专利名称：一种碳化硅加碳复相陶瓷密封材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种碳化硅加碳(SiC/C)复相陶瓷密封材料及其制备方法。
背景技术：
为了满足机械密封的零泄漏、低磨损量、长寿命、转矩及追随性等特殊要求， 机械密封材料必须具有高强度、高弹性模量(刚度)、高硬度、优异的热学性能、 耐腐蚀性能及摩擦学性能等。碳化硅陶瓷是一种新型的、性能优越的机械密封材
料，其重量轻、比强度高、抗辐射能力强；具有一定的自润滑性、摩擦系数小； 硬度高、耐磨损、组对性能好；化学稳定性高、耐腐蚀；导热性能良好、耐热冲 击性能好。作为新一代机械密封材料，碳化硅陶瓷已被国际上确定为自金属、氧 化铝、硬质合金以来第四代基本密封材料。但碳化硅陶瓷作为机械密封材料在自 润滑性能不如石墨，导致其耐干摩擦性能较差，在一定程度上降低了其可靠性， 限制了其在特殊工况领域的应用。
虽然已有在碳化硅陶瓷中加入镍、钛或石墨等元素来提高碳化硅陶瓷的干摩 擦性能，但仍然存在以下问题
(1) 目前加入金属、石墨来提高碳化硅陶瓷的自润滑性，其基体多是反应烧 结碳化硅，由于反应烧结碳化硅存在游离硅、二氧化硅等缘故，陶瓷综合性能不 高，已逐步被无压烧结碳化硅所取代。
(2) 由于金属、石墨与碳化硅的比重差异较大，分散机制也不尽相同，采用 常规的机械球磨混合的方式很难获得成分均匀的复合粉体，导致陶瓷烧结不致密， 并影响最终的力学性能、摩擦性能和高磨损率。
(3) 石墨及金属元素相对于碳化硅来说是弱相后，含金属或石墨碳化硅陶瓷 的强度、断裂韧性都会有所降低。如何在确保碳化硅陶瓷获得良好干摩擦性能的 同时不降低其力学性能，这成为一个困扰干摩擦碳化硅密封材料制备的重要问题。
因此，有必要开发低摩擦系数和磨损率的碳化硅陶瓷密封材料，以提高碳化 硅机械密封材料的自润滑性能，同时确保碳化硅陶瓷的抗弯强度、断裂韧性不能 明显降低。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的之一是提供一种碳化硅加碳 (SiC/C)复相陶瓷密封材料，它配比合理，具有低摩擦系数、低磨损率、抗弯强
度大、断裂韧性优良等特性。本发明的目的之二是提供一种碳化硅加碳(SiC/C)复相陶瓷密封材料的制备 方法，由此方法所生产的碳化硅陶瓷具有低摩擦系数、低磨损率、抗弯强度大、 断裂韧性优良等特性。
为达到以上目的之一，本发明是通过这样的技术方案来实现的 一种碳化硅 加碳复相陶瓷密封材料，碳化硅为基体，碳化硅、碳化硼和碳粉为主原料，各组 分重量配比为碳化硅粉体100份，碳化硼0.1份 1份，碳粉5份 30份，粘 结剂PVA0.5份~3份，分散剂0.5份~1.5份。所述的碳粉为石墨粉，所述的粘结 剂PVA为聚乙烯醇，所述的分散剂为四甲基氢氧化胺。
为达到以上目的之二，本发明是通过这样的技术方案来实现的 一种碳化硅 加碳复相陶瓷密封材料的制备方法，依次包括以下步骤
(1) 将碳化硅粉体、碳化硼、碳粉、粘结剂、分散剂按一定比例配比后加入 到去离子水中，球磨混合12小时 24小时后，配制成固相重量含量为40% 60 %水基碳化硅复合料浆；
(2) 采用喷雾造粒工艺对上述水基碳化硅复合料浆进行喷雾干燥，得到碳化 硅造粒粉；热风进口温度为20(TC 25(TC;
(3) 对上述碳化硅造粒粉采用140MPa干压预压和200MPa冷等静压终压的 两歩方式成型，获得高密度的密封材料坯体；
