專利名稱：包含夾雜物的陶瓷部件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及陶瓷材料，更具體地涉及含有潤滑性材料夾雜物的陶瓷體及其制造方法。
背景技術(shù)：
雖然已發(fā)現(xiàn)陶瓷材料如碳化硅由于其特性如耐腐蝕性和耐磨損性而具體應(yīng)用于各種工業(yè)用途，但這些陶瓷制品對有些用途常常沒有足夠的潤滑性能。因此，尤其是在碳化硅陶瓷體領(lǐng)域，已經(jīng)加入石墨來改善摩擦性能，尤其是較高溫度下的潤滑性能。這些陶瓷部件已經(jīng)實際用于多種用途，包括在干燥環(huán)境和潮濕環(huán)境中用作密封件，如汽車泵的密封件。
通過各種技術(shù)制造了加有石墨的碳化硅體。例如，通過稱為反應(yīng)結(jié)合方法，形成該碳化硅體，其中，前體通常是碳與熔化的硅在高溫操作期間反應(yīng)，形成碳化硅。這種反應(yīng)粘結(jié)體通常還包含石墨碳作為第二相，他在反應(yīng)以后保留在陶瓷體中。
另一種技術(shù)利用直接固態(tài)燒結(jié)法，通常是通過粉末加工技術(shù)形成的生坯的無壓燒結(jié)或加壓燒結(jié)。
雖然上述制造技術(shù)和所得加有石墨的碳化硅體代表了需要高度潤滑性能的陶瓷部件的改善，但是本領(lǐng)域仍然需要進一步改善的陶瓷部件及其制造方法。
發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明的第一個實施例，提供了一種陶瓷部件，包括具有許多夾雜物的燒結(jié)陶瓷體。從含有第一陶瓷材料的組合物形成陶瓷體。此外，夾雜物包括石墨和第二陶瓷材料。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，提供了一種陶瓷部件，包括其中有許多夾雜物的燒結(jié)陶瓷體。該燒結(jié)陶瓷體包含第一陶瓷材料，每個夾雜物包含潤滑性材料形成的第一相和第二陶瓷材料形成的第二相。
根據(jù)再一個實施例，提供了形成陶瓷部件的方法。該方法包括提供第一陶瓷材料，形成包含石墨和第二陶瓷材料的顆粒，形成包含第一陶瓷材料和所述顆粒的生坯，再燒結(jié)該生坯。
附圖簡要說明結(jié)合附圖，可以更好地理解本發(fā)明，并且通過這些附圖，本發(fā)明的許多目的、特征和優(yōu)點對本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯而易見的。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例提供陶瓷部件的具體制造技術(shù)的工藝流程圖。
圖2描述陶瓷部件的結(jié)構(gòu)，顯示該陶瓷部件中的夾雜物。
不同圖中的相同數(shù)字表示相似或相同的部分。
具體實施例方式
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，提供了各種形成陶瓷體，具體是含潤滑性材料和/或石墨的陶瓷體的技術(shù)，以及由此技術(shù)形成的陶瓷體。在這方面，圖1顯示了一種根據(jù)本發(fā)明實施例形成陶瓷體的方法。首先，在混合步驟110中，各種材料混合在一起。通常，將各種材料混合在一起形成漿液，材料中有碳化硅112，通常是細小顆粒的粉末形式，還有石墨碳114，通常也是細小顆粒的粉末形式。如本領(lǐng)域所理解的，碳的石墨形式具有特殊的板狀或?qū)訝罹w結(jié)構(gòu)，其中，石墨層中的碳原子通過強的方向性共價鍵結(jié)合，呈六角陣列，而弱的范德華力提供各層之間的結(jié)合。主要是晶體結(jié)構(gòu)提供石墨的潤滑性能。碳化硅可是α、β碳化硅或α和β碳化硅的混合物。
碳材料的粒徑可廣泛變化，例如從亞微米到大約30微米，最常見約1到約20微米。相似地，碳化硅的粒徑也可變化，如大約0.1微米到約20微米，通常為約0.05微米到約5.0微米。一些具體實施例使用的碳化硅粉末的粒徑約為1微米。
