一种反应烧结碳化硅陶瓷及其生产方法

摘要

一种反应烧结碳化硅陶瓷，其特征在于：其重量百分比组分为：碳化硅80％～95％，碳粉5％～20％，烧结助剂1％～2％。其生产方法是：将上述原料放入去离子水中，再添加粘结剂、水溶性高分子混合物溶胶和分散剂，球磨混合5～20小时形成水基碳化硅浆料，采用喷雾造粒工艺对浆料进行喷雾干噪，制得碳化硅复合粉体造粉粒，对粉粒采用干压成型，获得碳化硅陶瓷素坯，将素坯放入真空反应烧结炉中渗硅烧结，在1500～1800℃温度下，保温1～5小时后，制备成反应烧结碳化硅陶瓷。本发明采用的原料及配比科学合理，生产方法安全、成本低，所制成的碳化硅陶瓷能满足特殊工况的机械密封要求。

权利要求

1.一种反应烧结碳化硅陶瓷的生产方法，其特征在于：该生产方法包括以下步骤：(1)取碳化硅80～95重量份、碳粉5～20重量份、烧结助剂1～2重量份作为原料放入去离子水中，去离子水作为溶剂，碳化硅小球作为研磨介质，再添加粘结剂、水溶性高分子混合物溶胶和分散剂球磨混合，球磨混合5～20小时形成水基碳化硅浆料，所形成的水基碳化硅浆料中固相含量为30％～60％；所述粘结剂的重量是原料总重的0.5％～3％，水溶性高分子混合物溶胶的重量是原料总重的0.5％～2％，分散剂的重量是原料总量的

0.5％～1.5％，所述原料与去离子水的重量比为3∶7～3∶2；

(2)采用离心造粒干燥机喷雾造粒工艺对上述水基碳化硅浆料进行喷雾干燥，水基碳化硅浆料直接喷雾到离心造粒干燥机热空气中，通过调节热风进口温度和浆料流量、雾化器转速，控制含水率，热风进口温度300～400℃，出口温度80～120℃，浆料流量100～

200Kg/h，雾化器转速8000～12000r/min，喷雾干燥制备得到的碳化硅复合粉体造粉粒为球形颗粒、粒度为80～400目、含水重量百分比0.5％～1.5％；

(3)将上述碳化硅复合粉体造粉粒在80～200MPa下干压成型，获得碳化硅陶瓷素坯；

(4)将上述碳化硅陶瓷素坯放入反应烧结炉中渗硅烧结，升温速度5～20℃/min，在

1500～1800℃温度下保温1～5h后，制得反应烧结碳化硅陶瓷；

所述的水溶性高分子混合物溶胶为聚丙烯酰胺或聚乙二醇。

2.根据权利要求1所述的一种反应烧结碳化硅陶瓷的生产方法，其特征在于：所述的烧结助剂为硼、碳化硼或硼与碳化硼混合物。

3.根据权利要求1所述的一种反应烧结碳化硅陶瓷的生产方法，其特征在于：所述的粘结剂为聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛或甲基纤维素。

4.根据权利要求1所述的一种反应烧结碳化硅陶瓷的生产方法，其特征在于：所述的分散剂为聚丙烯酸或磷酸铝。

说明书

一种反应烧结碳化硅陶瓷及其生产方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种反应烧结碳化硅陶瓷及其生产方法。

[0002] 技术背景

[0003] 机械密封行业所需的陶瓷密封材料，要求材料具有高强度、高韧性、低蠕变性、耐磨擦磨损、耐腐蚀性以及良好的抗氧化性。碳化硅陶瓷具有优异的机械性能，较低的热膨胀系数和高的热传导系数，使得碳化硅陶瓷呈现出优异的抗热震性能，而且还具有高热稳定性、良好的耐腐蚀、耐磨擦性能。因此，在机械、化工、能源、军工等高技术领域作为机械密封材料得以广泛应用。

