机氮化硅陶瓷气门材料及部件制备的研究.doc

6105机氮化硅陶瓷气门材料及部件制备的研究9现代技术陶瓷Ih,/r.,:,1997年第4期(总第74期)6105机氮化硅陶瓷气门材料及部件制备的研究<,q张伟儒李勇清r柬壬主爵i设计院)丁K弓,摘要本研究采用近净尺寸冷等静压成型,无压烧蛄sN.工艺成功地制备出了6l05柴油机sN?陶瓷气门,时陶瓷气门材料厦制备工艺进行了详细讨论?结果表明:所研制的克压烧蛄SiN.陶瓷气门,在6105柴油机上连续运转,通过了500小时的台架试验,陶瓷气门完好无损-关键词墨苎.堕至1前言脚,I.<一由于高温结构陶瓷材料具有优良的耐热性,耐磨性及重量轻等优点,用陶瓷材料替代金属来制备热机部件受到了世界各国的高度重视国外已有若干陶瓷件用于发动机,并取得了减摩擦,抗磨损,低惯量以及节油等效果,而更多的陶瓷件仍在研制过程中,预期新一代高性能的陶瓷发动机,将在下世纪初发展为一个巨大的国际市场.进,排气门是发动机的重要部件之一采用高温结构陶瓷材料傲气门可以避免高热负荷下的气门烧损问题,另外,气门是发动机配气机构中的主要运动件,其质量的太小对于配气机构的惯性载荷及弹性振动特性影响很大.采用密度小的陶瓷材料傲气门可使配气机构正常工作的转速上限提高;也可以不提高转速而采用加速度更大的凸轮型线,使气门口当量通路面积增大,从而提高发动机的充气系数和功率;还可以不变转速和凸轮型线而改用较弱的气门弹簧,使作用于配气机构中的惯性力和弹簧力载荷降低,以减少配气机构的机械损失和降低磨损速率.总之,陶瓷气门是潜在使用价值较高的发动机陶瓷件由于陶瓷气门具有上述优点,因而国外对其研究较早,过去有关陶瓷涂层气门的报道较多,近年来,采用块体陶瓷材料制备进,排气门的研制进展很快I2,但其工程可靠性不高,主要的问题是陶瓷气门容易在锁夹及阀盘与阀杆连接处断裂口.通过提高材料性能及改善结构尺寸的设计,这一问题逐渐得到解决,现在陶瓷气门已有在汽车上成功地进行路试的报导.2实验过程2.1原料本研究采用作者合成制备siaN.粉末作为主要原料.siaN.粉末粒径<0.5Mm,BET的表面积为16m/g,粉末中相含量高于90.游离硅<1,采用Y2OA1:OnZrOz作为烧结助剂和添加剂.2.2材料制备将sNAI2O3,Y2Oa和ZrO2按重量百分比配料,通过湿法混合工艺混合均匀.陶瓷气门部件采用近净尺寸冷等静压成型技术,成型最高压力为200MPa.最后于真空碳管炉内烧结,最高烧结温度16001800(2,保3_,白递温24小时.2.3材料性能表征及显微结构研究3结果与讨论无压烧结后的试条经研磨,抛光制成3ram4ram36ram试样,用于室温三点抗3.1烧结致密化过程的研究夸强度测试.用压痕法测试材料的断裂韧性.对siaNdYOaA1O一ZrOt系材料某一用排水法测量材料的体积密度.用SEM,组成所进行的烧结温度对烧结后材料的线收TEM对材料的显微结构进行研究.缩,失重和密度的试验结果列于表1.表1sI|N?一YzO3一AI20一ZrO2系材料线收缩,失重和密度与烧结温度的关系烧结温度()线收缩()失重()密度(g/cm)l55010.62l60015.692.122.72l650l7】21.1529118.561.02309】7501g.392.043.20】780】9.50一】.g2319在此温度下各保温2小时从表1数据可以看出,烧结温度为1550C时,材料已出现相当大的收缩,说明颗粒重捧基本完成.随着sN.表面的SiO不断和添加剂之间反应的进行.液相量逐渐增多,溶解一沉淀过程不断进行,材料逐渐趋于致密,1750C的材料线收缩达到19.39,而密度值最高3.2g/cm,继续升高温度(1780C),可以看出.材料的增重减少.密度值有所下降.3.2ZrN在无压烧结si3N材料中的抑制对于ZrO增韧siaN陶瓷的研究.国内外的研究已取得了很大进展,同时也发现,要获得好的增韧效果主要障碍是:在高温下z.易形成ZrN.其反应式如下:6ZrO2+4Si3N4,-12SiO十+5N2十+6ZrN裘2因而增韧效果不好.本研究结果亦表明,在1550C时,烧结试样的相分析结果已有少量ZrN生成,随着烧结温度的升高,ZrN含量逐渐增多.为了抑制ZrN的生成.本工作通过改变埋粉的组成,有效地控制了ZrN的形成.结果见表2.由表2可以看出,在埋粉中加入一定量SiO,提高SiO分压,从而抑制了ZrN的形成.而投有添加SiOz的埋粉,同样条件下所烧结的试样表面形成一层较厚金黄色的ZrN,而当SiOz含量过多时,sizNzO的含量明显增多,可能发生如下反应:3N+3SiO2-6SiO+2N2十(2)Si3N4+SiO2-2SN2O(3)同时,过多的SiO:高温时易与添加剂反应.过早形成液相,在内部液相致密之前,封闭表面气孔,妨碍气体的排除,导致材料烧结(1)埋粉组分对烧结Si3N4材料相组成影响埋粉组分烧结温度()表观颜色Si3NZrO2(TC)ZrNSi2Nl0SiaN+BN17001800金黄强中较强弱SisN+BN+SiO2(适量)17001800深灰强轻强弱疆SL3N4+BN十sj02(过量)1700】800灰白强较强弱较强4性能和力学性能下降.3.3zrO2含对无压烧结Si3N4材料力学性能的影响本研究在sN基体中引人520wt的单斜氧化锆,控制填料组分及烧结制度,有效地抑制了ZrN的形成,明显地改善了材料的力学性能.图1为ZrO含量对sN材料断裂韧性(K)的影响;图z为ZrO.含量对材料抗弯强度(6aT)的影响.