本發(fā)明涉及一種高性能氮化硅密封環(huán)的制備方法。

背景技術(shù)：

機(jī)械密封中，動(dòng)靜密封環(huán)往往需要抵御固體顆粒的沖刷撞擊、高轉(zhuǎn)速、高壓力帶來的密封面密封參數(shù)不穩(wěn)定、基體結(jié)構(gòu)件被腐蝕等不利因素的影響。為滿足機(jī)械密封低磨損、長壽命要求，往往需要密封環(huán)材料具有高硬度、高斷裂韌性和高剛度（彈性模量）。

氮化硅陶瓷是一種新型的密封環(huán)材料，相比于硬質(zhì)合金密封環(huán)具有密度低、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，比氧化鋁陶瓷密封環(huán)、碳化硅密封環(huán)具有高的強(qiáng)度、高的斷裂韌性以及優(yōu)異的耐磨損性能，尤其在水或醇類介質(zhì)條件下，氮化硅密封環(huán)由于摩擦表面能形成SiO膜，具有良好的自潤滑性，摩擦系數(shù)小、磨損率低，具有優(yōu)異的耐磨性和長的使用壽命。

由于氮化硅材料自擴(kuò)散系數(shù)低，本身燒結(jié)困難，往往需要高溫（大于1900℃）或者高壓才能燒結(jié)致密，但氮化硅材料在高溫下又極其容易分解。目前，高性能氮化硅密封環(huán)主要通過熱壓、熱等靜壓燒結(jié)制備而成。熱壓、熱等靜壓燒結(jié)通過在制品燒結(jié)過程中對(duì)制品施加壓力促進(jìn)材料的致密化（熱壓施加的是軸向機(jī)械力，熱等靜壓是通過200MPa壓力的氣體均勻加壓）。但是熱壓、熱等靜壓燒結(jié)不僅需要昂貴復(fù)雜的燒結(jié)設(shè)備，且燒結(jié)成本（水、電、氣、輔助耗材如包套等）高，極大增加了氮化硅制品的制造成本，遏制了高性能氮化硅材料在密封環(huán)市場上的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種高性能氮化硅密封環(huán)的制備方法，其制得的氮化硅制品其斷裂韌性遠(yuǎn)高于熱壓、熱等靜壓產(chǎn)品，而其制備成本遠(yuǎn)低于熱壓、熱等靜壓燒結(jié)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種高性能氮化硅密封環(huán)的制備方法，包括以下步驟：

（1）按下列重量比準(zhǔn)備原料：氮化硅粉90～95%、氧化鎂0～1%、氧化鋁2～4%、氧化釔3～7%；

（2）將原料、粘結(jié)劑加入到無水乙醇中，然后混勻，配制成固相含量在40～50%的氮化硅復(fù)合粉料漿；所述的黏結(jié)劑的重量為原料重量的0.5～2.5%；

（3）采用閉環(huán)造粒方式對(duì)氮化硅復(fù)合粉漿料進(jìn)行噴霧造粒，制得氮化硅造粒粉；

（4）將氮化硅造粒粉倒入密封環(huán)模具，然后于20～80MPa的壓力下模壓成型后進(jìn)行120～250MPa冷等靜壓處理成型，制得氧化硅環(huán)坯體；

（5）將氮化硅環(huán)坯體于1～8MPa氮?dú)鈿夥铡?750～1850℃條件下進(jìn)行燒結(jié)，制得氮化硅密封環(huán)。

進(jìn)一步地，所述步驟（2）中，采用球磨的方式將原料、黏結(jié)劑與無水乙醇混勻。

作為優(yōu)選，所述球磨時(shí)的球、料比2～3∶1。

作為優(yōu)選，所述黏結(jié)劑為聚乙二醇、聚乙烯醇羧丁醛中任意的一種或兩種。

再進(jìn)一步地，所述步驟（3）中，噴霧造粒的工藝條件為氮?dú)鈿夥?，進(jìn)口溫度150～190℃，出口溫度65～90℃。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

