本發(fā)明涉及陶瓷材料領域，具體而言，涉及一種陶瓷復合材料及其燒制方法和應用
背景技術：
隨著科學技術的發(fā)展，綠色環(huán)保型的產品越來越受到各行業(yè)的關注。目前國內外高端磁力泵、屏蔽泵、齒輪泵、凸輪轉子泵、計量泵等化工泵大量采用無壓燒結碳化硅制造陶瓷滑動軸承組件和泵軸等部件，泵的其它部件還是采用不銹鋼，哈錫合金、鈦合金，碳鋼、鑄鐵等材料制造。面對衛(wèi)生、食品、醫(yī)藥和精細化工的行業(yè)提出的耐磨損、耐腐蝕、耐高溫等對環(huán)境要求苛刻的條件下使用的泵，金屬材料無法滿足其要求。而目前國內外大量采用的無壓燒結碳化硅雖然耐磨損、耐腐蝕、性能優(yōu)良，價格較低，但是由于碳化硅的強度較低，其容易出現(xiàn)突然斷裂，造成整體設備損壞。目前只局限在各種泵用的滑動軸承和泵軸上采用無壓燒結碳化硅，而且大尺寸的結構件燒結困難。
本發(fā)明為滿足各種泵體、葉輪、凸輪轉子、齒輪、羅桿、柱塞等泵的部件的需要，提高泵的部件的強度、硬度、改善韌性、提高泵零部件的耐磨性及使用壽命等問題。提供一種用來制造各種泵用零部件的陶瓷復合材料。
有鑒于此，特提出本發(fā)明。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的第一目的在于提供一種陶瓷復合材料，陶瓷復合材料抗彎強度高、斷裂韌性好、顯微硬度高、耐腐蝕性好，其可以用于腐蝕性強或者高溫的環(huán)境下，滿足各種泵體、葉輪、凸輪轉子、齒輪、羅桿、柱塞等泵的部件的需要。
本發(fā)明的第二目的在于提供所述陶瓷復合材料的燒制方法，該方法選用高壓燒結，能夠提高燒制品的成品的密度，工藝中所選擇的參數(shù)特別適于制備本發(fā)明提供的陶瓷復合材料的燒制。
本發(fā)明的第三目的在于提供所述陶瓷復合材料在制備泵中的應用，本發(fā)明的材料由于其多種性能良好，適宜于制備各種泵。
為了實現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，特采用以下技術方案：
本發(fā)明的一個方面涉及一種陶瓷復合材料，所述陶瓷復合材料主要由以下原料制成：
氮化硅5-30份，
碳化硅70-95份，
Al2O3 0.5-10份，
Y2O3 0.5-10份，以及
Er2O3和/或Yb2O3 0.5-8份。
本發(fā)明的陶瓷復合材料，以碳化硅為主要基材，碳化硅基陶瓷具有耐腐蝕、耐高溫、抗熱震、耐磨損、熱傳導性良好以及質量輕等特點，同時添加少量的氮化硅，能夠賦予陶瓷材料良好的力學性能、熱學性能以及化學穩(wěn)定性。碳化硅-氮化硅復合陶瓷材料為高溫結構陶瓷，通常較難實現(xiàn)燒結致密化，本發(fā)明針對碳化硅-氮化硅基材的特點，添加Al2O3和Y2O3燒結助劑，在燒結的過程中形成釔鋁石榴石，滲透到周圍的基體中，能夠在較低溫度下實現(xiàn)致密化燒結，改善陶瓷的微觀組織結構，賦予陶瓷更好的力學性能，并且不會影響陶瓷的其它方面的性能特別是耐腐蝕性和力學性能，另外，本發(fā)明進一步通過添加Er2O3或者Yb2O3，或者這二者的混合物，能夠進一步提高陶瓷材料的力學性能，特別是抗彎強度和斷裂韌性。
優(yōu)選地，所述陶瓷復合材料包括按重量份計的以下組分：