[0004] 反应烧结碳化硅(代号RBSiC)是应用熔融硅浸渗含碳碳化硅陶瓷素坯制得的致密陶瓷烧结体。该方法具有烧结温度低、烧结时间短、坯体收缩率小(＜3％)，易于制备大尺寸复杂形状构件等特点，最适合工业化生产。

[0005] 碳化硅密封环属高新技术无机非金属材料领域产品(结构工程陶瓷)，国外称这类材料为先进陶瓷(Advanced)、技术陶瓷(Technical ceramics)、高技术陶瓷(Hightechnolgy ceramics)、特种陶瓷(special ceramics)、精细陶瓷(Fineceramics)，其制造工艺包括sic粉体制备、粉体成型(素坯)、坯体烧结和机械精加工。目前，sic粉体制备工艺大都采用乙醇为溶剂进行球磨混料，但是这种工艺生产出的陶瓷成本较高，喷雾造粒时容易发生爆炸。

[0006] 中国专利曾公开了一种“反应烧结碳化的生产方法”(CN101081740A，公开日2007年12月5日)，其主要特征是取重量份数的碳化硅微粉5-8份、碳黑0.5-1.5份、石墨1-1.5份、0.1-0.5份粘结剂；其中碳化硅粒度级配为：sic(90-30μm)3-5份、sic(30-0.8μm)2-3份；羚甲基纤维素和聚乙烯醇粉末分别为0.1-0.5份；真空烧结过程分为低温0-700℃，保持3-5小时；中温700-1400℃，保持4-6小时；高温1400-2200℃，保持5-7小时，加入重量份数为1-3份的金属硅。其碳化硅微粉含量只有5-8份。

[0007] 中国专利曾公开了“一种碳纤维增强反应烧结碳化硅陶瓷及其制备方法”，采用凝胶注模成型工艺制备复合材料坯体，配料组分为碳化硅100重量份，炭黑7～18重量份，碳纤维2～8体积份。制备方法是将配料碳化硅和炭黑的复合粉体及碳纤维分散于有机单体和交联剂的溶液中，将固化后的成型坯体在60～80℃下充分干燥得坯体，坯体在烧结炉内用硅粉掩埋在500～800℃排胶、保温，烧结温度为1500～1800℃。它用碳纤维作为增强剂。

发明内容

[0008] 本发明的目的在于提供一种反应烧结碳化硅陶瓷及其生产方法，它采用的原料及配比科学合理，生产方法安全、成本低，所制成的碳化硅陶瓷能满足特殊工况的机械密封要求。

[0009] 为达到上述目的，本发明采取的解决方案是：一种反应烧结碳化硅陶瓷，其重量百分比组分为：碳化硅80％～95％，碳粉5％～20％，烧结助剂1％～2％。

[0010] 同时为达到上述目的，本发明采取的解决方案是：一种反应烧结碳化硅陶瓷的生产方法，该生产方法包括以下步骤：

[0011] (1)取碳化硅80～95重量份、碳粉5～20重量份、烧结助剂1～2重量份作为原料放入去离子水中，去离子水作为溶剂，碳化硅小球作为研磨介质，再添加粘结剂、水溶性高分子混合物溶胶和分散剂球磨混合，球磨混合5～20小时形成水基碳化硅浆料，所形成的水基碳化硅浆料中固相含量为30％～60％；所述粘结剂的重量是原料总重的0.5％～3％，水溶性高分子混合物溶胶的重量是原料总重的0.5％～2％，分散剂的重量是原料总量的0.5％～1.5％，所述原料与去离子水的重量比为3∶7～3∶2；

[0012] (2)采用离心造粒干燥机喷雾造粒工艺对上述水基碳化硅浆料进行喷雾干燥，水基碳化硅浆料直接喷雾到离心造粒干燥机热空气中，通过调节热风进口温度和浆料流量、雾化器转速，控制含水率，热风进口温度300～400℃，出口温度80～120℃，浆料流量100～200Kg/h，雾化器转速8000～12000r/min，喷雾干燥制备得到的碳化硅复合粉体造粉粒为球形颗粒、粒度为80～400目、含水重量百分比0.5％～1.5％；

