CN113121240A - 一种高耐磨氮化物结合碳化硅复合陶瓷过流件的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于碳化硅耐磨陶瓷材料的制备技术领域，涉及一种高耐磨氮化物结合碳化硅复合陶瓷过流件的制备方法。涉及的一种高耐磨氮化物结合碳化硅复合陶瓷过流件的制备方法中氮化物结合碳化硅复合陶瓷过流件的主原料选用碳化硅含量98%以上的磨料级黑碳化硅颗粒和细粉、碳含量99%以上的石墨碎颗粒和硅含量98%以上的金属硅粉；选不同种类的临时粘结剂或胶凝剂，半干法模压或湿法注模等方式成型所需外形的素坯；素坯脱模干燥，制得不溶水的干素坯，干素坯进行真空浸水处理，二次烘干后装窑；纯氮气气氛下，高温下氮化烧结，制得高耐磨氮化物结合碳化硅复合陶瓷过流件产品。本发明提高了碳化硅复合陶瓷过流件的综合使用性能。

Description

一种高耐磨氮化物结合碳化硅复合陶瓷过流件的制备方法

技术领域

本发明属于碳化硅耐磨陶瓷材料的制备技术领域，具体涉及一种高耐磨氮化物结合碳化硅复合陶瓷过流件的制备方法，特别适用陶瓷复合渣浆泵、旋流器及过流管道等陶瓷耐磨衬。

背景技术

渣浆泵、旋流器及各种耐磨管道等过流设备，其输送物料通常为各种固体颗粒、液相或参杂有气相的多相高速流动物质。过流内衬的工况具有高磨损的特点，有时还存在高温、化学侵蚀等诸多损毁机制。通常过流内衬材料的性能决定了过流设备的使用寿命和运行成本。诸多材质中，与传统耐磨合金比，碳化硅质耐磨陶瓷材料具有更高的硬度和耐磨性能，在酸碱和高温下也具有很好的稳定性。各种碳化硅质耐磨材料中，反应烧结氮化物结合碳化硅材料具有尺寸可控、费用低、易实现大型化等诸多优势，耐磨性是现普遍应用耐磨铬合金的3倍以上，其韧性显著优于成本更高的反应烧结碳化硅等精细陶瓷材料。

氮化物结合碳化硅应用过程存在的问题，主要表现在：该材料非高致密材料，在某特定工况下，材质性能仍有改进空间。如：大尺寸固体颗粒的高速撞击、超高磨损环境、承担强扭矩负荷等工况下，存在脆性断裂、材质强度不够用等突出问题，限制了材料的应用范围，其综合性能还有待进一步提高。为此本发明提出了一种高耐磨氮化物结合碳化硅复合陶瓷过流件的制备方法，其目的是进一步改善材料综合耐磨性、断裂韧性、材质强度。

在提高材料耐磨性能的问题上，中国专利“一种耐磨材料及其制备方法”（CN109868386B）提出一种在铝合金基体内均匀分布氮化铝、氧化铝、二硅化钼和石墨粉的耐磨材料，上述添加物粒度(10-13)μm，按顺序其相对重量比为：1:1:(1.1-1.4):0.01，操作通过纯金属铝丝上粘附氮化铝、氧化铝、二硅化钼和石墨粉置于母合金液中央，有利于微粉颗粒的快速分散和材质均化，氮化铝、氧化铝和二硅化钼可显著提高基体材料的硬度和耐磨性，石墨粉可提高材料的减磨性。氮化物结合碳化硅材料本身具备很高的硬度和优异的耐磨性能，不需要增强相，如把石墨微粉作为减磨相添加到材料内，其分散难度较大，且会影响材料反应烧结过程，显著降低材料体积密度和强度，不利于材料性能的提高。为此本发明提出更易分散的石墨碎颗粒作为减磨相，石墨不进入材料基质内，不影响材料结合相的成份。另外，合理控制石墨碎颗粒的粒度和比例，均匀分散的石墨碎颗粒，使其基本不影响碳化硅主材质的基础性能，石墨在应用过程中可吸收材料的断裂能，提高材质的断裂韧性，不易产生剥落性裂纹。

在改善材料致密度问题上，中国专利“低气孔率反应烧结氮化硅结合碳化硅陶瓷材料的制备方法”（CN106673664B）提出一种低气孔率反应烧结氮化硅结合碳化硅陶瓷材料的制备方法。通过反应烧结和致密化技术制备低气孔率的氮化硅结合碳化硅陶瓷材料。具体是真空条件下将素坯在氯化铝溶液内浸渍2次，再在纯氮气气氛下反应烧结。另外，其它也有浸渍硅溶胶、磷酸盐等溶液提高制品致密度的报道。

