CN109867526A - 一种高温陶瓷弹簧的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高温陶瓷弹簧的制备方法，是以高纯氮化硅为主要原料，以硅橡胶为成型剂，经混炼、成型、烧结等工艺过程制备高温陶瓷弹簧，具体工艺过程为：原料配制→混炼→均化→成型→固化→排烧→浸浆→烧结→成品。本发明的特点在于：采取有机硅橡胶为成型剂，解决了陶瓷弹簧成型困难问题；挤制后的线材在缠绕弹簧的过程中不易变形，能够保证弹簧制品的尺寸精度；工艺过程简单，对设备没有特殊要求，材料成本低，无水乙醇可回收利用。本发明可用于工业化生产。

Description

一种高温陶瓷弹簧的制备方法

技术领域

本发明涉及一种高温弹簧的生产方法，具体地说是一种氮化硅陶瓷弹簧的生产方法。

背景技术

目前高温金属弹簧采用的材料主要是高温合金，使用温度在1000℃以下，当使用温度超过1000℃以上时，金属材料强度就会发生明显的降低而无法满足应用要求。因此采用耐高温、耐磨损、抗氧化、抗腐蚀的陶瓷材料制备耐高温弹簧成为人们研究的热点。

用于制备高温弹簧材料体系主要有氧化锆陶瓷、氮化硅陶瓷、C/C复合材料、C/SiC复合材料等。其中氧化锆耐温性较差，一般使用温度在1000℃以下，C/C复合材料、C/SiC复合材料在高温有氧气的条件下抗氧化性能差，影响其使用范围，氮化硅陶瓷由于具有低密度、高强度、高韧性、耐高温、抗氧化、耐烧蚀以及高耐磨等一系列优异性能，在高温陶瓷弹簧领域成为了理想材料，具有广阔应用前景。

欧美和日本在高温弹簧方面的研究起步较早，Al₂O₃陶瓷弹簧、ZrO₂陶瓷弹簧、Si₃N₄陶瓷弹簧等均形成了系列的产品，高模量和轻量特性的C/C复合材料弹簧也已成功开发并形成产品。国内对陶瓷弹簧的研究尚处于实验室阶段，未实现产业化。

发明内容

鉴于此，本发明为解决上述现有技术的问题而提供一种以高纯氮化硅为原料的陶瓷弹簧工业化的生产方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种高温陶瓷弹簧的制备方法，该方法是以高纯氮化硅为主要原料，以某种硅橡胶为成型剂，经混炼、成型、烧结等工艺过程制备高温陶瓷弹簧，具体工艺过程为：原料配制→混炼→均化→成型→固化→排烧→浸浆→烧结→成品。

1)原料配制

将高纯氮化硅、烧结助剂按重量百分比混合，氮化硅：烧结助剂＝88-92％：8-12％，采用的烧结助剂包括氧化铝和氧化钇，以无水乙醇为分散介质，料浆浓度为40wt～60wt％，在行星磨中进行混磨，混磨时间为4-6小时，留部分料浆用于后续浸浆，其余料浆进行干燥，制备原料粉体；

2)混炼

成型剂采用室温硫化甲基硅橡胶，交联剂为正硅酸乙酯，催化剂为有机锡类，三者比例为成型剂：交联剂：催化剂＝100g：4-10ml：10-20ml，将制备的原料粉体与成型剂混合，成型剂加入量为原料粉体重量的4wt％-8wt％，通过混合搅拌制成膏状物，然后在混炼设备上进行炼制，混炼设备为双辊混炼机，将膏状料团在混料机上进行辊压，辊压次数10-15次；

3)均化

炼制后形成塑性料团，静置均化，静置时间为10-30分钟；

4)成型

将均化后的料团置入挤压模具中，以一定速度挤压成所需规格的圆形线材，挤出速度控制在0.1-0.5米/分钟，将挤出的线材卷制在相应规格的绕线器(即弹簧绕制模具)上成弹簧形状；

5)固化

将弹簧坯体及绕线器一起放入烘箱中，在100-120℃温度下保温0.5-3小时，固化后将坏体取下；

6)排烧

将弹簧坯体放入硅碳棒炉中，在800-1100℃下保温0.5-3小时，排除有机成型剂；

7)浸浆

将排烧后的弹簧坯体置入1)中留存的浆料中，在真空条件下浸置0.5-1小时；

8)烧结

将浸浆后干燥的坯体修坯后，置于支撑体和埋粉中，放入气压炉中，烧结温度为1700-1850℃，以氮气为保护气，炉内压力为3-5MPa，保温时间为0.5-3小时，然后自然冷却至室温，取出即为成品。

由于要配料过程中采用无水乙醇为分散介质，在原料混磨后，将料浆放入双锥回转真空干燥机中进行烘干处理，即可以得到分散性良好的粉体原料，同时完成对无水乙醇的回收，降低制备成本，减少有机物的排放。

