含结晶相Y4SiAlO8N的SiAlON陶瓷及其制备方法和应用

摘要

本发明公开了一种含结晶相Y4SiAlO8N的SiAlON陶瓷，在该陶瓷的晶相结构中，主相晶体主要为α-SiAlON，或者为α-SiAlON与β-SiAlON复合相，在主相晶体的晶界处存在Y4SiAlO8N，且α相中包含有α-Si3N4，β相中包含有β-Si3N4。本发明SiAlON陶瓷的制备方法包括：先按配比将各原料混合均匀，加入有机溶剂和粘合剂，球磨后得到混合浆料；将混合浆料进行喷雾干燥制粒，再经压制成型，脱脂，获得生坯；将生坯在氮气气氛下进行预烧，然后随炉冷却，将得到的预烧体在氮气气氛下进行烧结保温，再随炉冷却得到SiAlON陶瓷。本发明的产品具有较好的高温稳定性与抗氧化性能。

权利要求

1.一种含结晶相Y4SiAlO8N的SiAlON陶瓷，在所述SiAlON陶瓷的晶相结构中，SiAlON为主相晶体，其特征在于：在主相晶体的晶界处存在结晶相Y4SiAlO8N，且主相晶体SiAlON主要为α-SiAlON，或者为α-SiAlON与β-SiAlON复合相，所述α-SiAlON中包含有α-Si3N4，所述β-SiAlON中包含有β-Si3N4；

所述的SiAlON陶瓷在进行X-射线衍射后，α-SiAlON在2θ=34.2°附近峰强度为X，β-SiAlON在2θ=33.5°附近峰强度Y，Y4SiAlO8N在2θ=29.4°附近的峰强度Z，且Y/X=0～18，Z/X=0.05～2。

2.根据权利要求1所述的含结晶相Y4SiAlO8N的SiAlON陶瓷，其特征在于：所述的Y/X=0.4～6，Z/X=0.1～1.0。

3.一种如权利要求1或2所述SiAlON陶瓷的制备方法，包括以下步骤：（1）以Si、Si3N4、Al2O3、AlN和Y2O3的粉体作为原料粉体，按配比将各原料粉体混合均匀，加入有机溶剂和粘合剂，球磨混匀后得到混合浆料；

（2）将步骤（1）得到的混合浆料进行喷雾干燥制粒，获得球形颗粒粉末，再经压制成型，脱脂，获得生坯；

（3）将步骤（2）得到的生坯置入一容器中，然后在氮气气氛下进行预烧，预烧温度控制为1250℃～1550℃，氮气分压1～3个大气压，预烧时间2～10小时，然后随炉冷却，得到预烧体；

（4）将步骤（3）得到的预烧体置入一容器中，然后在氮气气氛下进行烧结，烧结温度控制为1650℃～1950℃，保温时间为1～8小时，随后按1～12℃/min速率降温至1200℃，再随炉冷却，得到SiAlON陶瓷；

所述原料粉体中，各物质的质量分数配比如下：

Si与Si3N4的总质量占原料粉体总质量的50%～90%；

Al2O3占原料粉体总质量的1%～15%；

AlN占原料粉体总质量的5%～30%；

Y2O3占原料粉体总质量的2%～20%；

所述Si与Si3N4的质量比为70:30～90:10。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述容器为一涂有BN的石墨容器。

5.一种如权利要求1或2所述SiAlON陶瓷在切削刀具制备中的应用。

说明书

含结晶相Y4SiAlO8N的SiAlON陶瓷及其制备方法和应用

技术领域

[0001] 本发明属于陶瓷材料技术领域，尤其涉及一种含结晶相的SiAlON陶瓷及其制备方法和应用。

背景技术

[0002] SiAlON陶瓷问世于20世纪70年代初，之后得到迅速发展，逐渐成为重要的高温结构材料。它是以Si3N4为基的Si-Al-O-N系统以及相关系统中的一类固溶体的总称，基本结构单元为(Si,Al)(O,N)四面体。