[0013] (3)将上述碳化硅复合粉体造粉粒在80～200MPa下干压成型，获得碳化硅陶瓷素坯；

[0014] (4)将上述碳化硅陶瓷素坯放入反应烧结炉中渗硅烧结，升温速度5～20℃/min，在1500～1800℃温度下保温1～5h后，制得反应烧结碳化硅陶瓷。

[0015] 所述的粘结剂为聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛或甲基纤维素，水溶性高分子混合物溶胶为聚丙烯酰胺或聚乙二醇，分散剂为聚丙烯酸或磷酸铝，烧结助剂为硼、碳化硼或硼与碳化硼混合物。

[0016] 本发明提供了一种新工艺，以去离子水为溶剂替代乙醇制备水基碳化硅浆料，同时，引入改性剂(粘结剂、水溶性高分子混合物溶胶和分散剂)能满足喷雾干燥的工艺技术要求，从而制备出高质量碳化硅复合粉体造粉粒和高性能碳化硅陶瓷，。高性能碳化硅陶瓷经清理、机械精加工、抛光处理，制得反应烧结碳化硅机械密封环。

[0017] 本发明采用的原料及配比科学合理，生产方法安全、成本低，所制成的碳化硅陶瓷能满足特殊工况的机械密封要求。本发明与现有技术相比有以下优点：(1)在该陶瓷的制备过程中，喷雾干燥造粒工艺是将混合好的水基碳化硅浆料直接喷雾到离心造粒干燥机热空气中，在非常短的时间内干燥，避免了各组份的再团聚和沉降分离，保持了浆料原有的均匀性；同时使浆料雾化均匀，得到的粒度分布均匀、流动性好的球形颗粒(即碳化硅复合粉体造粉粒，如图1所示)。经干压成型得到的陶瓷素坯(即碳化硅陶瓷素坯，如图2所示)断面均匀，造粒球均已破碎，在素坯里没有留下任何大的宏观缺陷。(2)碳化硅复合粉体造粒粉流动性能好，适用自动干压成型。这不仅提高碳化硅陶瓷素坯的均匀性、密度和烧结性能，而且还可以改善粉体成型车间的空气质量，保护工人身体健康，减轻工人劳动强度，提高生产质量和效率。喷雾造粒浆料中所添加的粘结剂、水溶性高分子混合物溶胶和分散剂，可以保证水基碳化硅浆料即使在固相含量较高的情况下，仍然保持较小的粘度、良好的流动性和稳定性能。(3)采用水基料碳化硅浆料喷雾造粒工艺处理的粉体与传统的乙醇为溶剂机械混合工艺处理的粉体相比，粉体的流动性能发生明显的改善，粉体休止角从3 3
42.5°减少到26.4°，而松装密度由0.52g/cm 增加到0.93g/cm。流动性能良好的碳化硅复合粉体造粉粒适用于自动干压成型，提高生产效率，提高陶瓷素坯均匀性和烧结性能及陶瓷制品力学性能。采用水基浆料喷雾造粒工艺与传统的乙醇为溶剂机械混合工艺比较，
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(sic+c)反应烧结碳化硅陶瓷体积密度3.10g/cm，游离硅含量8.22％，硬度(HRA)90，抗折强度434MPa，产品技术性能指标符合JB/T6374-2006机械行业标准要求，达到国外同类产
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品水平。而传统工艺反应烧结碳化硅陶瓷制品体积密度3.02g/cm，游离硅含量＞12％，硬度(HRA)88，抗折强度356MPa。(4)本发明采用去离子水作为溶剂进行球磨混料，不但能降低生产成本，还能保证生产过程的安全，适于批量生产。在喷雾造粒过程中，去离子水蒸发，并在随后的烧结过程中，粘结剂、水溶性高分子混合物溶胶和分散剂都被挥发，因此最终所得的(sic+c)反应烧结碳化硅陶瓷，是由碳化硅、碳粉、硼(或碳化硼)这三种成分或其固溶体组成。