（1）本發(fā)明通過施加1～8MPa的氮?dú)猓种屏说韪邷叵碌姆纸?，使得氮化硅可以在較高溫度（≥1750℃）下進(jìn)行燒結(jié)；同時(shí)添加有效助燒劑（氧化鋁和氧化釔），促進(jìn)了氮化硅致密化的同時(shí)，還促使氮化硅中長柱狀β氮化硅晶粒的生長，從而極大提高氮化硅材料的力學(xué)性能。實(shí)踐表明，本發(fā)明制備得到的氮化硅密封環(huán)相對(duì)密度大于或等于99.5%，強(qiáng)度大于或等于800MPa，HV硬度大于或等于1600，斷裂韌性可達(dá)到6.5～7.5 MPa·m^1/2，因此，通過本發(fā)明制得的氮化硅制品，其不僅斷裂韌性遠(yuǎn)高于熱壓、熱等靜壓產(chǎn)品，而且制備成本遠(yuǎn)低于熱壓、熱等靜壓燒結(jié)。

（2）由于機(jī)械密封環(huán)對(duì)密封環(huán)材料組織成分的均勻性有嚴(yán)格要求，因此，為保證制品良好的成分組織均勻性，本發(fā)明采用了閉環(huán)造粒粉體處理工藝和冷等靜壓成型工藝，有助于氮化硅密封環(huán)組織成分的均勻性。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，本發(fā)明的方式包括但不僅限于以下實(shí)施例。

本發(fā)明提供了一種新型的氮化硅密封環(huán)制備工藝，其以氮化硅粉為原料，并輔以氧化鎂、氧化鋁和氧化釔作為助燒劑，實(shí)現(xiàn)氮化硅材料的高致密化燒結(jié)。本發(fā)明的具體工藝流程如下：

（1）按重量比準(zhǔn)備原料：氮化硅粉90～95%、氧化鎂0～1%、氧化鋁2～4%、氧化釔3～7%；

（2）將原料、粘結(jié)劑（聚乙二醇、聚乙烯醇羧丁醛中任意的一種或兩種）加入到無水乙醇中，然后混勻，配制成固相含量在40～50%的氮化硅復(fù)合粉料漿；所述的粘結(jié)劑的重量為原料重量的0.5～2.5%；本實(shí)施例采用球磨的方式將原料、粘結(jié)劑與無水乙醇混勻，且球、料比2～3∶1；

（3）采用閉環(huán)造粒方式對(duì)氮化硅復(fù)合粉漿料進(jìn)行噴霧造粒，制得氮化硅造粒粉；噴霧造粒的工藝條件為氮?dú)鈿夥?，進(jìn)口溫度150～190℃，出口溫度65～90℃；

（4）將氮化硅造粒粉倒入密封環(huán)模具，然后于20～80MPa的壓力下模壓成型后進(jìn)行120～250MPa冷等靜壓處理成型，制得氧化硅環(huán)坯體；

（5）將氮化硅環(huán)坯體于1～8MPa氮?dú)鈿夥铡?750～1850℃條件下進(jìn)行燒結(jié)，制得氮化硅密封環(huán)。

本發(fā)明制備得到的氮化硅密封環(huán)相對(duì)密度大于或等于99.5%，強(qiáng)度大于或等于800MPa，HV硬度大于或等于1600，斷裂韌性可達(dá)到6.5～7.5 MPa·m^1/2。下面以幾個(gè)實(shí)例對(duì)本發(fā)明的效果進(jìn)行闡述。

實(shí)例1

氮化硅粉、氧化鎂、氧化鋁、氧化釔的重量比分別為93%、4%、0.5%和2.5%，將四者組成混合粉，然后加入混合粉重量的1%的PVB混合，得到混合物。而后，按照混合物∶磨球∶無水乙醇=1∶2.5∶1.2的重量比配置磨球和無水乙醇，倒入攪拌球磨機(jī)中，球磨6小時(shí)，得到氮化硅復(fù)合粉漿料。

而后，將氮化硅復(fù)合粉漿料抽入至閉環(huán)造粒塔中進(jìn)行造粒，工藝為N₂氣氛，進(jìn)口溫度170℃，出口溫度70℃，得到氮化硅造粒粉；

將得到的氮化硅造粒粉倒入密封環(huán)模具，于20MPa模壓預(yù)成型后進(jìn)行150MPa冷等靜壓處理成型，制得高密度氮化硅密封環(huán)坯體。

