本發(fā)明涉及一種氮化硅密封環(huán)的制備方法。
背景技術(shù)：
氮化硅陶瓷由于其良好的力學(xué)性能和優(yōu)異的自潤滑性被作為密封件使用。目前，國內(nèi)氮化硅材料主要由反應(yīng)燒結(jié)、熱壓和熱等靜壓燒結(jié)工藝制備。反應(yīng)燒結(jié)制得的制品含有較多氣孔，相對(duì)密度不到85%，且力學(xué)性能低下、強(qiáng)度較低，僅為150～350 MPa。而熱壓、熱等靜壓燒結(jié)不僅需要昂貴的燒結(jié)設(shè)備及輔助耗材（如包套等），而且燒結(jié)成本高（高溫高壓所需的水、電、氣等），導(dǎo)致產(chǎn)品制造成本高，嚴(yán)重遏制了氮化硅材料在密封環(huán)市場上的應(yīng)用。
并且，氮化硅材料自擴(kuò)散系數(shù)低，本身燒結(jié)困難，且在高溫下極其容易分解，往往需要高高壓才能燒結(jié)致密。
因此，有必要研發(fā)一種低氣壓下即可完成氮化硅材料高致密化燒結(jié)的新工藝。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種氮化硅密封環(huán)的制備方法，其只需在0.1MPa（大氣壓壓力）、N2的氣氛下即可完成氮化硅材料的高致密化燒結(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85～93%、氧化鎂0.5～3%、氧化鋁3～7%、氧化釔3～8%；
（2）將原料加入到作為粉體分散介質(zhì)的無水乙醇中，然后混勻，配制成固相含量在50～65%的氮化硅復(fù)合粉料漿；
（3）對(duì)氮化硅復(fù)合粉料漿進(jìn)行真空干燥，然后過80目篩，得到干燥粉；
（4）將預(yù)先配好的膠加入至過篩后的干燥粉中混合，然后均勻過60目篩，得到氧化硅造粒粉；所述的膠由粘結(jié)劑和無水乙醇組成，其中，黏結(jié)劑含量為干燥粉重量的1～4%，無水乙醇含量為干燥粉重量的12～20%；
（5）將氮化硅造粒粉倒入密封環(huán)模具，然后于100～170MPa的壓力下模壓成型，制得氧化硅環(huán)坯體；
（6）將氮化硅環(huán)坯體裝入石墨坩堝，并埋入由添加劑、BN和氮化硅組成的混合粉，然后在常壓燒結(jié)爐中，于氮?dú)鈿夥铡?680～1740℃條件下保溫1～3小時(shí)燒結(jié)，制得氮化硅密封環(huán)；所述的添加劑、BN、淡化硅分別占混合粉重量的5～12%、40～60%和28～55%。
進(jìn)一步地，所述步驟（2）中，采用球磨的方式將原料與無水乙醇混勻。
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，將氮化硅復(fù)合粉料漿放入真空干燥箱中，并于85℃以上的溫度進(jìn)行真空干燥。
具體地說，所述添加劑由重量比為1～3∶2～5∶2～4的氧化鎂、氧化鋁和氧化釔組成。
更進(jìn)一步地，所述步驟（4）中，膠的制備過程為：將粘結(jié)劑倒入無水乙醇中，并于90℃的水浴條件下，加熱至粘結(jié)劑與無水乙醇完全溶解。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：
本發(fā)明通過添加助燒劑（氧化鎂、氧化鋁及稀土氧化物）對(duì)氮化硅燒結(jié)的助燒作用，有效降低了氮化硅致密化的燒結(jié)溫度，同時(shí)通過埋粉工藝調(diào)節(jié)燒結(jié)的氣氛，有效抑制氮化硅在高溫下的分解，使得整個(gè)氮化硅材料在常壓爐下即可完成致密化燒結(jié)。實(shí)踐表明，本發(fā)明制備的氮化硅密封環(huán)，不僅性能指標(biāo)遠(yuǎn)高于反應(yīng)燒結(jié)（制得的氮化硅密封環(huán)相對(duì)密度大于或等于98%，強(qiáng)度大于650 MPa，HRA硬度可達(dá)到90～92，斷裂韌性可達(dá)到4.5～6 MPa·m1/2），而且由于參數(shù)條件較為常規(guī)，因而制備成本也遠(yuǎn)低于熱壓、熱等靜壓燒結(jié)工藝。
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85～93%、氧化鎂0.5～3%、氧化鋁3～7%、氧化釔3～8%；
（2）將原料加入到作為粉體分散介質(zhì)的無水乙醇中，然后混勻，配制成固相含量在50～65%的氮化硅復(fù)合粉料漿；本實(shí)施例采用球磨的方式將原料與無水乙醇混勻，且球、料比2～3∶1；
（3）將氮化硅復(fù)合粉料漿放入真空干燥箱中，于85℃以上的條件下進(jìn)行真空干燥，然后過80目篩，得到干燥粉；
（4）將預(yù)先配好的膠加入至過篩后的干燥粉中混合，然后均勻過60目篩，得到氧化硅造粒粉；所述的膠由粘結(jié)劑（聚乙二醇、聚乙烯醇羧丁醛中任意的一種或兩種）和無水乙醇組成，其中，粘結(jié)劑含量為干燥粉重量的1～4%，無水乙醇含量為干燥粉重量的12～20%；
（5）將氮化硅造粒粉倒入密封環(huán)模具，然后于100～170MPa的壓力下模壓成型，制得氧化硅環(huán)坯體；
