一種SiC陶瓷的低溫常壓液相燒結(jié)制備方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種SiC陶瓷的低溫常壓液相燒結(jié)制備方法。1）在1450-1650℃溫度下，加入Al2O3-Y2O3-CaO體系的氧化物燒結(jié)助劑與SiC粉體表面的SiO2氧化層反應(yīng)形成一定粘度的液相，促進(jìn)SiC陶瓷的燒結(jié)致密化，從而獲得高強(qiáng)度的SiC陶瓷；2）SiC粉體的氧化無(wú)須采用預(yù)氧化工藝，直接在SiC陶瓷燒結(jié)過(guò)程中形成，SiC的氧化程度通過(guò)預(yù)埋粉及燒結(jié)溫度控制來(lái)加以控制；3）SiC陶瓷的燒結(jié)在空氣中進(jìn)行，相對(duì)于保護(hù)氣氛燒結(jié)爐而言，普通箱式燒結(jié)爐的設(shè)備投入大大降低，且因無(wú)須保護(hù)氣氛，SiC陶瓷的燒結(jié)溫度較低，因而提高了燒結(jié)效率，SiC陶瓷制備成本也有所降低。SiC陶瓷的低溫常壓液相燒結(jié)制備的步驟：配料→混料→成型→排膠→埋粉燒成。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種SiC陶瓷的低溫常壓液相燒結(jié)制備方法
[0001]【技術(shù)領(lǐng)域】:
本發(fā)明技術(shù)涉及陶瓷生產(chǎn)技術(shù)，特別是一種SiC陶瓷的低溫常壓燒結(jié)技術(shù)。本發(fā)明提供一種新的技術(shù)方案，該方案有助于降低對(duì)SiC陶瓷制備時(shí)的燒結(jié)設(shè)備的要求，SiC原料粉無(wú)須預(yù)氧化，并在較低溫度下獲得高性能的SiC陶瓷制品，減少SiC陶瓷生產(chǎn)過(guò)程中的能耗及生產(chǎn)成本。
[0002]【背景技術(shù)】:
SiC陶瓷材料具有高溫強(qiáng)度大、高溫抗氧化性強(qiáng)、耐磨損性能好、熱導(dǎo)率大、耐化學(xué)腐蝕的優(yōu)良性能，已日益廣泛地應(yīng)用在汽車(chē)、化工、機(jī)械密封、航天航空等領(lǐng)域，如發(fā)動(dòng)機(jī)零部件、機(jī)械密封件及耐腐蝕件等等。此外，SiC陶瓷材料在電力電子、通訊等領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用也已經(jīng)嶄露頭角，市場(chǎng)逐步拓展。
[0003]SiC陶瓷材料不同領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用對(duì)其性能有不同的要求，制備方法因而也有所不同。SiC陶瓷的制備工藝可分為反應(yīng)燒結(jié)、常壓燒結(jié)和熱壓燒結(jié)等幾類(lèi)。根據(jù)燒結(jié)助劑在燒結(jié)過(guò)程中的狀態(tài)，常壓燒結(jié)又可以分為固相燒結(jié)和液相燒結(jié)。從對(duì)設(shè)備的要求以及生產(chǎn)成本綜合考慮，常壓液相燒結(jié)法是通過(guò)燒結(jié)助劑在燒結(jié)過(guò)程中形成低共熔液相，加速傳質(zhì)過(guò)程，促進(jìn)燒結(jié)致密化，從而在較大幅度地降低燒結(jié)溫度的同時(shí)，保持了較高的力學(xué)性能。常壓液相燒結(jié)SiC陶瓷材料的室溫力學(xué)性能一般都明顯高于在更高溫度下采用常壓固相燒結(jié)工藝制備的SiC陶瓷材料，因此常壓液相燒結(jié)法在SiC陶瓷材料制備方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。
