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1、MgOCeO2烧结助剂对常压烧氮化硅陶瓷致密化和性能的影响卜ci第6卷第3期Vo】6No3中国有色金属TheChineseJournalofNonfern瑚Metals1996年9月Sep1996MgOCeO2烧结助剂对常压烧结氮化硅陶瓷致密化和性能的影响杨海涛武汉工业大学新材料研究所.武汉430070徐润泽V黄培云(中南工亚天事粉拍所.长沙410083)卜斗要系统研究rMg.c烧结助剂对常压烧结氮化硅陶瓷致密化过程及其性能的影响,发现MgocO2是一种非常有效的烧结助剂其致密化效果比单独用MgO或ce要好得多,常压烧结的SiN4MgocO2陶瓷,相对密度为985%,室温强度可选948MPa.
2、关键词s握堕塑囊曲罨Jj氮化硅陶瓷具有优异的高温性能和耐磨,耐腐蚀性能.与其它陶瓷相比,氮化硅陶瓷的比重小,断裂韧性高,抗热冲击性好,是一种理想的高温结构材料,具有广阔的应用领域和市场,并且由于其主要原料是含量丰富的硅和氮,不受资源限制,因此世界各国都在竞相研究和开发.作为实用价值最大的一种方法,氮化硅的常压烧结法正受到日益重视,它可经济地批量制造各种制品,与过去几年相比,常压烧结氮化硅陶瓷的性能已有了很大提高_1I3J,这就使得氮化硅的广泛应用成为现实.由于氯化硅是强共价键,自扩散系数低,并且在1600就明显分解,很难烧结致密,因此常压烧结氮化硅陶瓷的关键是选择台适的烧结助剂,对此人们已做了
3、大量的研究工作并且取得了很大进展H?.通过对SiA1-O-N系深入仔细的研究,人们成功地制造出了Sialon陶瓷,但其它体系也应得到重视.因为现已发现单相陶瓷材料很难控制,而且性能很难进一步提高.本文研究了MgOCeO2烧结助剂对氮化硅陶瓷常压烧结致密化过程及性能的影响,发现MgO-C是一种非常有效的氮化硅烧结助剂.1试验方法1.1原料本研究所用的sj,N粉末原料特性如表1所示,本试验选用成份如表2所示.表1粉末原料特性si总si游离NOFea相费氏粒度收犒El期:1995一l129;修回日期:19960314扬悔涛.男.33岁,工程师,博士后中国有色金属12实验步骤将各种成份的sNMgO,c
4、e粉末按比例配好,加入酒精和硬质合金球在硬质合金筒中湿磨,干燥过筛后,掺入成形剂,在钢模中压制成长条试样,脱成形剂后,将生坯装入石墨舟内在碳管炉中通氮气烧结,然后测量烧结后试样的密度,硬度及抗弯强度.密度用排水法测量.硬度用洛氏硬度计测量.5mm5mm30ram烧结条样,不经过任何处理,直接用来在万能材料试验机上做三点抗弯强度试验,跨距为24mm,十根试样为一组.将烧结试样粉碎过200目筛,在x射线衍射仪上作相分析.用H一800透射电镜进行微观分析,透射电镜薄膜样是从测量三点抗弯强度后折断的试样残块中切片,研磨,然后离子减薄制成的.2结果和讨论21Mgoce烧结助剂含量的影响固定MgO/ce0
5、2的质量比为1/1,在1800t保温60min,烧结试样的相对密度,线收缩,重量损失与Mgoce含量的关系如图1所示.随着Mgce含量的增加,相对密度及线收缩都相应增加.当MgoceO2含量为8%1O%时,相对密度很高,在98%98.5%之间,对应的线收缩率为17%18%,失重小于2%.当Mgoce含量超过10%后,随着烧结助剂含量的增加,相对密度及线收缩都降低,并且重量损失增大,这与高温时MgO在N2气氛中挥发严重有关.图2为Mgce烧结助剂加量为14%时,在1800t保温60min后烧结体的显微结构.烧结助剂加量过多,会形成过多的液相,从而易产生液相的偏聚以及鼓泡,变形等缺陷,反而不利于烧
6、结体的致密化.其抗弯强度非常低,只有400MPa.只有合适的液相量才有利于形成致密的结构图3表示Mgo)2含量为10%时,在1800t保温60rain的烧结体的显徽结构.耋Il婚嚣i墨:广垂4/I:/l一_J围1相对密度(aJ.线收缩(bJ殛重量损失ccJ与Mgc(含量的关系圈2Mg含量为14%时.烧结体中的缺陷(40000)第6卷第3期杨海涛等:MgO-CeO2烧结助剂对常压烧结氮化硅陶瓷致密化和性能的影响图3MCe02含量为1O%时烧结体的星微结构(400】因此,MgOce烧结助剂的含量过高,烧结氮化硅陶瓷的致密化和性能是不利的,其最佳含量范围为8%10%.2.2MgOCe02烧结助剂成份
7、的影响为了仔细研究MgO与ceO2在烧结过程中所起的作用,固定MgOCeOz的加入量为10%,配制了七种成份的混合料,统一生坯的制造工艺,然后在不同的烧结温度,保温时间下烧结,观察其变化规律,其设计成份如表2所示.图4为1800保温60min,MgO-Ce02的成份变化与相对密度的关系.从图4可看出,单纯就MgO与Ce02而言,MgO对Si3N4的致密化效果比ce的好,但在1800保温60min后,加10%MgO的相对密度可以达到98.6%,而加10%c的相对密度只有91%,二者混合则可得到比单独加入更好的效果.在MgOCe02烧结助剂中,当CeOztMgO从0/10增加到sts以后,相对密度
8、便从97%增加到98.5%,达到峰值后,当其中的ce02含量继续增加时,则相对密度下降.图5为1450oC和1800保温60min后,MgO-CAh成份与线收缩的关系,其趋势与相对密度的变化规律相似,在CeO2/MgO为sts时,线收缩率达到峰值,为18%,它与最大的相对密度值98.5%相对应.从图5中还可看出,在ce02/IVlgO为8t210098坞三苣94920246810MgOC(Ce%)/%(,图4MgO-CgA成份与相对密度的关系(1800保温60min)姜50f0246810MgOC(Ce(h.)/%ceO2图5MgO-Cah成份与线收缩的关系到6/4范围内的成份,当烧结温度为1
