CN103819197A - 一种异形陶瓷的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种注射成型异形陶瓷的制备方法，该制备方法包括以下步骤：（1）将氮化硅或碳化硅、烧结助剂、表面活性剂，于有机溶剂中混合、干燥；（2）将步骤（1）得到的混合物加入有机粘结剂，混炼、造粒；（3）将步骤（2）得到的物料在70～110℃下，压力3～10Mpa，注射成型，得到坯体。该方法具有工艺操作简单、适合自动化、大批量生产氮化硅及碳化硅异形陶瓷产品，其产品合格率高；低温、中压注射技术避免了高温注射成型时有机物的挥发对环境的破坏，同时避免了高压注射时对模具的损伤。

Description

一种异形陶瓷的制备方法

技术领域

本发明属于工程陶瓷领域，涉及一种异形陶瓷的制备方法，具体涉及一种采用注射成型的异形陶瓷的制备方法。

背景技术

氮化硅、碳化硅陶瓷作为特种陶瓷材料，具有高硬度、高强度、良好的抗热震性、抗氧化性和耐高温性等优良性能，广泛应用于轴承材料、耐磨喷嘴、密封器件等。

作为脊性原料的Si₃N₄、SiC的粉体，以及超细Si₃N₄、SiC的粉体，其表面易水解，不适合于水溶剂中混料。因此，制备高致密氮化硅、碳化硅陶瓷的方法仅限于目前的干压、冷等静压成型方法，仅适合制备球形、方形、管状等简单形状。但是，随着高致密氮化硅陶瓷在工业、民用领域的推广，异形氮化硅、碳化硅陶瓷产品的需求不断增大，高致密氮化硅、碳化硅异形产品的成型技术成为目前国内外需要攻克的难点。

注射成型能够有效制备出尺寸精度高的异形特种陶瓷，目前陶瓷注射成型主要用于氧化锆、氧化铝陶瓷及硬质合金成型。国内氧化物注射成型技术主要有：

1、中国专利申请200710035085.7公开了一种氧化锆注塑成型方法和粉料有机载体，其采用高压注射成型方式，成型压力为20～100MPa；

2、中国专利申请03115163.9公开了一种注射成型氧化锆制品的制作方法，其采用中压注射成型方式，成型压力为3～20MPa；

3、中国专利申请200910090645.8公开了一种注射成型制造齿轮异形陶瓷部件的方法。

4、中国专利申请200810067548.2“一种氮化硅陶瓷的制备方法及由该方法制备的氮化硅陶瓷”公开了一种氮化硅陶瓷注射成型方法，其氮化硅陶瓷注射成型的温度为140℃之上。

众所周知，高压注射成型对模具和坯体损伤较大，注射温度高则将对环境污染，产生不良影响。目前，在所有文献报道中，采用的均为中、高压注射成型氧化物陶瓷或氮化硅陶瓷，其选用的有机粘结剂、表面活性剂的种类基本相同，造成混炼温度高，注射温度均在110℃之上。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用低温、中压注射成型的异形陶瓷的制备方法，该方法具有工艺操作简单、适合自动化、大批量生产氮化硅、碳化硅异形陶瓷产品，产品合格率高；低温、中压注射技术避免了高温注射成型时有机物挥发对环境的破坏。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种采用注射成型的异形陶瓷的制备方法，该制备方法包括如下步骤：

（1）将氮化硅粉或碳化硅粉、烧结助剂、表面活性剂于有机溶剂中混合、干燥；

（2）向步骤（1）得到的混合物加入有机粘结剂，混炼、造粒；

（3）将步骤（2）得到的物料在70～110℃、3～10Mpa下注射成型，得到坯体。

优选地，上述制备方法包括如下步骤：

（1）将氮化硅粉或碳化硅粉51～84重量份、烧结助剂4～15重量份、表面活性剂1～6重量份，于有机溶剂中混合、干燥，过50目筛；其中，氮化硅粉或碳化硅粉、烧结助剂及表面活性剂重量份数之和与有机溶剂的重量份数之比为1:1.2～1:1.9；

