CN108147824A - 耐腐蚀和磨损陶瓷轴衬套材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耐腐蚀和磨损陶瓷轴衬套材料的制备方法，本方法将一定组分的氮化硅、AL2O3、Y2O3、SiO2、粘结剂组成混合粉体，混合粉体以无水乙醇为溶剂，经高速球磨或砂磨混合均匀制成料浆；料浆通过喷雾造粒工艺获得造粒粉体；将造粒粉体直接采用等静压工艺成型为素坯；将成型的素坯在真空或惰性气氛下脱粘；脱粘后的坯体通过气压烧结，获得致密的陶瓷材料。本方法具有工艺简单、组分均匀的特点，可获得密度较高、强度较高的素坯，制得的轴衬套具有较高的耐熔蚀与耐磨损性能，并与锌液具有较低的浸润特性，保证了使用环境对材料稳定性及热力学性能提出的要求。

Description

耐腐蚀和磨损陶瓷轴衬套材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种耐腐蚀和磨损陶瓷轴衬套材料的制备方法。
背景技术
连续热镀锌锅的传动结构通常由一根沉没辊和两根稳定辊组成，其中沉没辊是一个被动转向辊，两根稳定辊在锌钢带出锌锅前被动夹持带钢避免其出锌锅后的抖动，辊子的轴承部分由轴套和衬套构成，通过两者之间的滑动摩擦实现辊体转动，借助于锌液系统中辊子转动实现带钢在锌锅中的进出，此处最关键的是取决于锌液中辊子轴衬套的稳定工作。在液态锌锅中腐蚀、磨损、高温和高机械力等同时作用于轴衬套上是导致其损伤、失效的主要原因。
氮化硅陶瓷由于其具有耐磨损、耐腐蚀、机械性能和热学性能优异等特点，应用范围日益广泛。在连续热镀锌生产过程中，氮化硅陶瓷材料通常作为熔融金属液中的相关部件使用，相关部件需要在苛刻的环境下工作，要经受465℃高温金属溶液的腐蚀，并在高温金属液与空气环境中循环使用，经受连续的热震动；同时相关部件在相互接触过程中需要承受长期摩擦。苛刻的使用条件对材料的高温稳定性、热力学性能均提出严格的要求。
常用的氮化硅陶瓷制备成型方法一般有热压铸成型、凝浇注成型、塑性成型、干压成型和等静压成型等。干压成型是氮化硅粉料最常用的成型工艺，但是其成型后坯体密度、强度均较低，不易实现复杂结构加工，且较难实现烧结致密化。因此通常采用干压成型结合等静压成型的工艺进行粉料成型。但成型过程需经过两个步骤，工艺相对复杂。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种耐腐蚀和磨损陶瓷轴衬套材料的制备方法，本方法具有工艺简单、组分均匀的特点，可获得密度较高、强度较高的素坯，制得的轴衬套具有较高的耐熔蚀与耐磨损性能，并与锌液具有较低的浸润特性，保证了使用环境对材料稳定性及热力学性能提出的要求。
为解决上述技术问题，本发明耐腐蚀和磨损陶瓷轴衬套材料的制备方法将86～90wt％氮化硅、6～9wt％AL2O3、2～4wt％Y2O3、0.1～3wt％SiO2、0～1wt% 粘结剂组成混合粉体，混合粉体以无水乙醇为溶剂，经高速球磨或砂磨混合均匀制成料浆；料浆通过喷雾造粒工艺获得造粒粉体；将造粒粉体直接采用等静压工艺成型为素坯；将成型的素坯在真空或惰性气氛下脱粘；脱粘后的坯体通过气压烧结，获得致密的陶瓷材料。
进一步，所述粘结剂是PVB粘结剂和/或PEG粘结剂。
进一步，所述混合粉体与无水乙醇质量比为1:1.