由图1,图2可以看出,随ZrOz含量的增大,sN材料的断裂韧性得到了不同程度的改善,当ZrO含量为5wt时,Kc达到最大值8.5MPamM,比基体材料提高了3z;当ZrOz含量较多(20wt)时,抗弯强度呈明显下降趋势.图1zroz含量对SI3N材料K-:的影响_圳0(wt)图2ZrO2含量对SIgN4材料t的影响3.4显微结构的研究图3(a,b)分别为典型的无压烧结siN的TEM照片及断口的SEM照片.图3a结果表明:sisN晶粒呈长柱状,并且互相交错,其问仅存在少量的无定形相,构成了三维紧密交联的骨架,成为抑制裂纹扩展的势垒,从而提高了材料的断裂能,故材(b)图3无压烧路si3NI的TEM及SEM黑片料具有较高的室温及高温力学性能.由图3b材料断口图象中可清楚看出裂纹偏转,分枝,这是材料具有较高断裂韧性的主要增韧机制.4氮化硅陶瓷气门的制备陶瓷气门是一个上段细长,下端为太直径锥形的复杂形状的部件.陶瓷气门恶劣的工作环境,要求陶瓷气门须具有高的耐热性,耐高温气体腐蚀以及耐磨性能.因此,获得高x目日d.图4slI陶瓷气门的工艺流程性能的陶瓷气门部件,其制备工艺要求相当严格.本研究利用设计的最佳配方进行配料.近净尺寸冷等静压成型以及无压烧结工艺制备氮化硅陶瓷气门,工艺流程如图4所示.采用该工艺制备的siaN.陶瓷气门具有下列优点6】;,(1)由于采用直接冷等静压一次成型出近净尺寸的氮化硅陶瓷气门,大大提高了工作效率,减少了原料损耗.(2)避免了陶瓷气门索坯加工工序,从而提高了成品率.(3)降低了烧结后毛坯的加工余量.(4)无压烧结工艺成本低,易于操作.因此,该工艺路线具有成本低,效率高,易于大批量化生产,为陶瓷气门在我国尽快转化为工业化奠定了基础.经检验合格的陶瓷气门(图5)装人6108柴油机上,在规定考核的工况条件下.sNt陶瓷气门基本上不问6图5SIzN4陶瓷气门件断连续运转,累计通过了500小时台架试验,达到了合同规定的上机考核指标.5结论5.1研制的无压烧结sis材料具有较高的室温及高温机械强度,优良的断裂韧性和高的硬度,基本满足了制备6105柴油机陶瓷气门对材料的要求.5.2采用的冷等静压一次成型出近净尺寸(无需素坯机加工)的si3Nt陶瓷气门,通过无压烧结,制备的陶瓷气门变形程度小,相对密度达98,该工艺路线具有成本低,效率高,易于实现大批量化生产,为陶瓷气门在我国尽快转化为工业化奠定了基础.5.3所制各的sisN陶瓷气门在6105柴油机上通过了500小时台架考核,完成了合同规定的考核指标.参考文献lRegerR.Will3andRol0ersE.Southam,】.Am.Ceram.Soc.,1989I72(7):1261642顿培芷等.Sialon陶瓷气门的制备研究.发动机用先进陶瓷,科学出版社(1993)3美国专利4,3591022,Novl6,19824酞洲专利DE31226035AseaBrownBorerBookerin3rdInterSymp,CeramMelr且口dComponentf0fEnnez1988NOVLasVegasNvUSA6张伟懦等.玲等静压成型及其在精细陶瓷上的应用.t河北陶瓷$199523(4)(下转12页)TheStructuralEvolutionofPseudoboehmiteLuoYuchang(ResearchlrtlntteShandongAturiniumCompany)AbstractThestructuralevolutionofpseudo.boehmitehasbeenstudiedbytheRigakuXraydiffractometer,TGDTAandtheIR一440infraredspectrometer.Asthepseudoboehmitebeingaevolutionseries,thechangesoflayerstructuralwatermakesitsstructureevolvefromnoncrystallineanddisorderingtocrystallinestateandordering.Wehavestudiedthevariationrulesofwideningofdiffractionlineprofile,EozodisplacementvalueEd,grainsize,en.dothermiceffectandhydroxyvibration.Theresultsdemonstratethatthestructureofpseudo-boehmiteisA1OOH.nil20,nis0.0800.602.KeywordsfA1OOH.nil20layerstructuralwaterdisplacementvaluedwideningofdiffractionlineprofileendothermiceffectgrainsizehydroxyevolution(上接6页)MaterialsandPrecessingofSiliconNitrideCeramicValvesfor6105DieselEngineZhangweiyuLiYongLiuQing($handangResearchanddignlnstiteo|IndustrialCercmics)AbstractThesiliconnitrideceramicvalvesfor6105dieselenginewerefabricatedbynearnet