专利名称：低摩擦系数的碳化硅陶瓷密封件及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种碳化硅陶瓷密封件及其制备方法。
背景技术：
碳化硅(SiC)陶瓷是一种典型的共价键结合的陶瓷材料，SiC晶体结构中C和Si 键长，共价性强，晶格缺陷小，这种共价键合特征使碳化硅陶瓷具有高温强度大、高温蠕变 小、硬度高、耐磨、耐腐蚀、抗氧化、高热导率和高电导率以及热稳定性好等特点；在机械、化 工、能源、军工等高技术领域得到了大量的应用。例如，用作高温、耐磨、耐腐蚀机械密封部 件，各种砂轮和模具。
目前碳化硅陶瓷作为新一代密封材料已经得到了广泛的应用，但是碳化硅陶瓷不 具有自动润滑的功能，因此，当碳化硅陶瓷密封件和另一个硬而非自润滑材料相接触产生 相对运动时，如果没有润滑液，会由于摩擦系数很大而容易失效，导致事故的发生。在公开 号为CN101255330A的专利中，以90 96%的碳化硅粉、2 8%的石墨粉和2 5%的聚 乙烯醇组成原料，即，通过加C、造孔在一定程度上降低了干摩擦系数，但却牺牲了其力学 性能，且随着C含量的增加，微孔的形成材料的力学性能明显下降。因此，需要寻找合理的 配方与烧结制度来制得兼有优良润滑性能与力学性能的碳化硅陶瓷密封件。在公开号为 CN101551012A的专利中，告知以82 90%的碳化硅粉、2 8%的碳粉和8 10%的钇铝 石榴石组成原料；但是其也同样存在着润滑性能与力学性能有待提高的缺陷。发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种低摩擦系数的碳化硅陶瓷密封件及其制备 方法，该密封件不仅具有较低的摩擦系数而且还具有良好的热学性能和力学性能，从而保 证其作为密封材料的安全可靠性。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种低摩擦系数的碳化硅陶瓷密封件，该密 封件由主原料、作为粘结剂的聚乙烯醇和作为分散剂的四甲基氢氧化铵组成，主原料由以 下重量含量的成分组成65% 75%的碳化硅(SiC)、5% 10%的氮化硼(BN)、5% 10%的氟化石墨、5 10%的二硫化钼(MoS2)和10%的钇铝石榴石；聚乙烯醇占主原料总 重的2. 5 3. 5%，四甲基氢氧化铵占主原料总重的1. 5 2. 5%。
本发明还同时提供了上述低摩擦系数的碳化硅陶瓷密封件的制备方法，依次包括 以下步骤
1)、以重量百分含量为65% 75%的碳化硅(SiC)、5 % 10 %的氮化硼(BN)、 5% 10%的氟化石墨、5 10%的二硫化钼(MoS2)和10%的钇铝石榴石组成主原料；将 主原料、聚乙烯醇、四甲基氢氧化铵和去离子水进行球磨混合，配制成固相含量为40% 60 %的浆料；S卩，(主原料+聚乙烯醇+四甲基氢氧化铵)/ (主原料+聚乙烯醇+四甲基氢 氧化铵+去离子水)=40% 60%的重量比；
聚乙烯醇占主原料总重的2. 5 3. 5%，四甲基氢氧化铵占主原料总重的1. 5 2. 5%。
2)、对浆料进行喷雾造粒，得到造粉粒；
3)、将造粉粒置于模具中进行干压一次成型，成型压力为100 150MPa，得到坯 体；
4)、将上述坯体进行无压液相烧结，温度为1750°C 2000°C，保温2 3小时；得 到低摩擦系数的碳化硅陶瓷密封件。
作为本发明的低摩擦系数的碳化硅陶瓷密封件的制备方法的改进步骤1)中球 磨混合的时间为2 4小时；步骤2)的喷雾造粒中所述料浆的流量为2 3kg/h，热风进 口温度为200 250°C。
本发明的低摩擦系数的碳化硅陶瓷密封件属于一种无压液相烧结碳化硅陶瓷自 润滑材料。
本发明的低摩擦系数的碳化硅陶瓷密封件的效果在于
1)、氮化硼(BN)具有良好的热稳定性能和较低的热膨胀、较高的导热系数。六方 氮化硼和石墨的晶体结构比较相近，为类似石墨的层状结构，不过它在高温下没有象石墨 那样的负载软化现象，它可以像石墨一样容易地干法车、铣、刨、钴、切、磨，并且由于BN比 石墨更加致密，故加工精度更高，可以达到0.01毫米。由于这一可加工特性，可以用来制作 复杂形状的零部件。
2)、氟化石墨中氟碳键结合能较强，层与层之间的距离比石墨大得多，因此很容易 在层间发生剪切，在高温高压和没有水气条件下的润滑性能优良。将氮化硼和氟化石墨、 MoS2混合作用，从而构成高温润滑剂。由于氮化硼、氟化石墨的力学性能都明显优于石墨， 所以由此制造的碳化硅密封件不仅力学性能明显提高，而且润滑性能优异。