[0003] Si3N4是共价键晶体，自扩散系数很小，不容易烧结致密，需要添加MgO、CaO、Y2O3等以及一些稀土金属氧化物作为烧结助剂。烧结过程中，这些烧结助剂在高温条件下可以与Si3N4粉末中所含SiO2等杂质形成液相，加速物质传输过程，促进烧结致密化。与Si3N4不同的是，SiAlON陶瓷在烧结过程中形成的瞬时液相离子在烧结后期能进入晶格形成SiAlON相，使晶界得到净化，有利于提高材料的高温性能。

[0004] SiAlON材料根据结构和组分的不同可分为α-SiAlON、β-SiAlON、O-SiAlON等，其中前两者在刀具行业中最为重要。α-SiAlON的通式一般为Mx(Si,Al)12(O,N)16，0

[0005] 1/3(12-m-n)Si3N4+1/3(4m+n)AlN+(m/2v)Me2Ov+1/6(2n-m)Al2O3→ α-Me m/vSi12-m-nAlm+nOnN16-n

[0006] β-SiAlON的通式为Si6-zAlzOzN8-z，0

[0007] α-SiAlON相硬度高，韧性较差，多为等轴晶粒；β-SiAlON相韧性好，硬度差，多为长柱状晶粒。而α/β-SiAlON复合陶瓷能够结合α-SiAlON与β-SiAlON的各自特点，综合性能更好，而采用这种复相陶瓷制备的切削刀具具有耐磨性高、抗热冲击性好、容易致密、应用领域广等优点，目前已用于铸铁、镍基合金、钴基合金、高铝合金、高锰钢等材料的加工，是一种有广泛应用前景的陶瓷刀具材料。

[0008] CN101133001A号中国专利文献公开了一种由Si3N4为主要原料的混合物制成的SiAlON陶瓷体，该SiAlON陶瓷体包括：含有α’-SiAlON和β’-SiAlON相的两相复合物，且α’-SiAlON中含有一种或多种选定的稀土元素。所述SiAlON材料可以含有α主相（或α’相）和β主相（或β’相），以及一种或多种其它相，例如玻璃相和/或结晶相。α’-SiAlON相的化学式可以是MxSi12-(m+n)Alm+nOnN16-n,其中，M是Li、Ca、Y或其它镧系元素，x的最大理论值为2，0

[0009] 现有SiAlON陶瓷刀具，主要用于高温合金高速切削，其对高温力学性能有着极高的要求，因此，进一步提高其高温性能（例如高温硬度、韧性、抗热震性），则是相关领域专家的不懈努力方向。

[0010] Y4SiAlO8N（J-Phase）是YAM相与N-YAM两相按1：1混合的固溶体，其具有具有极高的熔点与抗氧化性能。Dirk Matusch博士论文“Phasenuntersuchungen im System Y-Si-Al-O-N中提到：在Si3N4或SiAlON陶瓷晶间处，当有适量的Y4SiAlO8N存在时，则可提高该陶瓷材料的高温稳定性与抗氧化性能。然而，随着结晶相Y4SiAlO8N含量的增加，SiAlON陶瓷的韧性会下降。Dirk Matusch博士论文并没有提到如何控制Y4SiAlO8N的含量，并改善SiAlON陶瓷刀具的高温稳定性与抗氧化性能。

发明内容

[0011] 本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种高温稳定性能和抗氧化性能更好的含结晶相Y4SiAlO8N的SiAlON陶瓷，还相应提供该含结晶相Y4SiAlO8N的SiAlON陶瓷的制备方法和具体应用。

[0012] 为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种含结晶相Y4SiAlO8N的SiAlON陶瓷，在所述SiAlON陶瓷的晶相结构中，SiAlON为主相晶体，在主相晶体的晶界处存在结晶相Y4SiAlO8N，且主相晶体SiAlON主要为α-SiAlON，或者为α-SiAlON与β-SiAlON复合相，所述α-SiAlON中包含有α-Si3N4，所述β-SiAlON中包含有β-Si3N4。

[0013] 上述的含结晶相Y4SiAlO8N的SiAlON陶瓷，作为进一步的优化，所述的SiAlON陶瓷在进行X-射线衍射后，α-SiAlON在2θ=34.2°附近峰强度为X，β-SiAlON在2θ=33.5°附近峰强度Y，Y4SiAlO8N在2θ=29.4°附近的峰强度Z，且Y/X=0～18（特别优选为0.4～6），Z/X=0.05～2（特别优选为0.1～1.0）。