发明内容

本发明的目的是提出了一种高耐磨氮化物结合碳化硅复合陶瓷过流件的制备方法，使其所制备的过流件具有高耐磨性、韧性好、致密和重量轻的性能特点。

本发明为完成上述目的采用以下技术方案：

一种高耐磨氮化物结合碳化硅复合陶瓷过流件的制备方法，其特征在于：氮化物结合碳化硅复合陶瓷过流件的主原料选用碳化硅含量98%以上的磨料级黑碳化硅颗粒和细粉、碳含量99%以上的石墨碎颗粒和硅含量98%以上的金属硅粉；选不同种类的临时粘结剂或胶凝剂，半干法模压或湿法注模等方式成型所需外形的素坯；素坯脱模干燥，制得不溶水的干素坯，干素坯进行真空浸水处理，二次烘干后装窑；纯氮气气氛下，高温下氮化烧结，制得高耐磨氮化物结合碳化硅复合陶瓷过流件产品，具体制备方法如下：

1）各原料使用下列配比进行混料和成型：

碳化硅颗粒原料：粒度（0～5）mm，60-80%；

碳化硅细粉原料：粒度-150目～ -500目，5-15%；

石墨碎颗粒：粒度0～5mm，0-20%；

金属硅粉：粒度-150目～ -320目，占比5-20%；

上述不同主原料与粘结剂或胶凝剂按一定比例混合均匀，半干法机压或湿法注模等方式成型，干燥处理后，形成不溶于水且有一定强度的干素坯；

2）干素坯浸水工序：

将干素坯放入真空罐内抽真空，真空度-0.09～-0.1MPa，干抽保压不少于30分钟，放水淹没素坯继续抽真空30分钟以上，放气后大气压下静置（6-36）小时，浸水烘干后的素坯增重不低于0.5%；

3）烧成工序：

浸水烘干后的素坯，放入氮化炉，高纯氮气下，最高不低于1420℃烧成，保温8-30小时，根据所设计结合相种类配合相应烧成制度烧成。

所述的粘结剂或胶凝剂为酚醛树脂、硅溶胶、水合氧化铝、铝酸盐水泥中的一种或多种；所述酚醛树脂的加入量为氮化物结合碳化硅复合陶瓷过流件原料总量的3-5%；硅溶胶的加入量为氮化物结合碳化硅复合陶瓷过流件原料总量的5-15%；水合氧化铝的加入量为氮化物结合碳化硅复合陶瓷过流件原料总量的1-5%；铝酸盐水泥的加入量为氮化物结合碳化硅复合陶瓷过流件原料总量的1-5%。

本发明提出的一种高耐磨氮化物结合碳化硅复合陶瓷过流件的制备方法，引入少量石墨碎颗粒；该工艺配方控制下，石墨碎颗粒不影响泥料成型为具备高相对密度的素坯，材料内均匀分散的石墨碎颗粒具有自润滑、增韧和减重的效果，提高了氮化物结合碳化硅耐磨过流件的综合使用性能。

制备工艺中增加干素坯的真空浸水工序，利用硅粉水化，提高材质致密度和烧后结合相的分散性和结构强度；金属硅粉颗粒表面水化，生成一定数量的二氧化硅氧化层，该氧化层填充周边部分气孔，提高素坯致密度。烧成时，纯氮气气氛下，金属硅与其表面二氧化硅氧化层或临近其他物质，高温下可氮化形成Si₂N₂O、Sialon等高强氮化物陶瓷结合相，其结合强度显著优于单独原位添加二氧化硅粉等原料产生的烧结效果；本发明利用素坯内硅粉水化，减少了素坯气孔率的致密方法。该方法不直接从外界引入新物相填充气孔，所生成水化产物均匀附着在金属硅颗粒表面，强化反应烧结过程，形成分散均匀的高强结合相，显著提高材质强度和耐磨性能；

所述高耐磨氮化物结合碳化硅复合陶瓷过流件与普通氮化硅结合碳化硅材料比具有高耐磨、韧性好和低密高强的性能特点，提高了碳化硅复合陶瓷过流件的综合使用性能。本发明易于实现工业化制造，成本低，产品性价比高，适用于工况环境较为苛刻的陶瓷复合渣浆泵过流件、旋流器内衬等耐磨内衬材料。

附图说明

图1：高耐磨碳化硅陶瓷过流件的典型显微结构形貌，骨料颗粒间基质内的高强结合相形成桥联结构，周边分散少量常规絮状结合相。

图2：反应形成高强结合相断口晶体形貌，高强结合相的晶粒尺寸均匀一致且结合紧密。

具体实施方式

下面通过几个实施例对本发明进行具体说明：

实施例1：

粒度（0-3）mm碳化硅颗粒原料称取70%；粒度-240目的碳化硅细粉原料称取10%；粒度（0.5-1.5mm）石墨碎颗粒加入5%；粒度-320目金属硅粉加入15%。上述主原料与外加重量4.0%酚醛树脂混合均匀，半干法模压成型，干燥后素坯放入真空罐内抽真空，真空度不低于-0.097MPa，干抽保压30分钟，放水淹没素坯继续抽真空30分钟，放气后大气压下静置36小时，浸水烘干后的素坯增重为0.5%。浸水烘干后素坯，放入氮化炉，高纯氮气（>99.99%）下，最高1450℃烧成，保温12小时，烧后产品的XRD物相分析结果：主晶相为SiC；Si₂N₂O：3-5%；α-Si₃N₄：1-3%；β-Si₃N₄：10-15%；Graphite：3-5%。体积密度2.60g.cm^-3，显气孔率12.0%，常温抗折强度68MPa，耐磨性：1.05%。