进一步，所述高速球磨采用行星球磨机，磨球为氮化硅磨球，磨球与混合粉体质量比为2：1，并且球磨时间为4～100小时。
进一步，所述造粒粉体置于聚氨酯或橡胶模具内震实并密封后直接采用等静压工艺成型为素坯，等静压工艺的成型压力为150～250MPa并且保持2～5分钟。
进一步，所述气压烧结过程将脱粘后的坯体置于石墨坩埚中，在氮气气氛3～10MPa、烧结过程温度1650～1800℃并保温2小时，随炉自然冷却，获得致密的陶瓷材料烧结体。
进一步，所述的烧结过程，脱粘后的坯体经过埋粉工艺处理。
进一步，所述的埋粉工艺处理所用的埋粉为氮化硅粉、氧化铝粉、氧化钇粉、氮化硼粉及氧化硅粉的混合粉体，其中：氮化硅含量为50wt%，氮化硼含量为20～35wt%，氧化铝、氧化钇和氧化硅含量为15～30wt%。
进一步，所述的埋粉中氧化铝和氧化钇的质量比为1：1，氧化硅含量为0.1～3wt%。
由于本发明耐腐蚀和磨损陶瓷轴衬套材料的制备方法采用了上述技术方案，即本方法将一定组分的氮化硅、AL2O3、Y2O3、SiO2、粘结剂组成混合粉体，混合粉体以无水乙醇为溶剂，经高速球磨或砂磨混合均匀制成料浆；料浆通过喷雾造粒工艺获得造粒粉体；将造粒粉体直接采用等静压工艺成型为素坯；将成型的素坯在真空或惰性气氛下脱粘；脱粘后的坯体通过气压烧结，获得致密的陶瓷材料。本方法具有工艺简单、组分均匀的特点，可获得密度较高、强度较高的素坯，制得的轴衬套具有较高的耐熔蚀与耐磨损性能，并与锌液具有较低的浸润特性，保证了使用环境对材料稳定性及热力学性能提出的要求。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：
图1为本发明实施例1制得的氮化硅陶瓷烧结体的电子显微结构图；
图2为本发明实施例2制得的氮化硅陶瓷烧结体的断面形貌图。
具体实施方式
本发明耐腐蚀和磨损陶瓷轴衬套材料的制备方法将86～90wt％氮化硅、6～9wt％AL2O3、2～4wt％Y2O3、0.1～3wt％SiO2、0～1wt% 粘结剂组成混合粉体，混合粉体以无水乙醇为溶剂，经高速球磨或砂磨混合均匀制成料浆；料浆通过喷雾造粒工艺获得造粒粉体；将造粒粉体直接采用等静压工艺成型为素坯；将成型的素坯在真空或惰性气氛下脱粘；脱粘后的坯体通过气压烧结，获得致密的陶瓷材料。
优选的，所述粘结剂是PVB粘结剂和/或PEG粘结剂。
优选的，所述混合粉体与无水乙醇质量比为1:1.
优选的，所述高速球磨采用行星球磨机，磨球为氮化硅磨球，磨球与混合粉体质量比为2：1，并且球磨时间为4～100小时。
优选的，所述造粒粉体置于聚氨酯或橡胶模具内震实并密封后直接采用等静压工艺成型为素坯，等静压工艺的成型压力为150～250MPa并且保持2～5分钟。
优选的，所述气压烧结过程将脱粘后的坯体置于石墨坩埚中，在氮气气氛3～10MPa、烧结过程温度1650～1800℃并保温2小时，随炉自然冷却，获得致密的陶瓷材料烧结体。
优选的，所述的烧结过程，脱粘后的坯体经过埋粉工艺处理。埋粉工艺是在烧结过程中将成型素坯包裹在埋粉中，避免或减少高温烧结过程引起成型素坯中有效成分的挥发或分解损失。
优选的，所述的埋粉工艺处理所用的埋粉为氮化硅粉、氧化铝粉、氧化钇粉、氮化硼粉及氧化硅粉的混合粉体，其中：氮化硅含量为50wt%，氮化硼含量为20～35wt%，氧化铝、氧化钇和氧化硅含量为15～30wt%。
优选的，所述的埋粉中氧化铝和氧化钇的质量比为1：1，氧化硅含量为0.1～3wt%。
实施例1：
将氮化硅粉体、氧化铝及氧化钇粉体按照90：7：3的比例混合，并添加粉体质量1%的PVB为粘结剂，按照粉体质量100%添加无水乙醇为溶剂；
按照粉体质量的200%添加氮化硅磨球用于高能球磨，将上述混合物在行星式球磨机中球磨混料4小时，得到成分均匀的浆料；
将浆料进行喷雾造粒处理获得成分均匀、流动性良好的造粒粉体；
将50wt%氮化硅、30wt%氮化硼、9.5wt%氧化铝、9.5wt%氧化钇及1wt%氧化硅粉体混合均匀，混合后粉体作为埋粉备用；
将造粒粉体置于聚氨酯或橡胶模具内震实并密封，经过200MPa等静压保压2分钟成型得到素坯；
素坯置于石墨坩埚中在900℃高温真空环境中脱粘；
脱粘体置于坩埚内，通过埋粉粉体将其覆盖，经过3MPa氮气气氛、1700℃高温烧结并保温2小时工艺处理，经随炉冷却后得到氮化硅陶瓷材料。
获得的烧结体具有如图1所示的微观结构，主要为1微米左右等轴晶和柱状晶，晶粒尺寸3-8微米，晶间相含有Al、Y、Si、N、O等元素；烧结体的弯曲强度达到979MPa，压痕法测得的断裂韧性和维氏硬度分别为6.0 MPa·m1/2和13.9GPa。
实施例2：