（2）向步骤（1）得到的混合物加入有机粘结剂11～25重量份，混炼，造粒；

（3）将步骤（2）得到的物料在70～110℃、3～10Mpa下注射成型，得到坯体；优选地，注射成型时间为2分钟。

优选地，在所述步骤（1）中，所述氮化硅粉的粒径为0.2～2μm，优选为0.5～1.5μm；所述碳化硅粉的粒径为0.3～5μm，优选为1～3μm。

优选地，在所述步骤（1）中，所述烧结助剂选自氧化铝、氧化镁、镁铝尖晶石、氧化铈、氧化钍、氧化镧、氧化钐、氧化铥、氧化锂或氧化钙中的一种或多种，优选为氧化镁、氧化铝、氧化镧、氧化铈、氧化钇、氧化钐。

优选地，在所述步骤（1）中，所述干燥温度为50～95℃，优选为70℃。

优选地，在所述步骤（1）中，所述表面活性剂选自油酸、反油酸、液体蜡、硬脂酸、硬脂酸盐或三聚甘油单硬脂酸酯中的一种或多种，优选为油酸、反油酸、硬脂酸镁、三聚甘油单硬脂酸酯或液体蜡；所述有机溶剂选自无水乙醇、异丙醇、丙酮或汽油中的一种或多种；所述有机粘结剂选自石蜡、白蜡、微晶石蜡、聚乙二醇、聚氧化乙烯、聚乙烯蜡或聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或多种。

优选地，所述步骤（2）包括以下步骤：

向步骤（1）得到的混合物加入作为第一有机粘结剂的聚甲基丙烯酸甲酯和/或聚乙烯蜡，混合，在100～110℃下混炼；

然后降温至70～80℃，加入作为第二有机粘结剂的聚乙二醇，混炼；

然后降温至55～70℃，加入作为第三有机粘结剂的石蜡、白蜡、蜂蜡、微晶石蜡、聚乙二醇或聚氧化乙烯中的一种或多种，优选为石蜡、聚氧化乙烯或白蜡，混炼，冷却，造粒。

更优选地，所述步骤（2）包括以下步骤：

向步骤（1）得到的混合物加入作为第一有机粘结剂的聚甲基丙烯酸甲酯和/或聚乙烯蜡，在100～110℃下混炼10～20分钟；

然后降温至70～80℃，加入作为第二有机粘结剂的聚乙二醇，混炼10～20分钟；优选地，所述聚乙二醇的分子量为10000～20000；

然后降温至55～70℃，加入作为第三有机粘结剂的石蜡、白蜡、蜂蜡、微晶石蜡、聚乙二醇或聚氧化乙烯中的一种或多种，优选为石蜡、聚氧化乙烯、白蜡，混炼5～20分钟，冷却，造粒，其粒度≤5mm；优选地，所述聚乙二醇或聚氧化乙烯的分子量为1500～8000，进一步优选为1500、2000、4000、6000或8000；

其中，第一有机粘结剂、第二有机粘结剂与第三有机粘结剂的重量份数之比为5～15%：15～45%：40～65%。

与现有技术相比，本发明具有至少以下有益效果：

（1）克服了高致密、结构均匀的氮化硅、碳化硅异形陶瓷产品的成型难、产品合格率低的缺陷；

（2）低温、中压注射技术避免了高温注射成型时有机物的挥发对环境的破坏，同时避免了高压注射时对模具的损伤；

（3）适合自动化、大批量生产氮化硅、碳化硅异形陶瓷产品，适于工业化，不仅仅限于实验室制备。

具体实施方式

以下参照具体的实施例来说明本发明。本领域技术人员能够理解，这些实施例仅用于说明本发明，其不以任何方式限制本发明的范围。

实施例1

本实施例中，氮化硅陶瓷粉的平均粒径为1.0μm，烧结助剂为氧化镁、氧化铝，表面活性剂选用油酸和硬脂酸镁，有机粘结剂选用聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯蜡、微晶石蜡、聚氧乙烯、分子量为20000的聚乙二醇。