实施例2：

粒度（0-5）mm碳化硅颗粒原料称取65%；粒度-500目的碳化硅细粉原料称取13%；粒度（1.5-3mm）石墨碎颗粒加入10%；粒度-200目金属硅粉加入12%。上述主原料与外加重量10%的硅溶胶混合均匀，湿法注模成型，养护脱模干燥后素坯放入真空罐内抽真空，真空度不低于-0.095MPa，干抽保压不30分钟，放水淹没素坯继续抽真空40分钟，放气后大气压下静置24小时，浸水烘干后的素坯增重为0.8%。浸水烘干后的素坯，放入氮化炉，高纯氮气（>99.99%）下，最高1440℃烧成，保温15小时，烧后产品的XRD物相分析结果：主晶相为SiC；Si₂N₂O：10-15%；α-Si₃N₄：1-3%；β-Si₃N₄：3-5%；Graphite：5-10%。体积密度2.30g.cm^-3，显气孔率11.6%，常温抗折强度72MPa，耐磨性：0.95%。

实施例3：

粒度（0.1-2.5）mm碳化硅颗粒原料称取72%；粒度-240目的碳化硅细粉原料称取3%；粒度（0.5-1.5mm）石墨碎颗粒加入15%；粒度-180目金属硅粉加入10%。上述主原料与外加重量5%的水合氧化铝混合均匀，湿法注模成型，养护脱模干燥后素坯放入真空罐内抽真空，真空度不低于-0.098MPa，干抽保压50分钟，放水淹没素坯继续抽真空45分钟，放气后大气压下静置18小时，浸水烘干后的素坯增重为0.7%。浸水烘干后的素坯，放入氮化炉，高纯氮气（>99.99%）下，最高1500℃烧成，保温18小时，烧后产品的XRD物相分析结果：主晶相为SiC；Si₂N₂O：3-5%；β-Sialon：3-5%；Corundum：1-3%；β-Si₃N₄：3-5%；Graphite：10-15%。体积密度2.13g.cm^-3，显气孔率12.3%，常温抗折强度79MPa，耐磨性：0.89%。

Claims (2)

1.一种高耐磨氮化物结合碳化硅复合陶瓷过流件的制备方法，其特征在于：氮化物结合碳化硅复合陶瓷过流件的主原料选用碳化硅含量98%以上的磨料级黑碳化硅颗粒和细粉、碳含量99%以上的石墨碎颗粒和硅含量98%以上的金属硅粉；选不同种类的临时粘结剂或胶凝剂，半干法模压或湿法注模等方式成型所需外形的素坯；素坯脱模干燥，制得不溶水的干素坯，干素坯进行真空浸水处理，二次烘干后装窑；纯氮气气氛下，高温下氮化烧结，制得高耐磨氮化物结合碳化硅复合陶瓷过流件产品，具体制备方法如下：

1）各原料使用下列配比进行混料和成型：

碳化硅颗粒原料：粒度0～5mm，60-80%；

碳化硅细粉原料：粒度-150目～ -500目，5-15%；

石墨碎颗粒：粒度0～5mm，0-20%；

金属硅粉：粒度-150目～ -320目，占比5-20%；

上述不同主原料与粘结剂或胶凝剂按一定比例混合均匀，半干法机压或湿法注模等方式成型，干燥处理后，形成不溶于水且有一定强度的干素坯；

2）干素坯浸水工序：

将干素坯放入真空罐内抽真空，真空度-0.09～-0.1MPa，干抽保压不少于30分钟，放水淹没素坯继续抽真空30分钟以上，放气后大气压下静置（6-36）小时，浸水烘干后的素坯增重不低于0.5%；

3）烧成工序：

浸水烘干后的素坯，放入氮化炉，高纯氮气下，最高不低于1420℃烧成，保温8-30小时，根据所设计结合相种类配合相应烧成制度烧成。

2.如权利要求1所述的一种高耐磨氮化物结合碳化硅复合陶瓷过流件的制备方法，其特征在于：所述的粘结剂或胶凝剂为酚醛树脂、硅溶胶、水合氧化铝、铝酸盐水泥中的一种或多种；所述酚醛树脂的加入量为氮化物结合碳化硅复合陶瓷过流件原料总量的3-5%；硅溶胶的加入量为氮化物结合碳化硅复合陶瓷过流件原料总量的5-15%；水合氧化铝的加入量为氮化物结合碳化硅复合陶瓷过流件原料总量的1-5%；铝酸盐水泥的加入量为氮化物结合碳化硅复合陶瓷过流件原料总量的1-5%。

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