并且，可在混合物中加入燒結(jié)添加劑和/或加工添加劑116，以及任何形式的粘合劑118和液體120。示例性燒結(jié)助劑包括基于硼和碳的燒結(jié)助劑。具體例子包括以B4C形式加入的硼，而碳燒結(jié)助劑可來源于任何含碳聚合物如酚醛樹脂。示例性的濃度是0.5重量％的硼和3.0重量％的碳。通過減少酚醛樹脂，碳的重量百分比可降低到大約1.0-2.0重量％。然而，在這種情況下，必須另外加入粘合劑以增加生坯強度。典型地，液體120是水，形成水性混合液，也稱為漿液。碳化硅112存在的范圍是碳化硅112和石墨114總量的約5重量％-65重量％，使得石墨存在的范圍是碳化硅和石墨總量的約35重量％-95重量％。最典型地，碳化硅存在的量約為10重量％-50重量％，余量基本上是石墨。
混合步驟110中形成了穩(wěn)定的漿液后，將漿液進行造粒，形成含有主要成分碳化硅112和石墨114，以及所有加工/燒結(jié)添加劑116和粘合劑118的復(fù)合漿液。可采用多種技術(shù)進行步驟122的造粒過程，最常用的技術(shù)是噴霧干燥，如本領(lǐng)域所公知的那樣。除了噴霧干燥，還可通過澆注如滴流澆注形成復(fù)合顆粒，同樣如本領(lǐng)域所公知的那樣。
進行造粒步驟，要使復(fù)合顆粒的平均尺寸范圍約為10微米-400微米，典型地約為10微米-200微米，甚至是更典型地，約為20微米-150微米。復(fù)合顆粒是含有碳化硅原材料和石墨原材料兩種主要物相的穩(wěn)定的聚集物。
在形成復(fù)合顆粒之后，在混合步驟124中，將顆粒與另外的組分混合。與混合步驟110一樣，將燒結(jié)/加工添加劑、粘合劑和液體(一般是水)混合，形成含有來自造粒步驟112的復(fù)合顆粒的漿液。此外，再將碳化硅加入到漿液中。碳化硅126可由與碳化硅112基本相同的材料形成。如上所述，碳化硅通常是粉末形式，可包括α碳化硅、β碳化硅或是它們的混合物。混合物中復(fù)合顆粒的相對重量百分比通常不大于碳化硅126和復(fù)合顆?？偭康募s35重量％。因此，復(fù)合顆粒，成形夾雜物，通常構(gòu)成本發(fā)明實施例陶瓷部件最終形式的不大于約35重量％。最典型地，存在的復(fù)合顆粒的量不大于約25重量％，通常在約5重量％-25重量％范圍內(nèi)。
由混合步驟124形成漿液后，通常以步驟122相似的方式在步驟128中造粒，形成第二顆粒。如造粒步驟122所述，通常通過噴霧干燥進行步驟128的造粒過程，雖然也可進行其它形式的造粒過程。從造粒步驟128得到的第二顆粒通常包含SiC/C復(fù)合顆粒，用來自SiC來源126的SiC厚厚地包覆。
或者，混合步驟124可在完全干燥的狀態(tài)下完成，包括將碳化硅材料126與來自步驟122的復(fù)合顆粒混合形成密切的干燥混合物，用于后續(xù)的成形步驟130中的成形。這樣，省去了造粒步驟128，并且，通常碳化硅126也是以顆粒的形式與來自步驟122的復(fù)合顆粒均勻混合。在這種情況下，與步驟122形成的復(fù)合顆粒類似，形成碳化硅126的顆粒通常含有所需的燒結(jié)/加工添加劑和粘合劑。
在成形步驟130中，使步驟124形成的干混合物或步驟128形成的顆粒產(chǎn)物進行成形，形成生坯，用于步驟132的燒結(jié)。可采用多種成形技術(shù)，最常用的包括壓制，如室溫下的模壓，也稱為冷壓。冷等靜壓(CIP)、擠壓、噴射模制法和凝膠澆注法是在燒結(jié)前用來形成生坯的其它技術(shù)。成形后，在步驟132中燒結(jié)該生坯使其致密化?？赏ㄟ^無壓燒結(jié)進行燒結(jié)步驟，例如在溫度范圍約為1850℃-2350℃，如約1950℃-2200℃下進行。也可在施加壓力的環(huán)境中，例如熱壓和高溫等靜壓，進行生坯的燒結(jié)。在這種情況下，由于壓力的施加，可降低燒結(jié)溫度，由此在較低的溫度下進行致密化過程。可在惰性環(huán)境，如惰性氣體或氮氣中進行燒結(jié)。
