專利名稱：一種碳化硅加碳復(fù)相陶瓷密封材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種碳化硅加碳(SiC/C)復(fù)相陶瓷密封材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
為了滿足機(jī)械密封的零泄漏、低磨損量、長壽命、轉(zhuǎn)矩及追隨性等特殊要求， 機(jī)械密封材料必須具有高強(qiáng)度、高彈性模量(剛度)、高硬度、優(yōu)異的熱學(xué)性能、 耐腐蝕性能及摩擦學(xué)性能等。碳化硅陶瓷是一種新型的、性能優(yōu)越的機(jī)械密封材
料，其重量輕、比強(qiáng)度高、抗輻射能力強(qiáng)；具有一定的自潤滑性、摩擦系數(shù)??； 硬度高、耐磨損、組對性能好；化學(xué)穩(wěn)定性高、耐腐蝕；導(dǎo)熱性能良好、耐熱沖 擊性能好。作為新一代機(jī)械密封材料，碳化硅陶瓷已被國際上確定為自金屬、氧 化鋁、硬質(zhì)合金以來第四代基本密封材料。但碳化硅陶瓷作為機(jī)械密封材料在自 潤滑性能不如石墨，導(dǎo)致其耐干摩擦性能較差，在一定程度上降低了其可靠性， 限制了其在特殊工況領(lǐng)域的應(yīng)用。
雖然已有在碳化硅陶瓷中加入鎳、鈦或石墨等元素來提高碳化硅陶瓷的干摩 擦性能，但仍然存在以下問題
(1) 目前加入金屬、石墨來提高碳化硅陶瓷的自潤滑性，其基體多是反應(yīng)燒 結(jié)碳化硅，由于反應(yīng)燒結(jié)碳化硅存在游離硅、二氧化硅等緣故，陶瓷綜合性能不 高，已逐步被無壓燒結(jié)碳化硅所取代。
(2) 由于金屬、石墨與碳化硅的比重差異較大，分散機(jī)制也不盡相同，采用 常規(guī)的機(jī)械球磨混合的方式很難獲得成分均勻的復(fù)合粉體，導(dǎo)致陶瓷燒結(jié)不致密， 并影響最終的力學(xué)性能、摩擦性能和高磨損率。
(3) 石墨及金屬元素相對于碳化硅來說是弱相后，含金屬或石墨碳化硅陶瓷 的強(qiáng)度、斷裂韌性都會有所降低。如何在確保碳化硅陶瓷獲得良好干摩擦性能的 同時不降低其力學(xué)性能，這成為一個困擾干摩擦碳化硅密封材料制備的重要問題。
因此，有必要開發(fā)低摩擦系數(shù)和磨損率的碳化硅陶瓷密封材料，以提高碳化 硅機(jī)械密封材料的自潤滑性能，同時確保碳化硅陶瓷的抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性不能 明顯降低。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明的目的之一是提供一種碳化硅加碳 (SiC/C)復(fù)相陶瓷密封材料，它配比合理，具有低摩擦系數(shù)、低磨損率、抗彎強(qiáng)
度大、斷裂韌性優(yōu)良等特性。本發(fā)明的目的之二是提供一種碳化硅加碳(SiC/C)復(fù)相陶瓷密封材料的制備 方法，由此方法所生產(chǎn)的碳化硅陶瓷具有低摩擦系數(shù)、低磨損率、抗彎強(qiáng)度大、 斷裂韌性優(yōu)良等特性。
為達(dá)到以上目的之一，本發(fā)明是通過這樣的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的 一種碳化硅 加碳復(fù)相陶瓷密封材料，碳化硅為基體，碳化硅、碳化硼和碳粉為主原料，各組 分重量配比為碳化硅粉體100份，碳化硼0.1份 1份，碳粉5份 30份，粘 結(jié)劑PVA0.5份~3份，分散劑0.5份~1.5份。所述的碳粉為石墨粉，所述的粘結(jié) 劑PVA為聚乙烯醇，所述的分散劑為四甲基氫氧化胺。
