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反应烧结SiC陶瓷材料的制备及其结构与性能

束成祥  
【摘要】:近年来,以反应烧结SiC陶瓷为代表的先进结构陶瓷已广泛应用于机械密封领域。在石油、化工等行业中,输送泵、搅拌机等设备在高温高压、腐蚀、磨损的严酷条件下工作,对密封件材料的性能也提出更高的要求。为了进一步提高陶瓷密封材料的性能,需对其制备工艺、结构与性能的关系进行深入研究。陶瓷密封材料的耐磨性能关系到制品的质量及使用寿命,该方面的研究也尤为重要。 本文选用粒径为7μm的SiC粉体,采用反应烧结工艺制备致密的SiC陶瓷材料,研究了反应烧结SiC陶瓷材料的物相组成、显微组织结构、力学性能及其断裂特征,研究了主要工艺参数对反应烧结SiC陶瓷材料显微结构与力学性能的影响。采用环块式摩擦磨损方式,以某进口常压烧结SiC陶瓷为对磨环,反应烧结SiC陶瓷为摩擦块,研究反应烧结SiC陶瓷材料在干态和滴油润滑状态下的摩擦磨损性能。 当压制压力为117MPa时,SiC陶瓷素坯中的SiC颗粒和纳米炭黑粉体分布均匀,且具有三维联通的孔隙结构,有良好的Si熔渗性能。1550℃反应烧结SiC陶瓷材料中的SiC含量高,游离Si含量少,密度达到3.01g·cm-3,抗弯强度达到410MPa,洛氏硬度(HRA)达到95,综合性能达到陶瓷机械密封件的技术要求。反应烧结SiC陶瓷材料由α-SiC、β-SiC及Si三相构成。在液相Si熔渗过程中,坯体中的C向液相Si中扩散形成饱和溶液,并在α-SiC颗粒表面或缺陷处析出β-SiC,遵循溶解-沉淀机制。 反应烧结SiC陶瓷在干态下的摩擦磨损过程分为三阶段。分别为跑合阶段、稳定磨损阶段和剧烈磨损阶段。磨损机制主要是磨粒磨损和氧化磨损,摩擦系数大,磨损量大。在滴油润滑条件下,其摩擦磨损过程分为两阶段。分别为跑合阶段、稳定磨损阶段,摩擦系数小,磨损量小。陶瓷摩擦块间的油膜会降低摩擦块与对磨环的接触,减小对磨面的磨损和疲劳,磨损面不易剥落、剥落的磨粒也易被流动的润滑油带走,减少了剥蚀磨损和磨粒磨损的程度,磨损量也相应降低。载荷增加,反应烧结SiC陶瓷的磨损量及摩擦系数均增大,但在干磨损条件下,这两个数值更大。总的来说,反应烧结SiC陶瓷具有优良的耐磨性能。


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