9、450时,其线收缩率可超过14%,说明这几种成份的试样在l450时就已有相当数量的液相出现,这样才会导致这样大的收缩.x射线衍射分析的结果进一步证实了这一点.图6为4(MgO/CeOz=4/6)试样压坯的x射线分析结果,烧结前,压坯中存在a一,MgO,ce;而在1450保温烧结后(图7),它的MgO及ceO2相均消失了,也投有发现ce203相,si3的含量有所增加.这说明在1450,MgO与ceO2均已与Si3N4颗粒表面的si02反应形成了硅酸盐液相,冷却后这些液相则变成了玻璃相,由于玻璃相不产生布拉格反射,所以在x射线衍射谱上就显中国有色金属1996年9月cbb量II.l苫醪静辗15202
10、5303540455020/(.)图8MgOCeO2成份与室沮抗弯强度的关系图64MgO/C=4/6)试样烧结前压坯的X射线衍射谱152O25303540455020/)图74试样1450C保沮60min后的X射线衍射谱示不出来.图8为MgO-CeOz烧结助剂成份与室温抗弯强度的关系,烧结温度为1800,保温时间为60min,其变化规律与收缩率及相对密度的变化规律类似.从图8可看出,如果只加MgO或ce0作为烧结助剂,烧结体的强度是很低的,分别只有670MPa和400MPa.而在混合加入时,则最高可达948MPa.如果不加入Ce02,根据MgOSiOz相图,其最低的共熔点为1543,所以只加入
11、MgO在1450就有大量的液相出现是不可能的,而第三组元ce02的加入,使系统的共熔温度降低到一个更低的低共熔答点,这样,在一定温度下,越接近低共熔点的成份,生成的液相数量就越多,致密化效果也越好,如在本试验中的MgO/CeO:1/1的成份附近;而越偏离低共熔答点,则生成的液相量也越小,致密化效果也就越差.图9为1800保温60min的MgO/c:1/1试样的TEM照片,试样的抗弯强度为1015MPa,电子衍射花样表明,其中浅色的为si3N4相,灰色的为玻璃相,由于液相图9Si3N4十5%MgO十5%ce(烧结试样的典型结构(1800憬锰60rain)第6卷第3期扬海涛等:MgO.CeO2烧结
12、助剂对常压烧结氮化硅陶瓷致密化和性能的影响?95数量充足,形成非常致密的结构,并且口一Si3N4晶粒发育良好,形成交错的长柱状结构,这种交错的排列对材料的强度是有利的,这在很多文献中已报导过.从图9中还可发现在大块的玻璃相中出现了微孔,这一方面说明MgO-CeO2与sio2反应形成的硅酸盐相与氮化硅基体的润湿性良好,否则这种孔更易在玻璃相与N晶粒的边界上生成;另一方面也说明液相数量也不宜太多,否则容易形成缩孔而使其致密度和性能下降.3结论(1)对常压烧结N4一MgO-Ca系陶瓷而言,MgO-CeO2的最佳含量范围为8%l0%,过多过少均会降低烧结体的密度及性能.(2)MgO与Cgh以一定的比例
13、混合作为烧结助剂,其致密化效果比单独用MgO或&O2要好得多,当Mg()/Ce为1/1时,效果最好.烧结体的相对密度为98.5%,室温强度为948MPa.(3)在1450,MgO-Cah就会与Si,N4颗粒表面的si反应形成硅酸盐液相.参考文献1DoughsRCJAmcr【ls.c,1992,75(4)7862CramponJ.Cer0mnt.1992,18:119+3HechtNoAmCer0mBul1.1992.71(4):6534NegitaKlfigh1.JMaterSolLett,1985,4:7555SuttorDanielJAmcerar【lSo:,1992,75c5):
14、1063.ROLEOFMgO-CeO2SINTERINGAIDINDENSIFICATIONOFSi3N4/angHaitaoNewMaterialsResearchInstitute,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070XuRurtze.HuangPeiyunPowderMetallurgyResearchInstitute,CentralSouthUniversityofTechnology,Changsha410083ABSTRACTAninvestigation0theprssuralesssinteringofN4withMceO2revea
15、ledthatMgcisamucheffectivesinteringaidforsiliconnitridethaneitherMgOorceTheBmountofMgOceqandMgO/CeOzmassratiohavestronginfluenceOilthedermificationbehaviom-andmechanicalpropertiesofthesnteredmaterMsThesiliconnitridepressureleslysinteredwithMgocozretainsatelafiredensityof985%andabendingstrength0f948MPaKeywordsSi3Nsinteringdensifieation编辑彭超群