[0014] 作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述SiAlON陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

[0015] （1）以Si、Si3N4、Al2O3、AlN和Y2O3的粉体作为原料粉体，按配比将各原料粉体混合均匀，加入有机溶剂（例如乙醇）和粘合剂（例如聚乙二醇），球磨混匀后得到混合浆料；

[0016] （2）将步骤（1）得到的混合浆料进行喷雾干燥制粒，获得球形颗粒粉末，再经压制成型，脱脂，获得生坯；

[0017] （3）将步骤（2）得到的生坯置入一容器（所述容器优选为一涂有BN的石墨容器）中，然后在氮气气氛下进行预烧，预烧温度控制为1250℃～1550℃，氮气分压1～3个大气压，预烧时间2～10小时，获得氮化物占总体重量90%以上，然后随炉冷却，得到预烧体；

[0018] （4）将步骤（3）得到的预烧体置入一容器（所述容器优选为一涂有BN的石墨容器）中，然后在氮气气氛下进行烧结，烧结温度控制为1650℃～1950℃，保温时间为1～8小时，随后按1～12℃/min速率降温至1200℃，再随炉冷却，得到SiAlON陶瓷。

[0019] 上述的制备方法，所述原料粉体中，各物质的质量分数配比优选如下：

[0020] Si与Si3N4的总质量占原料粉体总质量的50%～90%；

[0021] Al2O3占原料粉体总质量的1%～15%；

[0022] AlN占原料粉体总质量的5%～30%；

[0023] Y2O3占原料粉体总质量的2%～20%；

[0024] 原料粉体质量总和为100%。

[0025] 其中，所述Si与Si3N4的质量比优选为70:30～90:10。

[0026] 本发明的上述制备方法中，主要考虑了过高的氧含量与过快的降温速率对生成结晶相Y4SiAlO8N不利，因此在制备工艺中重点突出了以Si粉为原料并控制氧化物含量，同时尽可能降低工艺过程中的冷却速率。

[0027] 本发明的优点在于：本发明的SiAlON陶瓷材料以SiAlON相为主晶相，其晶相间存在结晶相Y4SiAlO8N，且结晶相Y4SiAlO8N的含量控制在0.5%～1.2%（质量分数），由于结晶相Y4SiAlO8N具有极高的熔点与抗氧化性能，当其存在Si3N4或SiAlON陶瓷晶间处，则可提高该陶瓷材料的高温稳定性与抗氧化性能，与不含结晶相Y4SiAlO8N、其它成分基本一致的SiAlON陶瓷相比，本发明通过配方调整与烧结工艺的进一步改良，使结晶相Y4SiAlO8N的含量得到控制，使产品的高温稳定性和抗氧化性能提高了15%～35%，由该材料制备成的切削刀具，切削高温合金时，使用寿命延长30%～40%，并且材料成本得到降低。

附图说明

[0028] 图1是样品微观电子扫描结构背散射图。

[0029] 图2是本发明实施例1产品的X -射线衍射图。

[0030] 图3是本发明实施例2产品的X -射线衍射图。

[0031] 图4是本发明实施例3产品的X -射线衍射图。

[0032] 图5是本发明实施例4产品的X -射线衍射图。

具体实施方式

[0033] 以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

[0034] 实施例1：

[0035] 一种本发明的含结晶相Y4SiAlO8N的SiAlON陶瓷，在SiAlON陶瓷的晶相结构中，SiAlON为主相晶体，在主相晶体的晶界处存在结晶相Y4SiAlO8N，且主相晶体SiAlON主要为α-SiAlON与β-SiAlON复合相，α-SiAlON中包含有α-Si3N4，β-SiAlON中包含有β-Si3N（4 见图1）。本实施例SiAlON陶瓷在进行X-射线衍射后，α-SiAlON在2θ=34.2°附近峰强度为X，β-SiAlON在2θ=33.5°附近峰强度Y，Y4SiAlO8N在2θ=29.4°附近的峰强度Z，且Y/X=4.79，Z/X=0.79。

