本發明涉及一種高性能氮化硅密封環的制備方法。

背景技術：

機械密封中，動靜密封環往往需要抵御固體顆粒的沖刷撞擊、高轉速、高壓力帶來的密封面密封參數不穩定、基體結構件被腐蝕等不利因素的影響。為滿足機械密封低磨損、長壽命要求，往往需要密封環材料具有高硬度、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材料，相比于硬質合金密封環具有密度低、耐腐蝕等優點，比氧化鋁陶瓷密封環、碳化硅密封環具有高的強度、高的斷裂韌性以及優異的耐磨損性能，尤其在水或醇類介質條件下，氮化硅密封環由于摩擦表面能形成SiO膜，具有良好的自潤滑性，摩擦系數小、磨損率低，具有優異的耐磨性和長的使用壽命。

由于氮化硅材料自擴散系數低，本身燒結困難，往往需要高溫（大于1900℃）或者高壓才能燒結致密，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主要通過熱壓、熱等靜壓燒結制備而成。熱壓、熱等靜壓燒結通過在制品燒結過程中對制品施加壓力促進材料的致密化（熱壓施加的是軸向機械力，熱等靜壓是通過200MPa壓力的氣體均勻加壓）。但是熱壓、熱等靜壓燒結不僅需要昂貴復雜的燒結設備，且燒結成本（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市場上的應用。

技術實現要素：

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

為實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：

一種高性能氮化硅密封環的制備方法，包括以下步驟：

（1）按下列重量比準備原料：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%的氮化硅復合粉料漿；所述的黏結劑的重量為原料重量的0.5～2.5%；

（3）采用閉環造粒方式對氮化硅復合粉漿料進行噴霧造粒，制得氮化硅造粒粉；

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

（5）將氮化硅環坯體于1～8MPa氮氣氣氛、1750～1850℃條件下進行燒結，制得氮化硅密封環。

進一步地，所述步驟（2）中，采用球磨的方式將原料、黏結劑與無水乙醇混勻。

作為優選，所述球磨時的球、料比2～3∶1。

作為優選，所述黏結劑為聚乙二醇、聚乙烯醇羧丁醛中任意的一種或兩種。

再進一步地，所述步驟（3）中，噴霧造粒的工藝條件為氮氣氣氛，進口溫度150～190℃，出口溫度65～90℃。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

（1）本發明通過施加1～8MPa的氮氣，抑制了氮化硅高溫下的分解，使得氮化硅可以在較高溫度（≥1750℃）下進行燒結；同時添加有效助燒劑（氧化鋁和氧化釔），促進了氮化硅致密化的同時，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性能。實踐表明，本發明制備得到的氮化硅密封環相對密度大于或等于99.5%，強度大于或等于800MPa，HV硬度大于或等于1600，斷裂韌性可達到6.5～7.5 MPa·m^1/2，因此，通過本發明制得的氮化硅制品，其不僅斷裂韌性遠高于熱壓、熱等靜壓產品，而且制備成本遠低于熱壓、熱等靜壓燒結。

（2）由于機械密封環對密封環材料組織成分的均勻性有嚴格要求，因此，為保證制品良好的成分組織均勻性，本發明采用了閉環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組織成分的均勻性。

具體實施方式

下面結合實施例對本發明作進一步說明，本發明的方式包括但不僅限于以下實施例。

本發明提供了一種新型的氮化硅密封環制備工藝，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，實現氮化硅材料的高致密化燒結。本發明的具體工藝流程如下：

（1）按重量比準備原料：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%的氮化硅復合粉料漿；所述的粘結劑的重量為原料重量的0.5～2.5%；本實施例采用球磨的方式將原料、粘結劑與無水乙醇混勻，且球、料比2～3∶1；

（3）采用閉環造粒方式對氮化硅復合粉漿料進行噴霧造粒，制得氮化硅造粒粉；噴霧造粒的工藝條件為氮氣氣氛，進口溫度150～190℃，出口溫度65～90℃；

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

（5）將氮化硅環坯體于1～8MPa氮氣氣氛、1750～1850℃條件下進行燒結，制得氮化硅密封環。

本發明制備得到的氮化硅密封環相對密度大于或等于99.5%，強度大于或等于800MPa，HV硬度大于或等于1600，斷裂韌性可達到6.5～7.5 MPa·m^1/2。下面以幾個實例對本發明的效果進行闡述。

實例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，倒入攪拌球磨機中，球磨6小時，得到氮化硅復合粉漿料。

而后，將氮化硅復合粉漿料抽入至閉環造粒塔中進行造粒，工藝為N₂氣氛，進口溫度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模具，于20MPa模壓預成型后進行150MPa冷等靜壓處理成型，制得高密度氮化硅密封環坯體。

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

本實例制得的氮化硅密封環，其相對密度為99.7%，強度大于或等于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，倒入攪拌球磨機中，球磨4小時，得到氮化硅復合粉漿料。

而后，將氮化硅復合粉漿料抽入至閉環造粒塔中進行造粒，工藝為N₂氣氛，進口溫度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模具，于40MPa模壓預成型后進行170MPa冷等靜壓處理成型，制得高密度氮化硅密封環坯體。

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

本實例制得的氮化硅密封環，其相對密度為99.8%，強度大于或等于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，倒入攪拌球磨機中，球磨8小時，得到氮化硅復合粉漿料。

而后，將氮化硅復合粉漿料抽入至閉環造粒塔中進行造粒，工藝為N₂氣氛，進口溫度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模具，于60MPa模壓預成型后進行200MPa冷等靜壓處理成型，制得高密度氮化硅密封環坯體。

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

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

本發明相比現有工藝來說，不僅成本低廉，而且工藝流程簡單、效率高。本發明通過原料的合理選用和配比，結合設計的燒結工藝，極大提高了氮化硅材料的力學性能，充分滿足了氮化硅材料在密封環市場、特別是機械密封方面的應用。因此，本發明技術進步明顯，具有突出的實質性特點和顯著的進步。

上述實施例僅為本發明的優選實施方式之一，不應當用于限制本發明的保護范圍，凡在本發明的主體設計思想和精神上作出的毫無實質意義的改動或潤色，其所解決的技術問題仍然與本發明一致的，均應當包含在本發明的保護范圍之內。