量会使局部温度超过硅的熔点而使其熔融渗出,故升温至1000℃时,同时通入氩气(占氮气量的2/3),到1350℃保温一段时间后停止供氩气,恢复95%氮气和5%氢气气氛,这样可以用氩气来缓冲过快的反应速度。

反应烧结法制得的氮化硅制品体积密度为1.8~2.7g/cm3,气孔率较高、强度不高,但适宜制作形状复杂的制品。

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