本发明的低摩擦系数的碳化硅陶瓷密封件的主要性能指数如下
体积密度2. 5-3. Og/cm3，气孔率2% -10%，抗压强度大于1500MPa，抗折强度大于 300MPa，摩擦系数小于0. 15。
综上所述，本发明的低摩擦系数的碳化硅陶瓷密封件，即能保证力学性能又具有 低的摩擦系数。
具体实施方式
以下结合具体的实施例对本发明做进一步的说明，所有实施例中的份均代表重量 份。
碳化硅选用碳化硅粉末(纯度> 98%，平均粒径为0. 76 μ m)，氮化硼选用六方氮 化硼颗粒(HBN，平均粒径小于5μπι，纯度为> 97% )，氟化石墨的氟碳比0. 7-1. 14,MoS2的 纯度为98. 5%0
实施例1、一种低摩擦系数的碳化硅陶瓷密封件的制备方法，依次进行以下步骤
1)、将65份碳化硅、5份氮化硼、10份氟化石墨、10份Mc^2和10份钇铝石榴石混 合，形成主原料；然后加入3份聚乙烯醇、2份四甲基氢氧化铵和105份去离子水，机械球磨 3小时；配制成固相含量为50%的浆料；
2)、对浆料进行喷雾造粒，工艺条件如下料浆的流量为2. 5kg/h,热风进口温度 为2200C ；得到造粉粒；
3)、将造粉粒置于模具中进行干压一次成型，成型压力为150MPa，得到坯体；
4)、将上述坯体进行无压液相烧结，温度为2000°C，保温2小时；得到低摩擦系数 的碳化硅陶瓷密封件。
该低摩擦系数碳化硅陶瓷密封件的体积密度2. 5g/cm3，气孔率10%，抗压强度为 1700MPa，抗折强度为310MPa，摩擦系数为0. 1。
实施例2、一种低摩擦系数的碳化硅陶瓷密封件的制备方法，依次进行以下步骤
1)、将75份碳化硅、5份氮化硼、5份氟化石墨、5份Mc^2和10份钇铝石榴石混合， 形成主原料；然后加入3份聚乙烯醇、2份四甲基氢氧化铵和155份去离子水，机械球磨4小 时；配制成固相含量为40%的浆料；
2)、对浆料进行喷雾造粒，工艺条件如下料浆的流量为3kg/h，热风进口温度为 2500C ；得到造粉粒；
3)、将造粉粒置于模具中进行干压一次成型，成型压力为120MPa，得到坯体；
4)、将上述坯体进行无压液相烧结，温度为1750°C，保温3小时；得到低摩擦系数 的碳化硅陶瓷密封件。
该低摩擦系数碳化硅陶瓷密封件的体积密度3. Og/cm3，气孔率2. O%，抗压强度为 1800MPa，抗折强度为360MPa，摩擦系数为0. 15。
实施例3、一种低摩擦系数的碳化硅陶瓷密封件的制备方法，依次进行以下步骤
1)、将70份碳化硅、10份氮化硼、5份氟化石墨、5份MO&和10份钇铝石榴石混合， 形成主原料；然后加入3份聚乙烯醇、2份四甲基氢氧化铵和70份去离子水，机械球磨3小 时；配制成固相含量为60%的浆料；
2)、对浆料进行喷雾造粒，工艺条件如下料浆的流量为2. 5kg/h,热风进口温度 为200°C ；得到造粉粒；
3)、将造粉粒置于模具中进行干压一次成型，成型压力为130MPa，得到坯体；
4)、将上述坯体进行无压液相烧结，温度为1800°C，保温2. 5小时；得到低摩擦系 数的碳化硅陶瓷密封件。
该低摩擦系数碳化硅陶瓷密封件的体积密度2. 7g/cm3,气孔率6. O %，抗压强度为 1750MPa，抗折强度为于340MPa，摩擦系数为0. 14。
实施例4、一种低摩擦系数的碳化硅陶瓷密封件的制备方法，依次进行以下步骤
1)、将68份碳化硅、7份氮化硼、7份氟化石墨、8份Mc^2和10份钇铝石榴石混合， 形成主原料；然后加入3份聚乙烯醇、2份四甲基氢氧化铵和105份去离子水，机械球磨3小 时；配制成固相含量为50%的浆料；
2)、对浆料进行喷雾造粒，工艺条件如下料浆的流量为2. 5kg/h,热风进口温度 为2200C ；得到造粉粒；
3)、将造粉粒置于模具中进行干压一次成型，成型压力为lOOMPa，得到坯体；
4)、将上述坯体进行无压液相烧结，温度为1750°C，保温3小时；得到低摩擦系数 的碳化硅陶瓷密封件。
该低摩擦系数碳化硅陶瓷密封件的体积密度2. 6g/cm3，气孔率7. 0%，抗压强度为 1700MPa，抗折强度为380MPa，摩擦系数为0. 13。
为了证明本发明的性能优越性所在，发明人还进行了如下对比实验