将氮化硅粉体、氧化铝、氧化钇及氧化硅粉体按照90：8：2：1的比例混合，并添加0.5wt%的PVB和0.5wt%的PEG为粘结剂，按照粉体质量100%添加无水乙醇为溶剂；
按照粉体质量的200%添加氮化硅磨球用于高能球磨，将上述混合物在行星式球磨机中球磨混料50小时，得到成分均匀的浆料；
将浆料进行喷雾造粒处理获得成分均匀、流动性良好的造粒粉体；
将造粒粉体置于聚氨酯或橡胶模具内震实并密封，经过150MPa等静压保压5分钟成型得到素坯，素坯置于石墨坩埚中在900℃高温真空环境中脱粘；
脱粘体置于坩埚内，并经过3MPa氮气气氛、1720℃高温烧结并保温2小时工艺处理，经随炉冷却后得到氮化硅陶瓷材料。
获得的烧结体断面形貌如图2所示，其弯曲强度为906MPa，压痕法测得的断裂韧性和维氏硬度分别为6.2MPa·m1/2和13.8GPa。
实施例3：
将氮化硅粉体、氧化铝粉体、氧化钇粉体及氧化硅粉体按照90：6：3：2的比例混合，并添加0.5wt%的PEG为粘结剂，按照粉体质量100%添加无水乙醇为溶剂；
按照粉体质量的200%添加氮化硅磨球用于高能球磨，将上述混合物在行星式球磨机中球磨混料100小时，得到成分均匀的浆料；
将浆料进行喷雾造粒处理获得成分均匀、流动性良好的造粒粉体；
将50wt%氮化硅、20wt%氮化硼、14.5wt%氧化铝、14.5wt%氧化钇及1wt%氧化硅粉体混合均匀，混合后粉体作为埋粉备用；
将造粒粉体置于聚氨酯或橡胶模具内震实并密封，经过200MPa等静压保压2分钟成型得到素坯，素坯置于石墨坩埚中在1000℃高温真空环境中脱粘；
脱粘体置于坩埚内，通过埋粉粉体将其覆盖，经过8MPa氮气气氛、1780℃高温烧结并保温2小时工艺处理，随炉冷却后得到氮化硅陶瓷材料。
烧结体的弯曲强度为873MPa，压痕法测得的断裂韧性和维氏硬度分别为6.5MPa·m1/2和13.6GPa。
以上是发明人给出的具体实施例，需要说明的是，这些实施例是本发明较优的例子，用于本领域的技术人员理解本发明，但本发明并不局限于这些实施例。
本方法制得的氮化硅陶瓷由等轴晶粒和长柱状晶粒组成，晶粒尺寸<10微米，晶界相含有Al、Y、O、Si、N元素构成的一种或多种化合物。将氮化硅陶瓷加工成轴衬套具有优良的抗热震、耐腐蚀、耐磨损性能，已被证明是提高生产效率的重要手段，由于陶瓷结构表面光滑，与金属之间摩擦系数小，轴套与衬套之间的磨损小，使用寿命显著延长。

Claims (8)

1.一种耐腐蚀和磨损陶瓷轴衬套材料的制备方法，其特征在于：本方法将86～90wt％氮化硅、6～9wt％AL2O3、2～4wt％Y2O3、0.1～3wt％SiO2、0～1wt% 粘结剂组成混合粉体，混合粉体以无水乙醇为溶剂，经高速球磨或砂磨混合均匀制成料浆；料浆通过喷雾造粒工艺获得造粒粉体；将造粒粉体直接采用等静压工艺成型为素坯；将成型的素坯在真空或惰性气氛下脱粘；脱粘后的坯体通过气压烧结，获得致密的陶瓷材料。
2.根据权利要求1所述的耐腐蚀和磨损陶瓷轴衬套材料的制备方法，其特征在于：所述粘结剂是PVB粘结剂和/或PEG粘结剂。
3.根据权利要求1所述的耐腐蚀和磨损陶瓷轴衬套材料的制备方法，其特征在于：所述混合粉体与无水乙醇质量比为1:1.
根据权利要求1所述的耐腐蚀和磨损陶瓷轴衬套材料的制备方法，其特征在于：所述高速球磨采用行星球磨机，磨球为氮化硅磨球，磨球与混合粉体质量比为2：1，并且球磨时间为4～100小时。
4.根据权利要求1所述的耐腐蚀和磨损陶瓷轴衬套材料的制备方法，其特征在于：所述造粒粉体置于聚氨酯或橡胶模具内震实并密封后直接采用等静压工艺成型为素坯，等静压工艺的成型压力为150～250MPa并且保持2～5分钟。
5.根据权利要求1所述的耐腐蚀和磨损陶瓷轴衬套材料的制备方法，其特征在于：所述气压烧结过程将脱粘后的坯体置于石墨坩埚中，在氮气气氛3～10MPa、烧结过程温度1650～1800℃并保温2小时，随炉自然冷却，获得致密的陶瓷材料烧结体。
6.根据权利要求6所述的耐腐蚀和磨损陶瓷轴衬套材料的制备方法，其特征在于：所述的烧结过程，脱粘后的坯体经过埋粉工艺处理。
7.根据权利要求7所述的耐腐蚀和磨损陶瓷轴衬套材料的制备方法，其特征在于：所述的埋粉工艺处理所用的埋粉为氮化硅粉、氧化铝粉、氧化钇粉、氮化硼粉及氧化硅粉的混合粉体，其中：氮化硅含量为50wt%，氮化硼含量为20～35wt%，氧化铝、氧化钇和氧化硅含量为15～30wt%。
8.根据权利要求8所述的耐腐蚀和磨损陶瓷轴衬套材料的制备方法，其特征在于：所述的埋粉中氧化铝和氧化钇的质量比为1：1，氧化硅含量为0.1～3 wt%。
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