為達(dá)到以上目的之二，本發(fā)明是通過這樣的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的 一種碳化硅 加碳復(fù)相陶瓷密封材料的制備方法，依次包括以下步驟
(1) 將碳化硅粉體、碳化硼、碳粉、粘結(jié)劑、分散劑按一定比例配比后加入 到去離子水中，球磨混合12小時 24小時后，配制成固相重量含量為40% 60 %水基碳化硅復(fù)合料漿；
(2) 采用噴霧造粒工藝對上述水基碳化硅復(fù)合料漿進(jìn)行噴霧干燥，得到碳化 硅造粒粉；熱風(fēng)進(jìn)口溫度為20(TC 25(TC;
(3) 對上述碳化硅造粒粉采用140MPa干壓預(yù)壓和200MPa冷等靜壓終壓的 兩歩方式成型，獲得高密度的密封材料坯體；
(4) 將上述高密度的密封材料坯體放在真空無壓燒結(jié)爐中，升溫至2000°C 2100°C，保溫1小時 1.5小時，燒結(jié)結(jié)束后得到碳化硅加碳復(fù)相陶瓷密封材料。
需要說明的是，步驟(2)中所述的固相重量含量為40% 60%的水基碳化硅 料漿，其固相重量含量是指(主原料)+ (主原料+粘結(jié)劑+分散劑+去離子 水)=40% 60%，上述百分比為重量百分比。
本發(fā)明碳化硅加碳(SiC/C)復(fù)相陶瓷密封材料及其制備方法，具有以下優(yōu)點(diǎn)-
(1) 碳化硅加碳(SiC/C)復(fù)相陶瓷密封材料，配比合理，能使其具有低摩 擦系數(shù)、低磨損率、抗彎強(qiáng)度大、斷裂韌性優(yōu)良等特性，體積密度為2.87 g/cm3 2.92g/cm3，硬度HRA為88 91，抗彎強(qiáng)度為210 MPa 280MPa，彈性模量為 230GPa 270GPa。
(2) 弓l入了自潤滑性能優(yōu)越的碳粉(石墨)后，碳化硅加碳復(fù)相陶瓷密封材 料的干摩檫性能明顯得到改善，其摩擦系數(shù)僅為0.01 0.02。
(3) 制備方法采用水基碳化硅料漿和噴霧造粒技術(shù)，使碳粉(石墨)在碳化 硅基體中均勻分布，有助于提高碳化硅的自潤滑性。
(4) 采用碳化硼作為燒結(jié)助劑，不但降低了密封材料的燒結(jié)溫度，而且還克 服了碳粉(石墨)帶來碳化硅陶瓷燒結(jié)變差的問題。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1:一種碳化硅加碳復(fù)相陶瓷密封材料，碳化硅粉體為基體，碳化硅粉體、碳化 硼和碳粉為主原料，各組分重量配比為碳化硅粉體100Kg，碳化硼lKg，碳粉
30Kg，粘結(jié)劑PVA3Kg，分散劑1.5Kg。 實(shí)施例2:
一種碳化硅加碳復(fù)相陶瓷密封材料，碳化硅粉體為基體，碳化硅粉體、碳化
硼和碳粉為主原料，各組分重量含量為碳化硅粉體100Kg ，碳化硼0.1Kg，碳 粉5Kg ，粘結(jié)劑PVA0.5Kg ，分散劑0.5Kg 。 實(shí)施例3:
一種碳化硅加碳復(fù)相陶瓷密封材料，碳化硅粉體為基體，碳化硅粉體、碳化 硼和碳粉為主原料，各組分重量含量為碳化硅粉體100Kg ，碳化硼0.55Kg， 碳粉17.5Kg，粘結(jié)劑PVA1.75Kg，分散劑1Kg 。 實(shí)施例4:
一種碳化硅加碳復(fù)相陶瓷密封材料，碳化硅粉體為基體，碳化硅粉體、碳化 硼和碳粉為主原料，各組分重量配比為碳化硅粉體100Kg，碳化硼0.5Kg，碳 粉20Kg，粘結(jié)劑PVAlKg ，分散劑1.2Kg。 實(shí)施例5:
一種碳化硅加碳復(fù)相陶瓷密封材料，碳化硅粉體為基體，碳化硅粉體、碳化 硼和碳粉為主原料，各組分重量配比為碳化硅粉體100Kg，碳化硼0.8Kg，碳 粉10Kg ，粘結(jié)劑PVA0.8Kg，分散劑0.9Kg。 實(shí)施例6:
一種碳化硅加碳復(fù)相陶瓷密封材料，碳化硅粉體為基體，碳化硅粉體、碳化 硼和碳粉為主原料，各組分重量配比為碳化硅粉體100Kg，碳化硼0.2Kg，碳 粉6Kg，粘結(jié)劑PVA0.6Kg，分散劑0.6Kg 。 實(shí)施例7:
一種碳化硅加碳復(fù)相陶瓷密封材料，碳化硅粉體為基體，碳化硅粉體、碳化 硼和碳粉為主原料，各組分重量配比為碳化硅粉體100Kg，碳化硼0.9Kg，碳 粉29Kg，粘結(jié)劑PVA2.9Kg，分散劑1.4Kg。
實(shí)施例8:
--種碳化硅加碳復(fù)相陶瓷密封材料的制備方法，依次包括以下步驟
(1) 將碳化硅粉體、碳化硼、碳粉、粘結(jié)劑、分散劑按一定比例配比后加入 到去離子水中，球磨混合12小時后，配制成固相重量含量為40%水基碳化硅復(fù) 合料漿；
(2) 采用噴霧造粒工藝對上述水基碳化硅復(fù)合料漿進(jìn)行噴霧干燥，得到碳化 硅造粒粉；熱風(fēng)進(jìn)口溫度為20(TC;(3) 對上述碳化硅造粒粉采用140MPa干壓預(yù)壓和200MPa冷等靜壓終壓的 兩步方式成型，獲得高密度的密封材料坯體；
(4) 將上述高密度的密封材料坯體放在真空無壓燒結(jié)爐中，升溫至200(TC， 保溫1小時，燒結(jié)結(jié)束后得到碳化硅加碳復(fù)相陶瓷密封材料。
實(shí)施例9:
一種碳化硅加碳復(fù)相陶瓷密封材料的制備方法，依次包括以下步驟
(1) 將碳化硅粉體、碳化硼、碳粉、粘結(jié)劑、分散劑按一定比例配比后加入
到去離子水中，球磨混合24小時后，配制成固相重量含量為60%水基碳化硅復(fù) 合料漿；
(2) 采用噴霧造粒工藝對上述水基碳化硅復(fù)合料漿進(jìn)行噴霧干燥，得到碳化 硅造粒粉；熱風(fēng)進(jìn)口溫度為250。C;
(3) 對上述碳化硅造粒粉釆用140MPa干壓預(yù)壓和200MPa冷等靜壓終壓的 兩步方式成型，獲得高密度的密封材料坯體；
(4) 將上述高密度的密封材料坯體放在真空無壓燒結(jié)爐中，升溫至210(TC， 保溫1.5小時，燒結(jié)結(jié)束后得到碳化硅加碳復(fù)相陶瓷密封材料。
實(shí)施例10:
--種碳化硅加碳復(fù)相陶瓷密封材料的制備方法，依次包括以下步驟
(1) 將碳化硅粉體、碳化硼、碳粉、粘結(jié)劑、分散劑按一定比例配比后加入
到去離子水中，球磨混合18小時后，配制成固相重量含量為50%水基碳化硅復(fù) 合料漿；
(2) 采用噴霧造粒工藝對上述水基碳化硅復(fù)合料漿進(jìn)行噴霧干燥，得到碳化 硅造粒粉；熱風(fēng)進(jìn)口溫度為225 °C;
(3) 對上述碳化硅造粒粉采用140MPa干壓預(yù)壓和200MPa冷等靜壓終壓的 兩步方式成型，獲得高密度的密封材料坯體；