(4) 将上述高密度的密封材料坯体放在真空无压烧结炉中，升温至2000°C 2100°C，保温1小时 1.5小时，烧结结束后得到碳化硅加碳复相陶瓷密封材料。
需要说明的是，步骤(2)中所述的固相重量含量为40% 60%的水基碳化硅 料浆，其固相重量含量是指(主原料)+ (主原料+粘结剂+分散剂+去离子 水)=40% 60%，上述百分比为重量百分比。
本发明碳化硅加碳(SiC/C)复相陶瓷密封材料及其制备方法，具有以下优点-
(1) 碳化硅加碳(SiC/C)复相陶瓷密封材料，配比合理，能使其具有低摩 擦系数、低磨损率、抗弯强度大、断裂韧性优良等特性，体积密度为2.87 g/cm3 2.92g/cm3，硬度HRA为88 91，抗弯强度为210 MPa 280MPa，弹性模量为 230GPa 270GPa。
(2) 弓l入了自润滑性能优越的碳粉(石墨)后，碳化硅加碳复相陶瓷密封材 料的干摩檫性能明显得到改善，其摩擦系数仅为0.01 0.02。
(3) 制备方法采用水基碳化硅料浆和喷雾造粒技术，使碳粉(石墨)在碳化 硅基体中均匀分布，有助于提高碳化硅的自润滑性。
(4) 采用碳化硼作为烧结助剂，不但降低了密封材料的烧结温度，而且还克 服了碳粉(石墨)带来碳化硅陶瓷烧结变差的问题。
具体实施方式
实施例1:一种碳化硅加碳复相陶瓷密封材料，碳化硅粉体为基体，碳化硅粉体、碳化 硼和碳粉为主原料，各组分重量配比为碳化硅粉体100Kg，碳化硼lKg，碳粉
30Kg，粘结剂PVA3Kg，分散剂1.5Kg。 实施例2:
一种碳化硅加碳复相陶瓷密封材料，碳化硅粉体为基体，碳化硅粉体、碳化
硼和碳粉为主原料，各组分重量含量为碳化硅粉体100Kg ，碳化硼0.1Kg，碳 粉5Kg ，粘结剂PVA0.5Kg ，分散剂0.5Kg 。 实施例3:
一种碳化硅加碳复相陶瓷密封材料，碳化硅粉体为基体，碳化硅粉体、碳化 硼和碳粉为主原料，各组分重量含量为碳化硅粉体100Kg ，碳化硼0.55Kg， 碳粉17.5Kg，粘结剂PVA1.75Kg，分散剂1Kg 。 实施例4:
一种碳化硅加碳复相陶瓷密封材料，碳化硅粉体为基体，碳化硅粉体、碳化 硼和碳粉为主原料，各组分重量配比为碳化硅粉体100Kg，碳化硼0.5Kg，碳 粉20Kg，粘结剂PVAlKg ，分散剂1.2Kg。 实施例5:
一种碳化硅加碳复相陶瓷密封材料，碳化硅粉体为基体，碳化硅粉体、碳化 硼和碳粉为主原料，各组分重量配比为碳化硅粉体100Kg，碳化硼0.8Kg，碳 粉10Kg ，粘结剂PVA0.8Kg，分散剂0.9Kg。 实施例6:
一种碳化硅加碳复相陶瓷密封材料，碳化硅粉体为基体，碳化硅粉体、碳化 硼和碳粉为主原料，各组分重量配比为碳化硅粉体100Kg，碳化硼0.2Kg，碳 粉6Kg，粘结剂PVA0.6Kg，分散剂0.6Kg 。 实施例7:
一种碳化硅加碳复相陶瓷密封材料，碳化硅粉体为基体，碳化硅粉体、碳化 硼和碳粉为主原料，各组分重量配比为碳化硅粉体100Kg，碳化硼0.9Kg，碳 粉29Kg，粘结剂PVA2.9Kg，分散剂1.4Kg。
实施例8:
--种碳化硅加碳复相陶瓷密封材料的制备方法，依次包括以下步骤
(1) 将碳化硅粉体、碳化硼、碳粉、粘结剂、分散剂按一定比例配比后加入 到去离子水中，球磨混合12小时后，配制成固相重量含量为40%水基碳化硅复 合料浆；
(2) 采用喷雾造粒工艺对上述水基碳化硅复合料浆进行喷雾干燥，得到碳化 硅造粒粉；热风进口温度为20(TC;(3) 对上述碳化硅造粒粉采用140MPa干压预压和200MPa冷等静压终压的 两步方式成型，获得高密度的密封材料坯体；