氮化硅15-25份；
碳化硅75-85份；
Al2O3 5-10份，
Y2O3 5-10份，以及
Er2O3和/或Yb2O3 4-6份。
優(yōu)選地，Al2O3和Y2O3的重量比為1:1。
優(yōu)選地，所述氮化硅為α-Si3N4和/或β-Si3N4，優(yōu)選地，所述氮化硅的純度大于98％，原始粒度小于3微米。
優(yōu)選地，所述碳化硅為α-SiC,純度大于98％、粒度為0.5-1.5微米。
優(yōu)選地，所述Er2O3、Yb2O3、Al2O3和Y2O3的純度分別大于99.99％、粒度分別為0.5-1.5微米。
本發(fā)明選定特定純度和粒徑范圍的碳化硅、氮化硅、Er2O3、Yb2O3、Al2O3和Y2O3，這些原料在混合均勻后，其不同粒徑的顆粒能夠實現(xiàn)較好較致密地堆積，進而在成型以后，能夠提高素坯的成型率，并形成較高密度的素坯，最終提高陶瓷材料的密度。
本發(fā)明的另一方面設計所述的陶瓷復合材料的燒制方法，所述方法包括以下步驟：
1)將制備陶瓷復合材料的原料混合，加入無水乙醇進行研磨；
2)向研磨后的混合物內添加粘結劑和分散劑，混合均勻并進行噴霧干燥，造粒；
3)將造粒后得到的粉料壓制成型，制成素坯；
4)在高純惰性氣體環(huán)境下高壓燒結所述素坯。
本發(fā)明采用的燒制方法，加入的無水乙醇一般為工業(yè)級的99.99％的無水乙醇，加入適量進行研磨，其用量為本領域的常規(guī)用量，本領域技術人員可根據(jù)需要進行添加，之后進行攪拌研磨，再泵入噴霧造粒塔中進行噴霧干燥，造粒，再經過振動過80--120目過篩。在造粒之后進行成型，造粒后的顆粒流動性好，大小較為均一，容易填充均勻。這種方法首先易于在成型過程中降低孔隙率，提高素坯的密度，并使素坯具有一定的強度，其次是易于使坯體密度均勻，提高成型率，再次是有利于提高成品在各方面的理化性能。產品成型可以根據(jù)所制備的產品的結構和尺寸大小，選擇模壓成型或冷等靜壓成型，或其它的成型方式。成型后的素坯可以根據(jù)尺寸形狀大小進行車加工或預加工。尺寸較大的產品還需進行預燒結脫粘，所述預燒結為本領域常規(guī)的預燒結，預燒結的條件本領域技術人員可根據(jù)需要進行選擇，然后將預燒結的素坯放入氣壓燒結爐中，在高純度惰性氣體環(huán)境下進行燒結。
優(yōu)選地，所述步驟1)中，所述研磨的時間為10-20h。
優(yōu)選地，所述步驟4)中所述燒結過程為，以10-20℃/min的速度升溫至1000C-1200℃后向燒結爐內充入高純惰性氣體，保溫，再以10-25℃/min的速度升溫到1800-2000℃，保溫。
本發(fā)明采用的燒結過程為兩次升溫過程，一是有利于提高成品率，二是能夠提高最終燒制的產品的理化性能，特別是抗彎強度和斷裂韌性，兩次保溫時間均可以根據(jù)工件的大小和尺寸來決定。燒結過程中的保溫時間可以根據(jù)工件的大小而決定，通常情況下，首次保溫的時間為60-120min，升溫后的保溫時間為400-600min。
優(yōu)選地，充入高純氬氣后，燒結爐內的氣壓為7.5-9Mpa。
充入純度的惰性氣體有助于燒制成品陶瓷具有更高的密度，應用性更好。