最后，將上述氮化硅密封環(huán)坯體在1700℃、1MPa和1800℃、6MPa的N₂氣氛條件下完成燒結(jié)，制得氮化硅密封環(huán)。

本實(shí)例制得的氮化硅密封環(huán)，其相對(duì)密度為99.7%，強(qiáng)度大于或等于800 MPa，硬度（HV）大于或等于1650，斷裂韌性為7.0 MPa·m^1/2。

實(shí)例2

氮化硅粉、氧化鎂、氧化鋁、氧化釔的重量比分別為90%、5.5%、1%和3.5%，將四者組成混合粉，然后加入混合粉重量的1%的PVB和1%的PEG混合，得到混合物。而后，按照混合物∶磨球∶無水乙醇=1∶3∶1.5的重量比配置磨球和無水乙醇，倒入攪拌球磨機(jī)中，球磨4小時(shí)，得到氮化硅復(fù)合粉漿料。

而后，將氮化硅復(fù)合粉漿料抽入至閉環(huán)造粒塔中進(jìn)行造粒，工藝為N₂氣氛，進(jìn)口溫度185℃，出口溫度80℃，得到氮化硅造粒粉；

將得到的氮化硅造粒粉倒入密封環(huán)模具，于40MPa模壓預(yù)成型后進(jìn)行170MPa冷等靜壓處理成型，制得高密度氮化硅密封環(huán)坯體。

最后，將上述氮化硅密封環(huán)坯體在1700℃、0.5MPa和1780℃、3MPa的N₂氣氛條件下完成燒結(jié)，制得氮化硅密封環(huán)。

本實(shí)例制得的氮化硅密封環(huán)，其相對(duì)密度為99.8%，強(qiáng)度大于或等于830 MPa，硬度（HV）大于或等于1610，斷裂韌性為6.7 MPa·m^1/2。

實(shí)例3

氮化硅粉、氧化鎂、氧化鋁、氧化釔的重量比分別為95%、2.5%、1%和1.5%，將四者組成混合粉，然后加入混合粉重量的0.5%的PVB和2%的PEG混合，得到混合物。而后，按照混合物∶磨球∶無水乙醇=1∶2∶1的重量比配置磨球和無水乙醇，倒入攪拌球磨機(jī)中，球磨8小時(shí)，得到氮化硅復(fù)合粉漿料。

而后，將氮化硅復(fù)合粉漿料抽入至閉環(huán)造粒塔中進(jìn)行造粒，工藝為N₂氣氛，進(jìn)口溫度155℃，出口溫度60℃，得到氮化硅造粒粉；

將得到的氮化硅造粒粉倒入密封環(huán)模具，于60MPa模壓預(yù)成型后進(jìn)行200MPa冷等靜壓處理成型，制得高密度氮化硅密封環(huán)坯體。

最后，將上述氮化硅密封環(huán)坯體在1700℃、1.5MPa和1850℃、8MPa的N₂氣氛條件下完成燒結(jié)，制得氮化硅密封環(huán)。

本實(shí)例制得的氮化硅密封環(huán)，其相對(duì)密度為99.6%，強(qiáng)度大于或等于900 MPa，硬度（HV）大于或等于1680，斷裂韌性為7.3 MPa·m^1/2。

本發(fā)明相比現(xiàn)有工藝來說，不僅成本低廉，而且工藝流程簡單、效率高。本發(fā)明通過原料的合理選用和配比，結(jié)合設(shè)計(jì)的燒結(jié)工藝，極大提高了氮化硅材料的力學(xué)性能，充分滿足了氮化硅材料在密封環(huán)市場、特別是機(jī)械密封方面的應(yīng)用。因此，本發(fā)明技術(shù)進(jìn)步明顯，具有突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步。

上述實(shí)施例僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式之一，不應(yīng)當(dāng)用于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的主體設(shè)計(jì)思想和精神上作出的毫無實(shí)質(zhì)意義的改動(dòng)或潤色，其所解決的技術(shù)問題仍然與本發(fā)明一致的，均應(yīng)當(dāng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。