(4) 將上述高密度的密封材料坯體放在真空無壓燒結(jié)爐中，升溫至205(TC， 保溫1.25小時，燒結(jié)結(jié)束后得到碳化硅加碳復(fù)相陶瓷密封材料。
實(shí)施例11:
一種碳化硅加碳復(fù)相陶瓷密封材料的制備方法，依次包括以下步驟 依次進(jìn)行以下步驟-
(1) 將碳化硅粉體100Kg，碳化硼lKg，石墨粉30Kg，聚乙烯醇3Kg，四 甲基氫氧化胺1.5Kg，加入到去離子水中，球磨混合24小時，配制成固相重量含 量為40%的水基碳化硅料漿；
(2) 采用噴霧造粒工藝對上述水基碳化硅復(fù)合料漿進(jìn)行噴霧干燥，得到碳化 硅造粒粉.，熱風(fēng)進(jìn)口溫度為22(TC;(3) 對上述碳化硅造粒粉采用140MPa干壓預(yù)壓和200MPa冷等靜壓終壓的 兩步方式成型，獲得高密度的密封材料坯體；
(4) 將上述高密度的密封材料坯體放在真空無壓燒結(jié)爐中，升溫至2000。C， 保溫1小時，燒結(jié)結(jié)束后得到碳化硅加碳復(fù)相陶瓷密封材料。
碳化硅加碳復(fù)相陶瓷密封材料摩擦系數(shù)為O.Ol，體積密度為2.87g/cm3，硬度 為89HRA，抗彎強(qiáng)度為220MPa，彈性模量為240GPa。
實(shí)施例12:
一種碳化硅加碳復(fù)相陶瓷密封材料的制備方法，依次包括以下步驟 依次進(jìn)行以下步驟
(1) 將碳化硅粉體100Kg、碳化硼0.1Kg、石墨粉5Kg、聚乙烯醇0.5Kg、 四甲基氫氧化胺0.5Kg，加入到去離子水中，球磨混合12小時，配制成固相重量 含量為60%的水基碳化硅料漿；
(2) 采用噴霧造粒工藝對上述水基碳化硅復(fù)合料漿進(jìn)行噴霧干燥，得到碳化
硅造粒粉；熱風(fēng)進(jìn)口溫度為22(TC;
(3) 對上述碳化硅造粒粉采用140MPa干壓預(yù)壓和200MPa冷等靜壓終壓的 兩步方式成型，獲得高密度的密封材料坯體；
(4) 將上述高密度的密封材料坯體放在真空無壓燒結(jié)爐中，升溫至200(TC， 保溫1.5小時，燒結(jié)結(jié)束后得到碳化硅加碳復(fù)相陶瓷密封材料。
碳化硅加碳復(fù)相陶瓷密封材料摩擦系數(shù)為0.02，體積密度為2.91g/cm3，硬度 為91HRA，抗彎強(qiáng)度為255MPa，彈性模量為270GPa。 實(shí)施例13:
一種碳化硅加碳復(fù)相陶瓷密封材料的制備方法，依次包括以下步驟
依次進(jìn)行以下步驟
(1) 將碳化硅粉體100Kg、碳化硼0.15Kg、石墨粉15Kg、聚乙烯醇1.2Kg、 四甲基氫氧化胺1.2Kg，加入到去離子水中，球磨混合16小時，配制成固相重量 含量為50%的水基碳化硅料漿；
(2) 采用噴霧造粒工藝對上述水基碳化硅復(fù)合料漿進(jìn)行噴霧干燥，得到碳化 硅造粒粉；熱風(fēng)進(jìn)口溫度為22(TC;
(3) 對上述碳化硅造粒粉采用140MPa干壓預(yù)壓和200MPa冷等靜壓終壓的 兩步方式成型，獲得高密度的密封材料坯體；
(4) 將上述高密度的密封材料坯體放在真空無壓燒結(jié)爐中，升溫至205(TC， 保溫1小時，燒結(jié)結(jié)束后得到碳化硅加碳復(fù)相陶瓷密封材料。
碳化硅加碳復(fù)相陶瓷密封材料摩擦系數(shù)為0.015，體積密度為2.90g/cm3，硬 度為91HRA，抗彎強(qiáng)度為240MPa，彈性模量為250GPa。
