[发明专利]一种高耐磨、自润滑碳化硅陶瓷材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高耐磨、自润滑碳化硅陶瓷材料的制备方法。

技术背景

碳化硅陶瓷材料具有许多优异的性能，如高强度、高硬度、高密度、高比模量以及良好的高温性能和耐磨性等，而且其热膨胀系数小，抗冲击好，可广泛应用于现代国防、核能、空间技术和汽车工业、海洋工程的迅速发展，对火箭燃烧室内衬、飞机涡轮发动机叶片、核反应堆结构部件、高速气动轴承和机械密封件等领域。目前，利用碳化硅陶瓷材料的高硬、耐磨损、耐酸碱腐蚀特性，可用其制备新一代的机械密封材料，如滑动轴承、耐腐蚀的管道、阀片和风机叶片；用碳化硅陶瓷材料制成的砂泵及水力旋流器，具有很好的耐磨性能，用碳化硅陶瓷材料制成的缸套等耐磨件可广泛用于石油和化工等行业机械，可作为高温热机械用材料；碳化硅陶瓷材料由于具有良好的高温特性，如高温抗氧化、高温强度高、蠕变性小、热传导性好以及密度低，被首选为热机械的耐高温部件，诸如：作高温燃汽轮机的燃烧室、涡轮的静叶片、高温喷嘴等；用碳化硅制成活塞与气缸套用于无润滑油无冷却的柴油机上，可减少摩擦30～50％，噪声明显降低；在军事方面，用碳化硅陶瓷材料与其他材料一起组成的燃烧室及喷嘴，已用于火箭技术中，碳化硅陶瓷材料轻量化反射镜已经在空间技术中大量使用。但是，碳化硅陶瓷材料脆性大、强度及韧性差等固有物理特性在很大程度上限制了它在干切削上的应用，其主要存在抗弯强度低、切削中易损坏、造成用它切削砂轮时的切削深度和进给量很小等弊端。

碳化硅陶瓷材料常采用在基体中添加固体润滑剂后进行烧结而成，从而实现其自润滑性能。邬国平等提出石墨复合碳化硅陶瓷材料的制备采用传统的陶瓷制备工艺，在陶瓷粉体合成阶段，将一定尺寸的石墨颗粒以混料的形式引入基体中，通过造粒、干压成型后烧结成而成，这主要是石墨的存在降低了摩擦表面之间的摩擦系数。此外，桑可正等提出采用第二相粒子复合碳化硅制备碳化硅基复合材料，其利用游离Si可降低磨损界面摩擦系数的原理，采用反应烧结法制得Si/SiC-Ni陶瓷材料。近年来，随着表面工程技术的发展，一些表面技术逐渐应用于改善SiC陶瓷材料的自润滑性能，应用最多的是离子注入技术。Itoh报道，注入Ar⁺或Ag⁺的SiC陶瓷在与SuJ₂钢对摩时，摩擦系数从未注入时0.60降至0.15，而且离子注入还使钢的磨损率降低到未注入时的1/5；这是因为离子注入使SiC陶瓷表面形成了无定形的含碳软膜，这层膜可以起减磨作用。但由于上述陶瓷材料制造工艺复杂，尤其是很难将细小的自润滑颗粒弥散在碳化硅基体中，从而限制了此类陶瓷材料的自润滑能力，极大的降低了耐磨部件的使用寿命和工作可靠性，且材料制备成本偏高。另外，通过表面改性技术制得的表面改性层通常很薄，限制了陶瓷材料在重载条件下的应用。

针对上述碳化硅陶瓷材料的问题，本发明提出了一种高耐磨、自润滑碳化硅陶瓷材料的制备方法，采用电磁场辅助CVI/CVD在碳化硅上沉积热解炭，所制备的碳化硅陶瓷材料有效地解决了其作为切削材料和机械密封材料时的不足。

发明内容

本发明针对碳化硅陶瓷材料作为切削材料和机械密封材料时的不足，所提出的解决方案是基于一种在基体自身产生的电磁场作用下沉积热解炭的思想，有效地减少了碳化硅陶瓷材料的孔隙，显著提高了碳化硅陶瓷材料的润滑性和密封性。本发明所提出的一种高耐磨、自润滑碳化硅陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将碳化硅陶瓷材料进行预处理；

(2)将步骤(1)中的碳化硅陶瓷材料放入以丙烯作为碳源气体、氮气作为稀释气体的电磁场辅助CVI/CVD炉中，在自限温热壁发热体系和变流电夹板式自发热体的共同作用下，在一定温度、压强条件下，利用电磁场辅助，对极化裂解的丙烯带电自由基进行场力加速吸附沉积；

(3)将步骤(2)中沉积好的碳化硅陶瓷材料随炉冷却至室温，取出碳化硅材料。

本发明所述步骤(1)中碳化硅陶瓷材料预处理包括在超声波作用下用洗涤、烘干。

本发明所述超声波清洗所用的溶液包括乙醇、丙酮等

本发明所述步骤(2)中丙烯和氮气的纯度均在98％以上，丙烯和氮气按一定流量比通入炉体内，其中二者的流量比在1∶3～3∶1之间。

本发明所述步骤(2)中沉积温度在700～1200℃，沉积压强在1～12Kpa，沉积时间4～20h。