[0036] 本实施例SiAlON陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

[0037] （1）按Si粉67wt%，α-Si3N4粉12wt%，Al2O3粉4wt%，AlN粉8.5wt%，Y2O3粉8.5wt%称取重量，以上粉末颗粒尺寸D50 =1μm，然后将各原料粉体放置球磨罐中，加入乙醇溶剂和粘合剂，经球磨粉碎与适当时间的混合，得到混合均匀的混合浆料；

[0038] （2）将步骤（1）得到的混合浆料用喷雾造粒干燥装置进行喷雾干燥制粒，获得球形颗粒粉末，再经压制成型，脱脂，获得生坯；

[0039] （3）将步骤（2）得到的生坯置入涂有BN的石墨容器中，在氮气气氛炉中预烧，预烧温度1550℃，氮气分压1.5个大气压，预烧时间4小时，以获得氮化物体占总体重量90%以上为准，然后随炉冷却，得到预烧体；

[0040] （4）将步骤（3）得到的预烧体置入涂有BN的石墨容器中，在氮气气氛下烧结，烧结温度1900℃，保温时间为1.5h，随后按10℃/min速率降温至1200℃，随炉冷却制得SiAlON陶瓷成品。

[0041] 经测试，本实施例成品的衍射图谱如图2所示，其中Y/X=4.79，Z/X=0.79。本实施例成品维氏硬度（18.5kg载荷）大于或等于约17.5Gpa，且断裂韧性大于或等于约1/2
6.8Mpa·M 。耐热性能可提高15%～20%，抗氧化性能可提高30%～35%。

[0042] 实施例2：

[0043] 一种本发明的含结晶相Y4SiAlO8N的SiAlON陶瓷，在SiAlON陶瓷的晶相结构中，SiAlON为主相晶体，在主相晶体的晶界处存在结晶相Y4SiAlO8N，且主相晶体SiAlON主要为α-SiAlON与β-SiAlON复合相，α-SiAlON中包含有α-Si3N4，β-SiAlON中包含有β-Si3N4（可参见图1）。本实施例SiAlON陶瓷在进行X-射线衍射后，α-SiAlON在2θ=34.2°附近峰强度为X，β-SiAlON在2θ=33.5°附近峰强度Y，Y4SiAlO8N在2θ=29.4°附近的峰强度Z，且Y/X=0.84，Z/X=0.32。

[0044] 本实施例SiAlON陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

[0045] （1）按Si粉67wt%，α-Si3N4粉12wt%，Al2O3粉4wt%，AlN粉8.5wt%，Y2O3粉8.5wt%称取重量，以上粉末颗粒尺寸D50 =1μm，然后将各原料粉体放置球磨罐中，加入乙醇溶剂和粘合剂，经球磨粉碎与适当时间的混合，得到混合均匀的混合浆料；

[0046] （2）将步骤（1）得到的混合浆料用喷雾造粒干燥装置进行喷雾干燥制粒，获得球形颗粒粉末，再经压制成型，脱脂，获得生坯；

[0047] （3）将步骤（2）得到的生坯置入涂有BN的石墨容器中，在氮气气氛炉中预烧，预烧温度1550℃，氮气分压1.5个大气压，预烧时间4小时，以获得氮化物体占总体重量90%以上为准，然后随炉冷却，得到预烧体；

[0048] （4）将步骤（3）得到的预烧体置入涂有BN的石墨容器中，在氮气气氛下烧结，烧结温度1900℃，保温时间为1.5h，随后按5℃/min速率降温至1200℃，随炉冷却制得SiAlON陶瓷成品。

[0049] 经测试，本实施例成品的衍射图谱如图3所示，其中Y/X=0.84，Z/X=0.32。本实施例成品维氏硬度（18.5kg载荷）大于或等于约18.5Gpa，且断裂韧性大于或等于约1/2
6.6Mpa·M ，耐热性能可提高20%～30%，抗氧化性能可提高15%～25%。

[0050] 实施例3：

[0051] 一种本发明的含结晶相Y4SiAlO8N的SiAlON陶瓷，在SiAlON陶瓷的晶相结构中，SiAlON为主相晶体，在主相晶体的晶界处存在结晶相Y4SiAlO8N，且主相晶体SiAlON主要为α-SiAlON与β-SiAlON复合相，α-SiAlON中包含有α-Si3N4，β-SiAlON中包含有β-Si3N4（可参见图1）。本实施例SiAlON陶瓷在进行X-射线衍射后，α-SiAlON在2θ=34.2°附近峰强度为X，β-SiAlON在2θ=33.5°附近峰强度Y，Y4SiAlO8N在2θ=29.4°附近的峰强度Z，且Y/X=0，Z/X=0.32。