[0004]根據(jù)已發(fā)表的文獻(xiàn)，常壓液相燒結(jié)SiC陶瓷是的燒結(jié)溫度在1750-1900°c，雖較常壓固相燒結(jié)的2000°C以上的燒結(jié)溫度低，但也還是很高的，對(duì)設(shè)備的要求高。并且，常壓液相燒結(jié)SiC陶瓷一般還需要通氮?dú)饣驓鍤獾缺Ｗo(hù)氣氛，以阻止SiC粉體與燒結(jié)助劑在高溫時(shí)劇烈反應(yīng)，增加了燒結(jié)工藝的復(fù)雜性，也增加了制造成本。因此，選擇較低的燒結(jié)溫度，實(shí)現(xiàn)SiC陶瓷在無(wú)氣氛保護(hù)下的燒結(jié)，以盡量降低生產(chǎn)成本，一直是SiC陶瓷制備行業(yè)追求的目標(biāo)。朱玉梅等[朱玉梅，李志宏.陶瓷學(xué)報(bào)，1999，20 (2):99-103]提出SiC表面預(yù)氧化形成S12氧化層，然后再在氮?dú)鈿夥罩?580°C燒結(jié)制備SiC陶瓷。采用該方法制備的SiC陶瓷材料致密度低，三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度僅有120 MPa。龍知洲等[龍知洲，韓敏芳.材料工程，2008，6:48-52]嘗試在空氣中燒結(jié)SiC復(fù)相陶瓷，但其中的SiC含量最多只有30_50wt%，且致密度差，性能也較低，沒(méi)有達(dá)到工業(yè)化應(yīng)用的要求。金志浩等[王倩，金志浩.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，36 (9) =971-974]提出采用Si02、A1203、MgO、CaO等氧化物添加劑在空氣氣氛下1530-1600°C燒結(jié)制備SiC陶瓷材料，但該材料的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度，僅有42 MPa。通過(guò)已發(fā)表的論文及已公開(kāi)的專(zhuān)利檢索，在空氣氣氛下低溫?zé)Y(jié)SiC陶瓷材料致密性較低，抗彎強(qiáng)度也不高，無(wú)法滿(mǎn)足SiC作為結(jié)構(gòu)件使用的要求，大都用作耐火(磨)材料。到目前，尚未見(jiàn)在空氣氣氛中低溫?zé)Y(jié)SiC陶瓷機(jī)械密封件等結(jié)構(gòu)件的文獻(xiàn)報(bào)道。此外,在空氣中燒結(jié)SiC陶瓷，難免會(huì)出現(xiàn)SiC的氧化，并且隨著溫度的升高，氧化程度亦會(huì)加劇。過(guò)量的氧化，降低了 SiC陶瓷中主晶相的量，加劇了 SiC與燒結(jié)助劑的反應(yīng)，SiC陶瓷的結(jié)構(gòu)及性能也會(huì)受到較大不利影響。因此，SiC氧化的控制是關(guān)鍵，采用合適的粉末埋燒工藝，可以緩解SiC氧化，但是行之有效的SiC陶瓷埋粉燒結(jié)工藝也鮮有報(bào)道。
[0005]針對(duì)上述現(xiàn)有的常壓燒結(jié)SiC陶瓷制備技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一個(gè)新的高強(qiáng)度SiC陶瓷的低溫常壓液相燒結(jié)制備方法，能實(shí)現(xiàn)在空氣中、低燒結(jié)溫度下制備出作為結(jié)構(gòu)件使用的SiC陶瓷材料。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種生產(chǎn)工序簡(jiǎn)單、生產(chǎn)裝備簡(jiǎn)易、生產(chǎn)效率高、低成本的氧化物結(jié)合SiC陶瓷及制品的制備方法。本發(fā)明采用Al2O3-Y2O3-CaO氧化物燒結(jié)助劑，并且置于空氣中燒結(jié)，燒結(jié)助劑與SiC表面形成的S12氧化層反應(yīng)形成多元燒結(jié)助劑體系，降低其液相形成溫度，在較低溫度下促進(jìn)SiC陶瓷的致密化，制備性能優(yōu)良的SiC陶瓷材料。
[0007]本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題所采用的方案是:
本發(fā)明涉及一種SiC陶瓷的低溫常壓液相燒結(jié)制備方法，其特征在于:該方法將SiC原料粉體與氧化物燒結(jié)助劑粉體經(jīng)濕混后制成漿料；漿料在100-120 °C干燥3-4 h，粉碎后過(guò)80-100目篩，加入成形劑后，在90-100 °C水浴鍋內(nèi)均勻加熱，每2-3 min攪拌一次，共水浴攪拌30-60 min ;待冷卻到室溫后再過(guò)80-100目篩，混合粉采用單向壓制方式成形；在580-600 °C保溫20-30 min排膠；最后埋粉燒結(jié)，隨爐冷卻得到高強(qiáng)度SiC陶瓷樣品。
[0008]所述的一種SiC陶瓷的低溫常壓液相燒結(jié)制備方法，其特征在于，所述的SiC原料粉體為平均粒徑為3.5-7 μ m和0.5 μ m的兩種SiC粉體混合而得，兩種粉體的質(zhì)量比為1-4:1。