附图说明

[0018] 图1是喷雾造粒工艺制得的碳化碳复合粉体造粉粒形貌示意图。

[0019] 图2是干压成型工艺所得的碳化硅陶瓷素坯断面形貌示意图。

[0020] 图3是最终所得的(sic+c)反应烧结碳化硅密封环。

具体实施方式

[0021] 以下的实施例中份均指重量份。

[0022] 实施例一：

[0023] 一种(sic+c)反应烧结碳化硅陶瓷的生产方法，选用94份碳化硅、5份c粉和硼与1份硼与碳化硼混合物作为原料，放入70份去离子水，碳化硅小球为研磨介质，添加0.5份聚乙烯醇、2份聚丙烯酰胺和1份聚丙烯酸，球磨混合10小时后配制成水基碳化硅浆料；采用喷雾造粒工艺对水基碳化硅浆料进行喷雾干燥，要求热风进口温度380℃，出口温度
110℃，浆料流量100公斤/小时，制备得到碳化硅复合粉体造粉粒；对碳化硅复合粉体造粉粒采用100MPa干压成型，获得碳化硅陶瓷素坯；将上述碳化硅陶瓷素坯放入真空反应烧结炉中渗硅烧结，在1700℃温度下保温2小时，制备成(sic+c)反应烧结碳化硅陶瓷。该陶瓷
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的体积密度为3.09g/cm，游离硅8.18％，抗折强度432Mpa，硬度(HRA)89。

[0024] 实施例二：

[0025] 一种(sic+c)反应烧结碳化硅陶瓷的生产方法，选用81份碳化硅、17份c粉和2份硼作为原料，原料放入230份去离子水中，碳化硅小球为研磨介质；再添加2份聚乙烯醇缩丁醛、0.5份聚乙二醇和1.5份磷酸铝，球磨混合20小时后配制成水基碳化硅浆料；采用喷雾造粒工艺对水基碳化硅浆料进行喷雾干燥，热风进口温度360℃，出口温度95℃，浆料流量200公斤/小时，制备得到碳化硅复合粉体造粉粒；对碳化硅复合粉体造粉粒采用150MPa干压成型，获得碳化硅陶瓷素坯；将碳化硅陶瓷素坯放入真空反应烧结炉中渗硅烧结，在1800℃温度下保温5小时，制备成(sic+c)反应烧结碳化硅陶瓷。该陶瓷的体积密度
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为3.10g/cm，游离硅8.22％，抗折强度436MPa，硬度(HRA)90。

[0026] 实施例三：

[0027] 一种(sic+c)反应烧结碳化硅陶瓷的生产方法，选用90份碳化硅、8.5份c粉和1.5份碳化硼作为原料，将述原料放入150份去离子水中，碳化硅小球为研磨介质；再添加
3份甲基纤维素、1份聚丙烯酰胺和0.5份聚丙烯酸，球磨混合5小时后配置成水基碳化硅浆料；采用喷雾造粒工艺对水基碳化硅浆料进行喷雾干燥，热风进口温度350℃，出口温度
100℃，浆料流量150公斤/小时；制备得到碳化硅复合粉体造粉粒；对碳化硅复合粉体造粉粒采用130MPa干压成型，获得碳化硅陶瓷素坯；将碳化硅陶瓷素坯放入真空反应烧结炉中渗硅烧结，在1750℃温度下保温4小时后，制备成(sic+c)反应烧结碳化硅陶瓷。该陶瓷
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的体积密度为3.10g/cm，游离硅8.20％，抗折强度434MPa，硬度(HRA)90。

[0028] 最后，还需要注意的是，以上列举的实施例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，均应认为是本发明专利的保护范围。