[0052] 本实施例SiAlON陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

[0053] （1）按Si粉54.4wt%，α-Si3N4粉9.6wt%，Al2O3粉4.5wt%，AlN粉19.5wt%，Y2O3粉12wt%称取重量，以上粉末颗粒尺寸D50 =1μm，然后将各原料粉体放置球磨罐中，加入乙醇溶剂和粘合剂，经球磨粉碎与适当时间的混合，得到混合均匀的混合浆料；

[0054] （2）将步骤（1）得到的混合浆料用喷雾造粒干燥装置进行喷雾干燥制粒，获得球形颗粒粉末，再经压制成型，脱脂，获得生坯；

[0055] （3）将步骤（2）得到的生坯置入涂有BN的石墨容器中，在氮气气氛炉中预烧，预烧温度1550℃，氮气分压1.5个大气压，预烧时间4小时，以获得氮化物体占总体重量90%以上为准，然后随炉冷却，得到预烧体；

[0056] （4）将步骤（3）得到的预烧体置入涂有BN的石墨容器中，在氮气气氛下烧结，烧结温度1900℃，保温时间为1.5h，随后按10℃/min速率降温至1200℃，随炉冷却制得SiAlON陶瓷成品。

[0057] 经测试，本实施例成品的衍射图谱如图4所示，其中Y/X=0，Z/X=0.18。本实施例成1/2
品维氏硬度（18.5kg载荷）大于或等于约19.5Gpa，且断裂韧性大于或等于约6.2Mpa·M ，耐热性能可提高25%~35%，抗氧化性能可提高20%~30%。

[0058] 实施例4：

[0059] 一种本发明的含结晶相Y4SiAlO8N的SiAlON陶瓷，在SiAlON陶瓷的晶相结构中，SiAlON为主相晶体，在主相晶体的晶界处存在结晶相Y4SiAlO8N，且主相晶体SiAlON主要为α-SiAlON与β-SiAlON复合相，α-SiAlON中包含有α-Si3N4，β-SiAlON中包含有β-Si3N4（可参见图1）。本实施例SiAlON陶瓷在进行X-射线衍射后，α-SiAlON在2θ=34.2°附近峰强度为X，β-SiAlON在2θ=33.5°附近峰强度Y，Y4SiAlO8N在2θ=29.4°附近的峰强度Z，且Y/X=0.84，Z/X=0.32。

[0060] 本实施例SiAlON陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

[0061] （1）按Si粉54.4wt%，α-Si3N4粉9.6wt%，Al2O3粉4.5wt%，AlN粉19.5wt%，Y2O3粉12wt%称取重量，以上粉末颗粒尺寸D50 =1μm，然后将各原料粉体放置球磨罐中，加入乙醇溶剂和粘合剂，经球磨粉碎与适当时间的混合，得到混合均匀的混合浆料；

[0062] （2）将步骤（1）得到的混合浆料用喷雾造粒干燥装置进行喷雾干燥制粒，获得球形颗粒粉末，再经压制成型，脱脂，获得生坯；

[0063] （3）将步骤（2）得到的生坯置入涂有BN的石墨容器中，在氮气气氛炉中预烧，预烧温度1550℃，氮气分压1.5个大气压，预烧时间4小时，以获得氮化物体占总体重量90%以上为准，然后随炉冷却，得到预烧体；

[0064] （4）将步骤（3）得到的预烧体置入涂有BN的石墨容器中，在氮气气氛下烧结，烧结温度1900℃，保温时间为1.5h，随后按5℃/min速率降温至1200℃，随炉冷却制得SiAlON陶瓷成品。

[0065] 经测试，本实施例成品的衍射图谱如图5所示，其中Y/X=0.1，Z/X=0.26。本实施例1/2
成品维氏硬度（18.5kg载荷）大于或等于约17Gpa，且断裂韧性大于或等于约6.9Mpa·M ，耐热性能可提高22%～32%，抗氧化性能可提高30%～35%。