[0009]所述的一種SiC陶瓷的低溫常壓液相燒結(jié)制備方法，其特征在于，所述的氧化物燒結(jié)助劑為Al2O3-Y2O3-CaO體系。
[0010]所述的一種SiC陶瓷的低溫常壓液相燒結(jié)制備方法，其特征在于，所述的SiC原料粉體與氧化物燒結(jié)助劑粉體中兩者的重量百分比分別為60-90被％和40-10 wt%o
[0011 ] 所述的一種SiC陶瓷的低溫常壓液相燒結(jié)制備方法，其特征在于，所述的將SiC原料粉體與氧化物燒結(jié)助劑粉體混合方法是制成水基漿狀混合物，采用球磨混合方式，球磨介質(zhì)為高純瑪瑙球，球磨罐材質(zhì)為Al2O3陶瓷料:球:水三者重量比例為1:2-3:0.35混合而得，球磨參數(shù)為轉(zhuǎn)速300-360 r/min，球磨時(shí)間6-12 h。
[0012]所述的一種SiC陶瓷的低溫常壓液相燒結(jié)制備方法，其特征在于，所述的成形劑為固體石蠟，其添加量為SiC與氧氧化物燒結(jié)助劑粉體總重量的3-8%。
[0013]所述的一種SiC陶瓷的低溫常壓液相燒結(jié)制備方法，其特征在于，所述的壓制成形壓力為270-400 MPa，保壓時(shí)間30-60 S。
[0014]所述的一種SiC陶瓷的低溫常壓液相燒結(jié)制備方法，其特征在于，所述的埋粉是在SiC素坯上覆蓋由SiC粉、石墨粉及氧化物粉的混合粉。
[0015]所述的一種SiC陶瓷的低溫常壓液相燒結(jié)制備方法，其特征在于，所述的燒結(jié)是在空氣中燒結(jié)，燒結(jié)工藝為:1000 °C以下，升溫速率:4-6 °C/min，在1000 °C以上升溫速率:2-3 °C/min，燒結(jié)溫度1450-1650 °C，保溫時(shí)間為30-90 min，燒結(jié)后，試樣隨爐冷卻。
[0016]與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在:
本發(fā)明無(wú)須采用SiC表面預(yù)氧化工藝，也無(wú)須在氣氛保護(hù)下燒結(jié)，SiC表面氧化層在SiC陶瓷無(wú)保護(hù)氣氛燒結(jié)過(guò)程中形成，并與添加的氧化物助燒劑反應(yīng)形成低熔點(diǎn)液相，促進(jìn)SiC陶瓷燒結(jié)，減少工序，降低制造成本。
【專(zhuān)利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1燒結(jié)后的顯微形貌照片。
[0018]圖2為本發(fā)明實(shí)施例2燒結(jié)后的顯微形貌照片。
【具體實(shí)施方式】
[0019]實(shí)施例1
取平均粒徑為3.5μπι的SiC粉體15.75g、平均粒徑為0.5 μ m的SiC粉體5.25g、CaO粉體3.33g、Al2O3粉體3.96g、Y2O3粉體1.71g、高純瑪瑙球球75g、蒸餾水10.5g，置于Al2O3陶瓷材質(zhì)的球磨罐中，在行星球磨機(jī)上以360r/min的速度球磨10h，制成漿料。將漿料在100°C恒溫干燥箱內(nèi)干燥4h，研磨破碎后過(guò)80目篩，往過(guò)篩后的粉料中添加1.5g固體石蠟，在100°C水浴鍋內(nèi)均勻加熱，每隔3min攪拌一次，共水浴攪拌40min ;待冷卻到室溫后再過(guò)80目篩，混合粉采用單向壓制方式，成形壓力為400MPa、保壓60s，壓制成40mmX 4.5mmX 3.5mm長(zhǎng)條形試樣；將該試樣在排膠爐中580°C保溫30 min排膠,將排膠后的試樣用石墨與Y2O3(15wt%)+Al2O3 (25wt%)+ SiC(60wt%)的混合粉掩蓋埋粉后置于箱式燒結(jié)爐中燒結(jié)，1000°C以下升溫速率5°C /min，1000°C以上升溫速率2.5°C /min，達(dá)到燒結(jié)溫度1600°C后，保溫60min，然后隨爐冷卻。對(duì)試樣表面進(jìn)行打磨，測(cè)試其氣孔率及三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度。
[0020]制備的SiC陶瓷的性能:顯氣孔率為0.18%，三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度360MPa。