将氮化硅陶瓷粉体和烧结助剂共计1520g、硬脂酸镁20g、油酸20g，在无水乙醇2888g中研磨混合后，70℃下鼓风干燥，过50目标准筛。将过筛后的物料混合均匀后，加入聚甲基丙烯酸甲酯33g、聚乙烯蜡33g，后置于对辊混炼机混炼20分钟，温度控制在100～110℃之间；将温度降低到80℃时，逐步加入分子量为20000的聚乙二醇198克，后置于对辊混炼机混炼10分钟，温度控制在70～80℃之间；继续将温度下降到55℃，加入石蜡88g，聚氧化乙烯44g，分子量为6000的聚乙二醇44g，后置于混炼机混炼15分钟。混炼结束后冷却，后置于对辊造粒机中造粒，混合料粒度≤5mm；

将混合料放置于中压注射机入料口，注射温度为100℃，注射压力为10MPa，注射后2分钟内脱模，可得到成型的异形陶瓷坯体。桥架形注塑坯体成型合格率达到95%，素坯的坯体强度达到8MPa以上，完全满足搬运的需要，烧结后氮化硅陶瓷的致密度达到99%以上。

实施例2

本实施例中，碳化硅陶瓷粉的平均粒径为3.0μm，烧结助剂为氧化镧、氧化钐，表面活性剂选用三聚甘油单硬脂酸酯和反油酸，有机粘结剂选用聚乙烯蜡、石蜡、分子量为10000的聚乙二醇。

将碳化硅陶瓷粉体和烧结助剂共计1760g、三聚甘油单硬脂酸酯10g，反油酸10g，在异丙醇2112g中研磨混合后，70℃下鼓风干燥，过50目标准筛。将过筛后的物料混合均匀后，加入聚乙烯蜡11g，后置于对辊混炼机混炼20分钟，温度控制在100℃；将温度降低到70℃时，逐步加入分子量为10000的聚乙二醇99克，后置于对辊混炼机混炼20分钟，温度控制在70℃；继续将温度下降到55℃，加入石蜡110，置于混炼机混炼10分钟。混炼结束后冷却，后置于对辊造粒机中造粒，混合料粒度≤5mm；

将混合料放置于中压注射机入料口，注射温度为70℃，注射压力为3Mpa，注射后2分钟内脱模，可得到成型的异形陶瓷坯体。碳化硅锥形喷嘴的注塑合格率超过90%，烧结后碳化硅陶瓷的致密度达到99%以上，显微硬度达到19～21GPa。

实施例3

本实施例中，氮化硅陶瓷粉的平均粒径为0.5μm，烧结助剂为氧化铈、氧化钇，表面活性剂选用液体蜡和油酸，有机粘结剂选用聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯蜡、石蜡、白蜡、分子量10000的聚乙二醇。

将氮化硅陶瓷粉体和烧结助剂共计1600g、液体蜡20g、油酸80g，在丙酮与汽油的重量比为8:2的混合有机溶剂共计2400g中研磨混合后，70℃下鼓风干燥，过50目标准筛。将混炼机温度升高到110℃，将过筛后的物料混合均匀后，加入聚甲基丙烯酸甲酯15g、聚乙烯蜡15g，后置于对辊混炼机混炼20分钟，温度控制在100～110℃之间；将温度降低到70℃时，逐步加入分子量为10000的聚乙二醇90g，后置于对辊混炼机混炼15分钟，温度控制在70～80℃之间；继续将温度下降到55℃，加入石蜡136g，白蜡54g，后置于混炼机混炼15分钟。混炼结束后冷却，后置于对辊造粒机中造粒，混合料粒度≤5mm；

将混合料放置于中压注射机入料口，注射温度为100℃，注射压力为7MPa，注射后2分钟内脱模，可得到成型的异形陶瓷坯体。注塑成型的氮化硅陶瓷球阀的合格率99.7%，烧结后氮化硅陶瓷的致密度达到99.1%。