本發(fā)明的另一方面涉及所述陶瓷復合材料在耐腐蝕或耐高溫的設備或零部件方面的應用；優(yōu)選地，所述陶瓷復合材料用于制成泵體、泵用零部件、隔離罩、以及磁力驅動器；更優(yōu)選的，所述泵包括全陶瓷屏蔽泵、磁力泵、葉片泵、齒輪泵、凸輪轉子泵、螺桿泵和鋁液輸送泵。
本發(fā)明所述的陶瓷復合材料具有非常優(yōu)異的耐化學藥品的腐蝕性、耐高溫、耐磨損及優(yōu)秀的力學性能，可以用于具有腐蝕性的環(huán)境中或者高溫的環(huán)境中，主要針對某些特種行業(yè)，采用不銹鋼和鈦合金等特殊材料無法滿足的環(huán)境下的設備或零部件，特別適合于化工領域和制藥、食品、精細化工等行業(yè)的一些設備或零部件，例如可以用來制造各種泵的泵體及泵用各種零部件，如葉輪、泵軸、凸輪轉子泵、齒輪和齒輪軸、螺桿等，還可以制成陶瓷復合材料的隔離罩、陶瓷復合材料磁力驅動器等多種部件。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果為：
1.本發(fā)明的陶瓷復合材料中，在碳化硅材料中加入了氮化硅組分和Al2O3-Y2O3-Er2O3-Yb2O3多元燒結助劑，使得陶瓷材料在具有一般碳化硅陶瓷材料的抗腐蝕性、耐高溫、耐磨損性的同時，具有良好的力學性能；
2.本發(fā)明的陶瓷復合材料，可以在較低的溫度下實現(xiàn)致密性燒結；
3.本發(fā)明的工藝采用二次燒結的方式，通過特定的升溫曲線使得陶瓷材料組分能夠充分燒結，并且通過氣相高壓燒結的方式，使得制成的陶瓷制品具有更高的燒結密度；
4.本發(fā)明的陶瓷因具有良好的抗腐蝕性、耐高溫、耐磨損性、強度、韌性和密度，因而具有寬廣的應用范圍，特別適宜于制備應用于各種特種條件下的泵類。
具體實施方式
下面將結合實施例對本發(fā)明的實施方案進行詳細描述，但是本領域技術人員將會理解，下列實施例僅用于說明本發(fā)明，而不應視為限制本發(fā)明的范圍。實施例中未注明具體條件者，按照常規(guī)條件或制造商建議的條件進行。所用試劑或儀器未注明生產廠商者，均為可以通過市售購買獲得的常規(guī)產品。
實施例1
本實施例所用氮化硅和碳化硅的成分比列為：稱取Si3N4粉料為重量10％、碳化硅SiC粉料為重量90％。添加劑Al2O3和Y2O3的添加量均為碳化硅和氮化硅總重的0.5％，改性劑Yb2O3的添加量為碳化硅和氮化硅總重的0.5％，純度99.99％。
其中，所述氮化硅為α-Si3N4，所述氮化硅的純度大于98％、原始粒度小于3微米。
所述碳化硅為α-SiC,純度大于98％、粒度為0.5-1.5微米。
其制作工藝如下：
1、首先將上述粉料和添加劑及增韌劑分別按成分比例稱重加入到氮化硅的攪拌磨中，加入適量的氮化硅球。加入工業(yè)級99.99％的無水乙醇適量，進行攪拌研磨10小時，直接通過隔膜泵送入到噴霧造粒塔中進行噴霧干燥造粒，在經過振動篩過80---120目篩備用。
2、產品成型可以根據(jù)泵的結構和尺寸大小，選擇模壓成型和冷等靜壓成型，壓力可以控制在180-250MPa。成型后的素坯可以根據(jù)尺寸形狀大小進行車加工或預加工。尺寸較大的產品還需進行預燒結脫粘，然后將預燒結的素坯放入氣壓燒結爐中進行氣壓燒結，升溫速度為10℃/min、升溫到1000℃,充入高純氬氣或高純氮氣，使爐內壓力達到7.5MPa保溫60分鐘，然后再以10℃/min的速度升溫到1800℃，并保持爐內壓力7.5MPa，保溫400分鐘。