[0021]實(shí)施例2
本實(shí)施例的制備方法同實(shí)施例1，不同的氧化物燒結(jié)助劑總含量為20 wt%，燒結(jié)溫度為1575 O。
[0022]制備的SiC陶瓷的性能:顯氣孔率為0.21%，三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度330 MPa。
【權(quán)利要求】
1.本發(fā)明涉及一種SiC陶瓷的低溫常壓液相燒結(jié)制備方法，其特征在于:該方法將SiC原料粉體與氧化物燒結(jié)助劑粉體經(jīng)濕混后制成漿料；漿料在100-120 °C干燥3-4 h，粉碎后過(guò)80-100目篩，加入成形劑后，在90-100 °C水浴鍋內(nèi)均勻加熱，每2-3 min攪拌一次，共水浴攪拌30-60 min ;待冷卻到室溫后再過(guò)80-100目篩，混合粉采用單向壓制方式成形；在580-600 °C保溫20-30 min排膠；最后埋粉燒結(jié)，隨爐冷卻得到高強(qiáng)度SiC陶瓷樣品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種SiC陶瓷的低溫常壓液相燒結(jié)制備方法，其特征在于，所述的SiC原料粉體為平均粒徑為3.5-7 μ m和0.5 μ m的兩種SiC粉體混合而得，兩種粉體的質(zhì)量比為1-4:1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種SiC陶瓷的低溫常壓液相燒結(jié)制備方法，其特征在于，所述的氧化物燒結(jié)助劑為Al2O3-Y2O3-CaO體系。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種SiC陶瓷的低溫常壓液相燒結(jié)制備方法，其特征在于，所述的SiC原料粉體與氧化物燒結(jié)助劑粉體中兩者的重量百分比分別為60-90 wt%和40-10Wt%o
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種SiC陶瓷的低溫常壓液相燒結(jié)制備方法，其特征在于，所述的將SiC原料粉體與氧化物燒結(jié)助劑粉體混合方法是制成水基漿狀混合物，采用球磨混合方式，球磨介質(zhì)為高純瑪瑙球，球磨罐材質(zhì)為Al2O3陶瓷料:球:水三者重量比例為1:2-3:0.35混合而得，球磨參數(shù)為轉(zhuǎn)速300-360 r/min，球磨時(shí)間6-12 h。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種SiC陶瓷的低溫常壓液相燒結(jié)制備方法，其特征在于，所述的成形劑為固體石蠟，其添加量為SiC與氧氧化物燒結(jié)助劑粉體總重量的3-8%。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種SiC陶瓷的低溫常壓液相燒結(jié)制備方法，其特征在于，所述的壓制成形壓力為270-400 MPa，保壓時(shí)間30-60 S。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種SiC陶瓷的低溫常壓液相燒結(jié)制備方法，其特征在于，所述的埋粉是在SiC素還上覆蓋由SiC粉、石墨粉及氧化物粉的混合粉。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種SiC陶瓷的低溫常壓液相燒結(jié)制備方法，其特征在于，所述的燒結(jié)是在空氣中燒結(jié)，燒結(jié)工藝為:1000 °C以下，升溫速率:4-6 °C/min，在1000 °C以上升溫速率:2-3 °C/min，燒結(jié)溫度1450-1650 °C，保溫時(shí)間為30-90 min，燒結(jié)后，試樣隨爐冷卻。
【文檔編號(hào)】C04B35/64GK104326752SQ201410508580
【公開(kāi)日】2015年2月4日 申請(qǐng)日期:2014年9月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月28日
【發(fā)明者】施春陽(yáng) 申請(qǐng)人:安徽德潤(rùn)工業(yè)設(shè)備有限公司