总之，以上对本发明具体实施方式的描述并不限制本发明，本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变或变形，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明所附权利要求的范围。

Claims (8)

1.一种注射成型异形陶瓷的制备方法，该制备方法包括如下步骤：

（1）将氮化硅粉或碳化硅粉、烧结助剂、表面活性剂于有机溶剂中混合、干燥；

（2）向步骤（1）得到的混合物加入有机粘结剂，混炼、造粒；

（3）将步骤（2）得到的物料在70～110℃、3～10Mpa下注射成型，得到坯体。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：

（1）将氮化硅粉或碳化硅粉51～84重量份、烧结助剂4～15重量份、表面活性剂1～6重量份，于有机溶剂中混合、干燥，过50目筛；其中，氮化硅粉或碳化硅粉、烧结助剂及表面活性剂的重量份数之和与有机溶剂的重量份数之比为1:1.2～1:1.9；

（2）向步骤（1）得到的混合物加入有机粘结剂11～25重量份，混炼，造粒；

（3）将步骤（2）得到的物料在70～110℃、3～10Mpa下注射成型，得到坯体；优选地，注射成型时间为2分钟。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤（1）中，所述氮化硅粉的粒径为0.2～2μm，优选为0.5～1.5μm；所述碳化硅粉的粒径为0.3～5μm，优选为1～3μm。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤（1）中，所述烧结助剂选自氧化铝、氧化镁、镁铝尖晶石、氧化铈、氧化钍、氧化镧、氧化钐、氧化铥、氧化锂或氧化钙中的一种或多种，优选为氧化镁、氧化铝、氧化镧、氧化铈、氧化钇、氧化钐。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤（1）中，所述干燥温度为50～95℃，优选为70℃。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤（1）中，所述表面活性剂选自油酸、反油酸、液体蜡、硬脂酸、硬脂酸盐或三聚甘油单硬脂酸酯中的一种或多种，优选为油酸、反油酸、硬脂酸镁、三聚甘油单硬脂酸酯或液体蜡；所述有机溶剂选自无水乙醇、异丙醇、丙酮或汽油中的一种或多种；所述有机粘结剂选自石蜡、白蜡、微晶石蜡、聚乙二醇、聚氧化乙烯、聚乙烯蜡或聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或多种。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤（2）包括以下步骤：

向步骤（1）得到的混合物加入作为第一有机粘结剂的聚甲基丙烯酸甲酯和/或聚乙烯蜡，混合，在100～110℃下混炼；

然后降温至70～80℃，加入作为第二有机粘结剂的聚乙二醇，混炼；

然后降温至55～70℃，加入作为第三有机粘结剂的石蜡、白蜡、蜂蜡、微晶石蜡、聚乙二醇或聚氧化乙烯中的一种或多种，优选为石蜡、聚氧化乙烯或白蜡，混炼，冷却，造粒。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤（2）包括以下步骤：

向步骤（1）得到的混合物加入作为第一有机粘结剂的聚甲基丙烯酸甲酯和/或聚乙烯蜡，在100～110℃下混炼10～20分钟；

然后降温至70～80℃，加入作为第二有机粘结剂的聚乙二醇，混炼10～20分钟；优选地，所述聚乙二醇的分子量为10000～20000；

然后降温至55～70℃，加入作为第三有机粘结剂的石蜡、白蜡、蜂蜡、微晶石蜡、聚乙二醇或聚氧化乙烯中的一种或多种，优选为石蜡、聚氧化乙烯、白蜡，混炼5～20分钟，冷却，造粒，其粒度≤5mm；优选地，所述聚乙二醇或聚氧化乙烯的分子量为1500～8000，进一步优选为1500、2000、4000、6000或8000；

其中，第一有机粘结剂、第二有机粘结剂与第三有机粘结剂的重量份数之比为5～15%：15～45%：40～65%。