最后，還需要注意的是，以上列舉的僅是本發(fā)明的若干個具體實(shí)施例。顯然， 本發(fā)明不限于以上實(shí)施例，還可以有許多變形。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能從本發(fā) 明公開的內(nèi)容直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)認(rèn)為是本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1、一種碳化硅加碳復(fù)相陶瓷密封材料，碳化硅為基體，碳化硅、碳化硼和碳粉為主原料，其特征在于各組分重量配比為碳化硅粉體100份，碳化硼0.1份～1份，碳粉5份～30份，粘結(jié)劑PVA0.5份～3份，分散劑0.5份～1.5份。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳化硅加碳復(fù)相陶瓷密封材料，其特征在于 所述的碳粉為石墨粉。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的-一種碳化硅加碳復(fù)相陶瓷密封材料，其特征在于 所述的粘結(jié)劑PVA為聚乙烯醇。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳化硅加碳復(fù)相陶瓷密封材料，其特征在于所述的分散劑為四甲基氫氧化胺。
5、 一種碳化硅加碳復(fù)相陶瓷密封材料的制備方法，其特征在于依次包括以 下步驟(1) 將碳化硅粉體、碳化硼、碳粉、粘結(jié)劑、分散劑按一定比例配比后加入到去離子水中，球磨混合12小時 24小時后，配制成固相重量含量為40% 60%水基碳化硅復(fù)合料漿；(2) 采用噴霧造粒工藝對上述水基碳化硅復(fù)合料漿進(jìn)行噴霧干燥，得到碳化 硅造粒粉；熱風(fēng)進(jìn)口溫度為20(TC 25(TC;(3) 對上述碳化硅造粒粉采用140MPa千壓預(yù)壓和200MPa冷等靜壓終壓的 兩步方式成型，獲得高密度的密封材料坯體；(4) 將上述高密度的密封材料坯體放在真空無壓燒結(jié)爐中，升溫至200(TC 210(TC，保溫1小時 1.5小時，燒結(jié)結(jié)束后得到碳化硅加碳復(fù)相陶瓷密封材料。
全文摘要
一種碳化硅加碳復(fù)相陶瓷密封材料，各組分重量配比為碳化硅粉體100份，碳化硼0.1份～1份，碳粉5份～30份，粘結(jié)劑PVA0.5份～3份，分散劑0.5份～1.5份。制備方法依次包括以下步驟(1)將原料按一定比例配比后加入到去離子水中，經(jīng)球磨混合，配制成固相重量含量為40％～60％水基碳化硅復(fù)合料漿；(2)采用噴霧造粒工藝對料漿進(jìn)行噴霧干燥，得到碳化硅造粒粉；(3)對粒粉采用140MPa干壓預(yù)壓和200MPa冷等靜壓終壓的兩步方式成型，獲得高密度的密封材料坯體；(4)將坯體放在真空無壓燒結(jié)爐中，升溫至2000℃～2100℃，保溫1小時～1.5小時，燒結(jié)得到碳化硅加碳復(fù)相陶瓷密封材料。
文檔編號C04B35/622GK101591169SQ200910098949
公開日2009年12月2日 申請日期2009年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月22日
發(fā)明者李志強(qiáng), 玲 辛, 鄭志榮 申請人:浙江東新密封有限公司