得到復合陶瓷制品的主要性能指標，抗彎強度740MPa、斷裂韌性7.5MPa顯微硬度HV2750。密度3.25g/cm3。
實施例2
本實驗所用氮化硅和碳化硅的成分比列為：稱取Si3N4粉料為重量25％、碳化硅SiC粉料為重量75％。添加劑Al2O3和Y2O3的添加量為碳化硅和氮化硅總重的2.5％，改性劑氧化鉺Er2O3的添加量為碳化硅和氮化硅總重的1.5％，純度99.99％。
其中，所述氮化硅為α-Si3N4，所述氮化硅的純度大于98％、原始粒度小于3微米。
所述碳化硅為α-SiC,純度大于98％、粒度為0.5-1微米。
其制作工藝如下：
1、首先將上述粉料和添加劑及增韌劑分別按成分比例稱重加入到氮化硅的攪拌磨中，加入適量的氮化硅球。再加入工業(yè)級99.99％的無水乙醇適量，進行攪拌研磨15-20小時。直接通過隔膜泵送入到噴霧造粒塔中進行噴霧干燥造粒，在經過振動篩過80--120目篩備用。
2、產品成型可以根據(jù)泵的結構和尺寸大小，選擇模壓成型和冷等靜壓成型，壓力可以控制在180-250MPa。成型后的素坯可以根據(jù)尺寸形狀大小進行車加工或預加工。尺寸較大的產品還需進行預燒結脫粘，然后將預燒結的素坯放入氣壓燒結爐中進行氣壓燒結，升溫速度為20℃/min、升溫到1200℃,充入高純氬氣或高純氮氣，使爐內壓力達到8MPa保溫120分鐘，然后再以25℃/min，的速度升溫到2000℃，并保持爐內壓力8MPa，保溫600分鐘。
得到復合陶瓷制品的主要性能指標，抗彎強度780MPa、斷裂韌性7.9MPa顯微硬度HV2430。密度3.41g/cm3。
實施例3
本實驗所用氮化硅和碳化硅的成分比列為：稱取Si3N4粉料為重量5％、碳化硅SiC粉料為重量95％。添加劑Al2O3和Y2O3的添加量為碳化硅和氮化硅總重的10％，改性劑Er2O3和Yb2O3的添加量均為碳化硅和氮化硅總重的4％，純度99.99％。
其中，所述為碳化硅α-SiC，所述氮化硅的純度大于98％、原始粒度小于3微米。
所述氮化硅為α-Si3N4和β-Si3N4的混合物，純度大于98％、粒度為0.5-1微米。
其制作工藝如下：
1、首先將上述粉料和添加劑及增韌劑分別按成分比例稱重加入到氮化硅的攪拌磨中，加入適量的氮化硅球。再加入工業(yè)級99.99％的無水乙醇適量，進行攪拌研磨15-20小時。直接通過隔膜泵送入到噴霧造粒塔中進行噴霧干燥造粒，在經過振動篩過80目篩備用。
2、產品成型可以根據(jù)泵的結構和尺寸大小，選擇模壓成型和冷等靜壓成型，壓力可以控制在180-250MPa。成型后的素坯可以根據(jù)尺寸形狀大小進行車加工或預加工。尺寸較大的產品還需進行預燒結脫粘，然后將預燒結的素坯放入氣壓燒結爐中進行氣壓燒結，升溫速度為15℃/min、升溫到1200℃,充入高純氬氣或高純氮氣，使爐內壓力達到8.5MPa保溫100分鐘，然后再以15℃/min，的速度升溫到2000℃，并保持爐內壓力8.5MPa，保溫600分鐘。
得到復合陶瓷制品的主要性能指標，抗彎強度841MPa、斷裂韌性8.3MPa顯微硬度HV2857。密度3.58g/cm3。
