[发明专利]一种高性能氮化硅摩擦副的制备方法

说明书

本发明公开了一种高性能氮化硅摩擦副的制备方法，该碳化硅摩擦副包含以下组分：氮化硅粉末80～85％、碳化硅晶须8～12％、烧结助剂2～5％、碳化硼粉末2～4％；摩擦副的制备方法包括以下步骤：(1)将碳化硅晶须酸化处理；(2)再将氮化硅粉末、处理后的碳化硅晶须、烧结助剂和碳化硼粉末混合均匀；(3)向混合粉末中加入水，配成料浆，将料浆球磨后放入模具中，采用半干法成型，得到坯体；(4)将所述坯体干燥后放入烧结炉进行烧结得到所述氮化硅摩擦副；通过本方法获得的氮化硅摩擦副材料高抗弯强度、高断裂韧性、高耐磨，可靠程度高，具有良好的力学性能。

技术领域

本发明属于摩擦副材料技术领域，具体是涉及到一种高性能氮化硅摩擦副的制备方法。

背景技术

摩擦副常用的材料有以下4种：

(1)硬质合金。硬质合金有很多优异的性能，如高硬度、耐磨性、耐高温、线胀系数小、摩擦系数低、组对性能好等优点。其中，钨钴合金是以碳化钨为主体，它是用粉末冶金方法压制烧结而成的，其耐磨性能比较好，是钢的15～20倍，导热率比钢高1～2倍，是机械密封不可缺少的材料。但硬质合金的缺点是脆性大、强度不够高。

(2)碳化硅材料。碳化硅具有减摩性能好、摩擦系数小、硬度高、抗氧化性等优点，使用温度可达1000℃以上，但是碳化硅，断裂韧性低，即脆性较大，一般与硬质合金组对。

(3)合金钢、高硅铁。合金钢加工制造比较容易，经过热处理后，硬度和耐磨性大大增高，成本比较低。常用的材料有3Gr13、4Gr13、9Gr18。高硅铁是一种优良的耐酸材料。对硫酸、硝酸、有机酸等介质有良好的耐腐蚀性，但不耐强碱、盐酸，硬度(HRC)为45～50。

(4)工程陶瓷。工程陶瓷具有极好的化学稳定性，硬度高，耐磨损，是耐腐蚀机械密封理想的摩擦副组对材料。但工程陶瓷的缺点是抗冲击韧性低、脆性大。

氮化硅(化学式：Si3N4，Silicon nitride)是一种共价键化合物，属于结构陶瓷材料。由于Si3N4是一种超硬物质，具有高强度、高硬度、较高断裂韧性，以及耐高温、耐磨损、耐腐蚀、热膨胀系数小、抗热冲击性好等优良性能，因此广泛应用于能源、汽车、轨道交通、机械、冶金化工、电子、航空航天、军工等现代科学技术和工业领域。

氮化硅的硬度、耐磨性能比碳化硅更好，更适合用于摩擦副，且氮化硅由于其结构特性，更适合做球形或异形件，但氮化硅的抗断裂韧性较低，较脆，易碎。

现有技术中，为改善氮化硅材料断裂韧性低、较脆、易碎的缺点，常常在氮化硅中加入其它材料，如加入碳化硅材料进行复合以改善其缺点，当氮化硅穿插在碳化硅颗粒之间并发生烧结，产生的增韧和强化作用远远优于单一材料性能。专利CN101913878B中采用SiC粉末、Si3N4粉末及烧结助剂与石蜡基多组元粘结剂混合成均匀的喂料，喂料经注射成形所得的预成形坯经溶脱、热脱、1150～1200℃预烧结后，置于真空碳管炉在1800～1900℃、Ar气氛下常压烧结，得到了尺寸复杂的SiCp/Si3N4复合陶瓷零件材料。上述反应温度高，反应相对复杂，且得到的复合材料综合力学性能一般。

专利CN106542829A中，利用固相反应法合成碳化硅晶须/碳化硅颗粒复合粉，并进一步通过烧结获得SiC晶须/SiC颗粒协同增韧氮化硅多孔陶瓷的方法，所得到的SiC晶须/SiC颗粒协同增韧氮化硅多孔陶瓷，气孔率40％，抗弯强度56.46MPa，断裂韧性2.06MPa·m^1/2。该材料虽然断裂韧性有所提高，但是气孔率大，硬度、强度等力学性能较低，不适于制备摩擦副材料。

因此，如何获得在高温下高抗弯强度、高断裂韧性、高耐磨的氮化硅材料是当前研究的难点，如果能改善氮化硅材料的在力学性能上的缺点，简化制备方法，将进一步拓展氮化硅材料的应用。

发明内容