本发明方案中采用室温硫化甲基硅橡胶为成型剂，适宜的选取的粘度范围为20000-50000厘泊，流动性良好，能够与粉体形成具有塑性的膏状物，并且室温硫化。交联剂选用正硅酸乙酯，催化剂可选用辛酸亚锡、二醋酸二丁基锡、二丁基二月桂酸锡一种或几种。成型剂加入量为干粉总量的4wt％-8wt％。为了实现成分分散均匀，采用双辊混炼设备对配制好的膏状料团进行强制混炼。混炼后的塑性料团静放10-30分钟，以释放在混炼过程中产生的应力，同时成型剂也此过程中进行交联，形成结构均匀、硬度适中的制备弹簧用料。

成型过程是将上述料团放入专用压机模具中，挤压出符合尺寸规格的揉性线材，然后将所得到的线材缠绕在绕线器，也就是弹簧绕制模具上。控制线材挤出速度是本工艺过程中的关键，挤出速度控制在0.1-0.5米/分钟。绕制成型后，由于成型剂的硫化在进行，线材还具有一定的变形性，因此，将缠绕后的线材及绕线器一同放入烘箱中，在100-120℃下保温0.5-3小时，使线材中的成型剂完全硫化，使绕制好的簧线形状固化，不在发生变形。

将制得的弹簧坯体在800-1100℃排烧后，由于成型剂的烧失，坯体会形成残留的孔隙缺陷，难以制备出结构致密的陶瓷弹簧制品。因此，在排烧后，采取浸浆工艺，将排烧后的弹簧坯体置入浓度为40wt％-60wt％同种成分的浆料中，在真空条件下浸置0.5-1小时，浸置后取出，干燥后对坯体进行修坯。

弹簧烧结在气压炉中进行，烧结过程中，从室温到1200℃持续抽真空，炉温升到1200℃后，充入氮气洗炉2-3次，洗炉后充氮气，并保持炉内压力在3-5MPa范围，最高烧结温度1700-1850℃，保温时间0.5-3小时，然后自然冷却至室温，取出即为成品。

本发明与现有技术相比其有益效果：

1、采取有机硅橡胶为成型剂，解决了陶瓷弹簧成型困难问题；

2、挤制后的线材在缠绕弹簧的过程中不易变形，能够保证弹簧制品的尺寸精度；

3、工艺过程简单，对设备没有特殊要求，材料成本低，无水乙醇可回收利用。

具体实施方式：

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明作进一步详细说明。

实施例一：

一种高温陶瓷弹簧的制备方法，称取高纯氮化硅粉900g，氧化铝及氧化钇合量100g，无水乙醇1500ml，将三者加入到行星磨中进行混磨，混磨时间4h，混磨后在双锥回转真空干燥机中进行干燥，干燥后得到备用粉料；取粘度20000厘泊室温硫化甲基硅橡胶50g，二醋酸二丁基锡2.4ml，正硅酸乙酯5ml，将三者在容器中搅拌混合均匀，加入到上述制得的粉料中，进行混合，直至形成塑性料团；将得到的料团在双辊混炼机上进行强制混炼，混炼次数10次，混炼后将料团在操作台上静置均化10min；将均化后的料团置入压机模具中，以0.2m/min的挤出速度挤制线材，挤出后将线材缠绕在绕线器型的弹簧模具上，将之放入烘箱中，在100℃下保温2小时；将取下的弹簧坯体放入硅碳棒炉中，在950℃下保温3小时，冷却后取出；排烧后的弹簧坯体放入浓度为50wt％的氮化硅浆料中，真空状态浸置15min；将浸置并修坯处理后的弹簧坯体放入气压炉中，洗炉后炉内压力3MPa，在1750℃下保温2h，冷却后得到弹簧成品。

实施例二：

一种高温陶瓷弹簧的制备方法，称取高纯氮化硅粉890g，氧化铝及氧化钇合量110g，无水乙醇1500ml，将三者加入到行星磨中进行混磨，混磨时间4h，混磨后在双锥回转真空干燥机中进行干燥，干燥后得到备用粉料；取粘度25000室温硫化硅橡胶50g，二丁基二月桂酸锡3ml，正硅酸乙酯5.5ml，将三者在容器中搅拌混合均匀，加入到上述制得的粉料中，进行混合，直至形成塑性料团；将得到的料团在双辊混炼机上进行强制混炼，混炼次数10次，混炼后将料团在操作台上静置均化10min；将均化后的料团置入压机模具中，以0.1m/min的挤出速度挤制线材，挤出后将线材缠绕在绕线器型的弹簧模具上，将之放入烘箱中，在100℃下保温2小时；将取下的弹簧坯体放入硅碳棒炉中，在1000℃下保温2小时，冷却后取出；排烧后的弹簧坯体放入浓度为60wt％的氮化硅浆料中，真空状态浸置25min；将浸置并修坯处理后的弹簧坯体放入气压炉中，洗炉后炉内压力4.5MPa，在1800℃下保温2h，冷却后得到弹簧成品。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高温陶瓷弹簧的制备方法，该方法是以高纯氮化硅为主要原料，以硅橡胶为成型剂，经混炼、成型、烧结等工艺过程制备高温陶瓷弹簧，具体工艺过程为：原料配制→混炼→均化→成型→固化→排烧→浸浆→烧结→成品。