實施例4
本實驗所用氮化硅和碳化硅的成分比列為：稱取Si3N4粉料為重量30％、碳化硅SiC粉料為重量70％。添加劑Al2O3和Y2O3的添加量為碳化硅和氮化硅總重的5％，改性劑Er2O3和Yb2O3的添加量均為碳化硅和氮化硅總重的3％，純度99.99％。
其中，所述氮化硅為α-Si3N4，所述氮化硅的純度大于98％、原始粒度小于3微米。
所述碳化硅為α-SiC,純度大于98％、粒度為1-1.5微米。
其制作工藝如下：
1、首先將上述粉料和添加劑及增韌劑分別按成分比例稱重加入到氮化硅的攪拌磨中，加入適量的氮化硅球。再加入工業(yè)級99.99％的無水乙醇適量，進行攪拌研磨15-20小時。直接通過隔膜泵送入到噴霧造粒塔中進行噴霧干燥造粒，在經過振動篩過80目篩備用。
2、產品成型可以根據(jù)泵的結構和尺寸大小，選擇模壓成型和冷等靜壓成型，壓力可以控制在180-250MPa。成型后的素坯可以根據(jù)尺寸形狀大小進行車加工或預加工。尺寸較大的產品還需進行預燒結脫粘，然后將預燒結的素坯放入氣壓燒結爐中進行氣壓燒結，升溫速度為10℃/min、升溫到1100℃,充入高純氬氣或高純氮氣，使爐內壓力達到7.5MPa保溫110分鐘，然后再以25℃/min，的速度升溫到1800℃，并保持爐內壓力7.5MPa，保溫500分鐘。
得到復合陶瓷制品的主要性能指標，抗彎強度827MPa、斷裂韌性8.3MPa顯微硬度HV2695。密度3.29g/cm3。
實施例5
本實驗所用氮化硅和碳化硅的成分比列為：稱取Si3N4粉料為重量15％、碳化硅SiC粉料為重量85％。添加劑Al2O3和Y2O3的添加量為碳化硅和氮化硅總重的5％，改性劑Er2O3和Yb2O3的添加量均為碳化硅和氮化硅總重的2％，純度99.99％。
其中，所述氮化硅為α-Si3N4，所述氮化硅的純度大于98％、原始粒度小于3微米。
所述碳化硅為α-SiC,純度大于98％、粒度為1-1.5微米。
其制作工藝如下：
1、首先將上述粉料和添加劑及增韌劑分別按成分比例稱重加入到氮化硅的攪拌磨中，加入適量的氮化硅球。再加入工業(yè)級99.99％的無水乙醇適量，進行攪拌研磨15-20小時。直接通過隔膜泵送入到噴霧造粒塔中進行噴霧干燥造粒，在經過振動篩過80目篩備用。
2、產品成型可以根據(jù)泵的結構和尺寸大小，選擇模壓成型和冷等靜壓成型，壓力可以控制在180-250MPa。成型后的素坯可以根據(jù)尺寸形狀大小進行車加工或預加工。尺寸較大的產品還需進行預燒結脫粘，然后將預燒結的素坯放入氣壓燒結爐中進行氣壓燒結，升溫速度為15℃/min、升溫到1100℃,充入高純氬氣或高純氮氣，使爐內壓力達到8MPa保溫100分鐘，然后再以20℃/min，的速度升溫到1900℃，并保持爐內壓力8MPa，保溫500分鐘。
得到復合陶瓷制品的主要性能指標，抗彎強度793MPa、斷裂韌性8.2MPa顯微硬度HV2516。密度3.29g/cm3。
盡管已用具體實施例來說明和描述了本發(fā)明，然而應意識到，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以作出許多其它的更改和修改。因此，這意味著在所附權利要求中包括屬于本發(fā)明范圍內的所有這些變化和修改。