(4) 将上述高密度的密封材料坯体放在真空无压烧结炉中，升温至200(TC， 保温1小时，烧结结束后得到碳化硅加碳复相陶瓷密封材料。
实施例9:
一种碳化硅加碳复相陶瓷密封材料的制备方法，依次包括以下步骤
(1) 将碳化硅粉体、碳化硼、碳粉、粘结剂、分散剂按一定比例配比后加入
到去离子水中，球磨混合24小时后，配制成固相重量含量为60%水基碳化硅复 合料浆；
(2) 采用喷雾造粒工艺对上述水基碳化硅复合料浆进行喷雾干燥，得到碳化 硅造粒粉；热风进口温度为250。C;
(3) 对上述碳化硅造粒粉釆用140MPa干压预压和200MPa冷等静压终压的 两步方式成型，获得高密度的密封材料坯体；
(4) 将上述高密度的密封材料坯体放在真空无压烧结炉中，升温至210(TC， 保温1.5小时，烧结结束后得到碳化硅加碳复相陶瓷密封材料。
实施例10:
--种碳化硅加碳复相陶瓷密封材料的制备方法，依次包括以下步骤
(1) 将碳化硅粉体、碳化硼、碳粉、粘结剂、分散剂按一定比例配比后加入
到去离子水中，球磨混合18小时后，配制成固相重量含量为50%水基碳化硅复 合料浆；
(2) 采用喷雾造粒工艺对上述水基碳化硅复合料浆进行喷雾干燥，得到碳化 硅造粒粉；热风进口温度为225 °C;
(3) 对上述碳化硅造粒粉采用140MPa干压预压和200MPa冷等静压终压的 两步方式成型，获得高密度的密封材料坯体；
(4) 将上述高密度的密封材料坯体放在真空无压烧结炉中，升温至205(TC， 保温1.25小时，烧结结束后得到碳化硅加碳复相陶瓷密封材料。
实施例11:
一种碳化硅加碳复相陶瓷密封材料的制备方法，依次包括以下步骤 依次进行以下步骤-
(1) 将碳化硅粉体100Kg，碳化硼lKg，石墨粉30Kg，聚乙烯醇3Kg，四 甲基氢氧化胺1.5Kg，加入到去离子水中，球磨混合24小时，配制成固相重量含 量为40%的水基碳化硅料浆；
(2) 采用喷雾造粒工艺对上述水基碳化硅复合料浆进行喷雾干燥，得到碳化 硅造粒粉.，热风进口温度为22(TC;(3) 对上述碳化硅造粒粉采用140MPa干压预压和200MPa冷等静压终压的 两步方式成型，获得高密度的密封材料坯体；
(4) 将上述高密度的密封材料坯体放在真空无压烧结炉中，升温至2000。C， 保温1小时，烧结结束后得到碳化硅加碳复相陶瓷密封材料。
碳化硅加碳复相陶瓷密封材料摩擦系数为O.Ol，体积密度为2.87g/cm3，硬度 为89HRA，抗弯强度为220MPa，弹性模量为240GPa。
实施例12:
一种碳化硅加碳复相陶瓷密封材料的制备方法，依次包括以下步骤 依次进行以下步骤
(1) 将碳化硅粉体100Kg、碳化硼0.1Kg、石墨粉5Kg、聚乙烯醇0.5Kg、 四甲基氢氧化胺0.5Kg，加入到去离子水中，球磨混合12小时，配制成固相重量 含量为60%的水基碳化硅料浆；
(2) 采用喷雾造粒工艺对上述水基碳化硅复合料浆进行喷雾干燥，得到碳化
硅造粒粉；热风进口温度为22(TC;
(3) 对上述碳化硅造粒粉采用140MPa干压预压和200MPa冷等静压终压的 两步方式成型，获得高密度的密封材料坯体；
(4) 将上述高密度的密封材料坯体放在真空无压烧结炉中，升温至200(TC， 保温1.5小时，烧结结束后得到碳化硅加碳复相陶瓷密封材料。
碳化硅加碳复相陶瓷密封材料摩擦系数为0.02，体积密度为2.91g/cm3，硬度 为91HRA，抗弯强度为255MPa，弹性模量为270GPa。 实施例13:
一种碳化硅加碳复相陶瓷密封材料的制备方法，依次包括以下步骤
依次进行以下步骤
(1) 将碳化硅粉体100Kg、碳化硼0.15Kg、石墨粉15Kg、聚乙烯醇1.2Kg、 四甲基氢氧化胺1.2Kg，加入到去离子水中，球磨混合16小时，配制成固相重量 含量为50%的水基碳化硅料浆；
(2) 采用喷雾造粒工艺对上述水基碳化硅复合料浆进行喷雾干燥，得到碳化 硅造粒粉；热风进口温度为22(TC;
(3) 对上述碳化硅造粒粉采用140MPa干压预压和200MPa冷等静压终压的 两步方式成型，获得高密度的密封材料坯体；
(4) 将上述高密度的密封材料坯体放在真空无压烧结炉中，升温至205(TC， 保温1小时，烧结结束后得到碳化硅加碳复相陶瓷密封材料。
碳化硅加碳复相陶瓷密封材料摩擦系数为0.015，体积密度为2.90g/cm3，硬 度为91HRA，抗弯强度为240MPa，弹性模量为250GPa。
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、一种碳化硅加碳复相陶瓷密封材料，碳化硅为基体，碳化硅、碳化硼和碳粉为主原料，其特征在于各组分重量配比为碳化硅粉体100份，碳化硼0.1份～1份，碳粉5份～30份，粘结剂PVA0.5份～3份，分散剂0.5份～1.5份。
2、 根据权利要求1所述的一种碳化硅加碳复相陶瓷密封材料，其特征在于 所述的碳粉为石墨粉。
3、 根据权利要求1所述的-一种碳化硅加碳复相陶瓷密封材料，其特征在于 所述的粘结剂PVA为聚乙烯醇。
4、 根据权利要求1所述的一种碳化硅加碳复相陶瓷密封材料，其特征在于所述的分散剂为四甲基氢氧化胺。
5、 一种碳化硅加碳复相陶瓷密封材料的制备方法，其特征在于依次包括以 下步骤(1) 将碳化硅粉体、碳化硼、碳粉、粘结剂、分散剂按一定比例配比后加入到去离子水中，球磨混合12小时 24小时后，配制成固相重量含量为40% 60%水基碳化硅复合料浆；(2) 采用喷雾造粒工艺对上述水基碳化硅复合料浆进行喷雾干燥，得到碳化 硅造粒粉；热风进口温度为20(TC 25(TC;(3) 对上述碳化硅造粒粉采用140MPa千压预压和200MPa冷等静压终压的 两步方式成型，获得高密度的密封材料坯体；(4) 将上述高密度的密封材料坯体放在真空无压烧结炉中，升温至200(TC 210(TC，保温1小时 1.5小时，烧结结束后得到碳化硅加碳复相陶瓷密封材料。
全文摘要
一种碳化硅加碳复相陶瓷密封材料，各组分重量配比为碳化硅粉体100份，碳化硼0.1份～1份，碳粉5份～30份，粘结剂PVA0.5份～3份，分散剂0.5份～1.5份。制备方法依次包括以下步骤(1)将原料按一定比例配比后加入到去离子水中，经球磨混合，配制成固相重量含量为40％～60％水基碳化硅复合料浆；(2)采用喷雾造粒工艺对料浆进行喷雾干燥，得到碳化硅造粒粉；(3)对粒粉采用140MPa干压预压和200MPa冷等静压终压的两步方式成型，获得高密度的密封材料坯体；(4)将坯体放在真空无压烧结炉中，升温至2000℃～2100℃，保温1小时～1.5小时，烧结得到碳化硅加碳复相陶瓷密封材料。
文档编号C04B35/622GK101591169SQ200910098949
公开日2009年12月2日 申请日期2009年5月22日 优先权日2009年5月22日
发明者李志强, 玲 辛, 郑志荣 申请人:浙江东新密封有限公司