（6）將氮化硅環(huán)坯體裝入石墨坩堝，并埋入由添加劑（由重量比為1～3∶2～5∶2～4的氧化鎂、氧化鋁和氧化釔組成）、BN和氮化硅組成的混合粉，然后在常壓燒結(jié)爐中，于氮?dú)鈿夥铡?680～1740℃條件下保溫1～3小時(shí)燒結(jié)，制得氮化硅密封環(huán)；所述的添加劑、BN、氮化硅分別占混合粉重量的5～12%、40～60%和28～55%。
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98%，強(qiáng)度大于650 MPa，HRA硬度可達(dá)到90～92，斷裂韌性可達(dá)到4.5～6 MPa·m1/2。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%、3.5%、0.5%和3%，將四者組成混合粉，然后按照混合粉∶磨球∶無水乙醇=1∶2.5∶0.6的重量比配置磨球和無水乙醇，并將上述混合粉末、磨球和無水乙醇倒入球磨罐中，球磨48小時(shí)，得到氮化硅復(fù)合粉漿料。
而后，將氮化硅復(fù)合粉漿料在真空烘箱中，于90℃的條件下烘干，并過80目篩。接著，按烘干過篩的混合粉重量比1%稱量PVB，按烘干過篩的混合粉重量比16%稱量無水乙醇，并將稱量好的PVB倒入無水乙醇中，于90℃水浴條件下加熱至PVB與無水乙醇完全溶解，制得溶膠。
將膠倒入烘干過篩的混合粉中，手動(dòng)混合均勻后過60目篩，得到氮化硅造粒粉，然后倒入密封環(huán)模具，于170MPa模壓成型制得氮化硅密封環(huán)坯體。
最后，將上述氮化硅密封環(huán)坯體裝入坩堝，并填入埋粉（埋粉組成為重量比為1%的氧化鎂+2%的氧化鋁+2%的氧化釔+40%的BN+55%的Si3N4混合粉），然后在1735℃、常壓、N2氣氛條件下，保溫2小時(shí)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98.6%，強(qiáng)度為700 MPa，硬度（HRA）為92，斷裂韌性為5.4 MPa·m1/2。
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，然后按照混合粉∶磨球∶無水乙醇=1∶3∶0.9的重量比配置磨球和無水乙醇，并將上述混合粉末、磨球和無水乙醇倒入球磨罐中，球磨56小時(shí)，得到氮化硅復(fù)合粉漿料。
而后，將氮化硅復(fù)合粉漿料在真空烘箱中，于90℃的條件下烘干，并過80目篩。接著，按烘干過篩的混合粉重量比1%分別稱量PVB、PEG，按烘干過篩的混合粉重量比16%稱量無水乙醇，并將稱量好的PVB、PEG倒入無水乙醇中，于90℃水浴條件下加熱至PVB、PEG與無水乙醇完全溶解，制得溶膠。
將膠倒入烘干過篩的混合粉中，手動(dòng)混合均勻后過60目篩，得到氮化硅造粒粉，然后倒入密封環(huán)模具，于150MPa模壓成型制得氮化硅密封環(huán)坯體。
最后，將上述氮化硅密封環(huán)坯體裝入坩堝，并填入埋粉（埋粉組成為重量比為2%的氧化鎂+4%的氧化鋁+4%的氧化釔+50%的BN+40%的Si3N4混合粉），然后在1720℃、常壓、N2氣氛條件下，保溫3小時(shí)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98.6%，強(qiáng)度為740 MPa，硬度（HRA）為91，斷裂韌性為6.0 MPa·m1/2。
實(shí)例3
氮化硅粉、氧化鎂、氧化鋁、氧化釔的重量比分別為85%、7.5%、2.5%和5%，將四者組成混合粉，然后按照混合粉∶磨球∶無水乙醇=1∶2∶1的重量比配置磨球和無水乙醇，并將上述混合粉末、磨球和無水乙醇倒入球磨罐中，球磨90小時(shí)，得到氮化硅復(fù)合粉漿料。
而后，將氮化硅復(fù)合粉漿料在真空烘箱中，于90℃的條件下烘干，并過80目篩。接著，按烘干過篩的混合粉重量比3%稱量PEG，按烘干過篩的混合粉重量比20%稱量無水乙醇，并將稱量好的PEG倒入無水乙醇中，于90℃水浴條件下加熱至PEG與無水乙醇完全溶解，制得溶膠。
將膠倒入烘干過篩的混合粉中，手動(dòng)混合均勻后過60目篩，得到氮化硅造粒粉，然后倒入密封環(huán)模具，于120MPa模壓成型制得氮化硅密封環(huán)坯體。
最后，將上述氮化硅密封環(huán)坯體裝入坩堝，并填入埋粉（埋粉組成為重量比為3%的氧化鎂+5%的氧化鋁+4%的氧化釔+60%的BN+28%的Si3N4混合粉），然后在1680℃、常壓、N2氣氛條件下，保溫1小時(shí)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98.2%，強(qiáng)度為675 MPa，硬度（HRA）為91，斷裂韌性為4.7MPa·m1/2。
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，在0.1MPa（大氣壓壓力）、N2的氣氛下即可完成氮化硅材料的高致密化燒結(jié)。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，很好地解決了氮化硅材料難以實(shí)現(xiàn)高致密化燒結(jié)的問題，充分發(fā)揮了其力學(xué)性能和自潤滑的特性，極大地滿足了氮化硅材料在密封環(huán)市場上的應(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)。