对比例1、按照公开号为CN101255330A的专利制备自润滑密封环，体积密度2. 6 2.9g/cm3，努氏硬度洸00 ^00Kg/mm2，抗弯强度> 140MPa，抗压强度> 1700MPa.气孔率 4 7%。其摩擦系数约为0.27。
对比例2、按照公开号为CN101551012A的专利制备碳化硅密封环，其体密为3.15 3. 20g/cm3,硬度为90 91HRA，抗弯强度为400 450MPa，断裂韧性为3. 5 4.OMPa · m1/20其摩擦系数比对比例1还要大很多，即，自润滑性较差。
对比例3、将实施例1中的主原料改成由65份碳化硅、25份氟化石墨和10份钇铝 石榴石混合，其余同实施例1。
该碳化硅陶瓷密封件的体积密度2. 5g/cm3，气孔率8. 9%，抗压强度为1200MPa，抗 折强度为210MPa，摩擦系数为0. 19。
对比例4、将实施例1中的主原料改成由65份碳化硅、25份氮化硼和10份钇铝石 榴石混合，其余同实施例1。
该碳化硅陶瓷密封件的体积密度2. 61g/cm3,气孔率8. 5%，抗压强度为1500MPa， 抗折强度为^OMPa，摩擦系数为0. 17。
对比例5、将实施例1中的主原料改成由65份碳化硅、25份二硫化钼和10份钇铝 石榴石混合，其余同实施例1。
该碳化硅陶瓷密封件的体积密度2. 71g/cm3,气孔率8. 3%， 抗压强度为1400MPa， 抗折强度为270MPa，摩擦系数为0. 16。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发 明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容 直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
权利要求
1.低摩擦系数的碳化硅陶瓷密封件，其特征是所述密封件由主原料、作为粘结剂的 聚乙烯醇和作为分散剂的四甲基氢氧化铵组成，所述主原料由以下重量含量的成分组成 65 % 75 %的碳化硅、5 % 10 %的氮化硼、5 % 10 %的氟化石墨、5 10 %的二硫化钼和 10%的钇铝石榴石；所述聚乙烯醇占主原料总重的2. 5 3. 5%，四甲基氢氧化铵占主原料 总重的1. 5 2. 5%。
2.如权利要求1所述的低摩擦系数的碳化硅陶瓷密封件的制备方法，其特征是依次包 括以下步骤1)、以重量百分含量为65% 75%的碳化硅、5% 10%的氮化硼、5% 10%的氟化 石墨、5 10%的二硫化钼和10%的钇铝石榴石组成主原料；将主原料、聚乙烯醇、四甲基 氢氧化铵和去离子水进行球磨混合，配制成固相含量为40% 60%的浆料；所述聚乙烯醇占主原料总重的2. 5 3. 5%，四甲基氢氧化铵占主原料总重的1. 5 2. 5%。2)、对所述浆料进行喷雾造粒，得到造粉粒；3)、将造粉粒置于模具中进行干压一次成型，成型压力为100 150MPa，得到坯体；4)、将上述坯体进行无压液相烧结，温度为1750°C 2000°C，保温2 3小时；得到低 摩擦系数的碳化硅陶瓷密封件。
3.根据权利要求2所述的低摩擦系数的碳化硅陶瓷密封件的制备方法，其特征是所 述步骤1)中球磨混合的时间为2 4小时；步骤2)的喷雾造粒中所述料浆的流量为2 3kg/h，热风进口温度为200 250°C。
全文摘要
本发明公开了一种低摩擦系数的碳化硅陶瓷密封件，其由主原料、聚乙烯醇和四甲基氢氧化铵组成，主原料的组成为65％～75％的碳化硅、5％～10％的氮化硼、5％～10％的氟化石墨、5～10％的二硫化钼和10％的钇铝石榴石；聚乙烯醇占主原料总重的2.5～3.5％，四甲基氢氧化铵占主原料总重的1.5～2.5％。其制备方法包括以下步骤1)将主原料、聚乙烯醇、四甲基氢氧化铵和去离子水进行球磨混合；2)对所得的浆料进行喷雾造粒；3)将所得的造粉粒置于模具中进行干压一次成型；4)将所得的坯体进行无压液相烧结，得到低摩擦系数的碳化硅陶瓷密封件。该密封件具有较低的摩擦系数、良好的热学性能和力学性能。
文档编号C04B35/622GK102030533SQ20101053804
公开日2011年4月27日 申请日期2010年11月9日 优先权日2010年11月9日
发明者张冬梅, 杨辉, 郑志荣, 郭兴忠, 高黎华 申请人:浙江大学