2.如权利要求1所述的高温陶瓷弹簧的制备方法，该方法是通过下述步骤实现的：

1)原料配制

将高纯氮化硅、烧结助剂按重量百分比混合，氮化硅：烧结助剂＝88-92％：8-12％，采用的烧结助剂包括氧化铝和氧化钇，以无水乙醇为分散介质，料浆浓度为40wt～60wt％，在行星磨中进行混磨，混磨时间为4-6小时，留部分料浆用于后续浸浆，其余料浆进行干燥，制备原料粉体；

2)混炼

成型剂采用室温硫化甲基硅橡胶，交联剂为正硅酸乙酯，催化剂为有机锡类，三者比例为成型剂：交联剂：催化剂＝100g：4-10ml：10-20ml，将制备的原料粉体与成型剂混合，成型剂加入量为原料粉体重量的4wt％-8wt％，通过混合搅拌制成膏状物，然后在混炼设备上进行炼制，混炼设备为双辊混炼机，将膏状料团在混料机上进行辊压，辊压次数10-15次；

3)均化

炼制后形成塑性料团，静置均化，静置时间为10-30分钟；

4)成型

将均化后的料团置入挤压模具中，以一定速度挤压成所需规格的圆形线材，挤出速度控制在0.1-0.5米/分钟，将挤出的线材卷制在相应规格的绕线器(即弹簧绕制模具)上成弹簧形状；

5)固化

将弹簧坯体及绕线器一起放入烘箱中，在100-120℃温度下保温0.5-3小时，固化后将坏体取下；

6)排烧

将弹簧坯体放入硅碳棒炉中，在800-1100℃下保温0.5-3小时，排除有机成型剂；

7)浸浆

将排烧后的弹簧坯体置入1)中留存的浆料中，在真空条件下浸置0.5-1小时；

8)烧结

将浸浆后干燥的坯体修坯后，置于支撑体和埋粉中，放入气压炉中，烧结温度为1700-1850℃，以氮气为保护气，炉内压力为3-5MPa，保温时间为0.5-3小时，然后自然冷却至室温，取出即为成品。

3.如权利要求2所述的高温陶瓷弹簧的制备方法，其特征在于：所述室温硫化甲基硅橡胶选取的粘度范围为20000-50000厘泊。

4.如权利要求2所述的高温陶瓷弹簧的制备方法，其特征在于：所述催化剂可选用辛酸亚锡、二醋酸二丁基锡、二丁基二月桂酸锡一种或几种。

5.如权利要求2所述的高温陶瓷弹簧的制备方法，该方法是通过下述具体步骤和工艺条件实现的：

称取高纯氮化硅粉900g，氧化铝及氧化钇合量100g，无水乙醇1500ml，将三者加入到行星磨中进行混磨，混磨时间4h，混磨后在双锥回转真空干燥机中进行干燥，干燥后得到备用粉料；取粘度20000厘泊室温硫化甲基硅橡胶50g，二醋酸二丁基锡2.4ml，正硅酸乙酯5ml，将三者在容器中搅拌混合均匀，加入到上述制得的粉料中，进行混合，直至形成塑性料团；将得到的料团在双辊混炼机上进行强制混炼，混炼次数10次，混炼后将料团在操作台上静置均化10min；将均化后的料团置入压机模具中，以0.2m/min的挤出速度挤制线材，挤出后将线材缠绕在绕线器型的弹簧模具上，将之放入烘箱中，在100℃下保温2小时；将取下的弹簧坯体放入硅碳棒炉中，在950℃下保温3小时，冷却后取出；排烧后的弹簧坯体放入浓度为50wt％的氮化硅浆料中，真空状态浸置15min；将浸置并修坯处理后的弹簧坯体放入气压炉中，洗炉后炉内压力3MPa，在1750℃下保温2h，冷却后得到弹簧成品。

6.如权利要求2所述的高温陶瓷弹簧的制备方法，该方法是通过下述具体步骤和工艺条件实现的：

称取高纯氮化硅粉890g，氧化铝及氧化钇合量110g，无水乙醇1500ml，将三者加入到行星磨中进行混磨，混磨时间4h，混磨后在双锥回转真空干燥机中进行干燥，干燥后得到备用粉料；取粘度25000室温硫化硅橡胶50g，二丁基二月桂酸锡3ml，正硅酸乙酯5.5ml，将三者在容器中搅拌混合均匀，加入到上述制得的粉料中，进行混合，直至形成塑性料团；将得到的料团在双辊混炼机上进行强制混炼，混炼次数10次，混炼后将料团在操作台上静置均化10min；将均化后的料团置入压机模具中，以0.1m/min的挤出速度挤制线材，挤出后将线材缠绕在绕线器型的弹簧模具上，将之放入烘箱中，在100℃下保温2小时；将取下的弹簧坯体放入硅碳棒炉中，在1000℃下保温2小时，冷却后取出；排烧后的弹簧坯体放入浓度为60wt％的氮化硅浆料中，真空状态浸置25min；将浸置并修坯处理后的弹簧坯体放入气压炉中，洗炉后炉内压力4.5MPa，在1800℃下保温2h，冷却后得到弹簧成品。