上述工藝流程得到的陶瓷部件通常包含形成燒結(jié)陶瓷體的總的連續(xù)基質(zhì)相，該總的連續(xù)基質(zhì)相具有包含混合步驟124中加入的陶瓷材料的組合物。在上述實施例中，該材料是碳化硅126。雖然上述實施例著重于形成含有包含碳化硅的組合物的陶瓷體，但是，也可根據(jù)陶瓷部件的最終用途，使用其它基質(zhì)材料如氧化鋯(ZrO2)、氧化鋁(Al2O3)和它們的混合物。最典型地，混合步驟110中與石墨114一起加入的陶瓷材料通常與混合步驟124中加入的陶瓷材料相同。根據(jù)上述實施例，該相同的材料是碳化硅，但是如上所述，也可采用氧化鋯和氧化鋁。
而且，某些實施例可考慮采用用于形成復(fù)合顆粒的前體材料，該前體材料是所需最終陶瓷材料的前體。例如，可用二氧化硅(SiO2)代替碳化硅112，二氧化硅在高溫?zé)Y(jié)過程中轉(zhuǎn)化為碳化硅。
燒結(jié)后形成的陶瓷部件具有分散于陶瓷體總的基質(zhì)相中的許多夾雜物，每個夾雜物包含石墨相和陶瓷相，并形成富含石墨的區(qū)域。在上述實施例中，夾雜物的陶瓷相是碳化硅。在最終形成的陶瓷部件中可容易地檢出該夾雜物，例如通過各種已知檢測技術(shù)的任何一種，包括掃描電鏡。夾雜物的平均尺寸通常約為10-400微米，例如約為20-200微米。在有些實施例中，夾雜物的平均尺寸約為30-150微米，尤其有效的實施例中發(fā)現(xiàn)夾雜物為75-100微米。
這種該陶瓷部件一般具有較高的密度，大于理論密度的約85％，最典型地大于理論密度的約90％。有些實施例中顯示甚至更高的密度，例如大于理論密度的93％，甚至大于理論密度的95％。
通常，陶瓷部件中石墨的總含量約為2重量％-20重量％，例如約為5重量％-15重量％。根據(jù)本發(fā)明的一個具體特征，夾雜物本質(zhì)上具有一種包含陶瓷材料如碳化硅112形成的第一相的多相結(jié)構(gòu)，該多相結(jié)構(gòu)形成一種具有骨架結(jié)構(gòu)的相互連接的夾雜物基質(zhì)相，有石墨嵌入其中。夾雜物的陶瓷材料骨架結(jié)構(gòu)或連續(xù)基質(zhì)相有利地將石墨(或其它潤滑性材料)錨定在每個夾雜物中，改善了石墨的機械穩(wěn)定性。就此可參見圖2，該圖顯示了陶瓷部件1，該陶瓷部件是個燒結(jié)的陶瓷體，具有總的基質(zhì)相10的，其中，嵌入了許多夾雜物12。每個夾雜物12包含連續(xù)的基質(zhì)相14，其中，嵌入石墨16。在上述實施例中，總的基質(zhì)相10和夾雜物12中連續(xù)的基質(zhì)相都是由碳化硅構(gòu)成。
此外，根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，加入陶瓷材料以形成陶瓷/石墨的顆粒，該陶瓷/石墨的顆粒最終形成夾雜物12，有助于陶瓷部件的燒結(jié)和致密化。具體地說，發(fā)現(xiàn)單相石墨顆粒往往在燒結(jié)過程中作為釘扎中心，妨礙陶瓷部件的所需收縮和孔隙率的降低。因此，單相石墨顆粒往往妨礙有效的燒結(jié)。含陶瓷相如碳化硅的復(fù)合顆粒的使用可使夾雜物收縮，因而減弱單相石墨的釘扎作用。因此，可得到上述較高的密度，甚至具有本文所述較高的石墨含量。為了清楚地說明，陶瓷/石墨顆粒的陶瓷材料以未燒結(jié)的形式存在，例如上述粉末形式，有利于總的基質(zhì)相在燒結(jié)和致密化過程中的收縮和致密化。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所得陶瓷部件可特別用作密封件，例如實際用于汽車的水泵密封件。該密封件可呈現(xiàn)多種幾何構(gòu)造的任何一種，常見的是環(huán)形，其外形匹配所要進行密封的部件的外形，其內(nèi)部周邊可通過液體，包括氣體和液體。
實施例實施例1制備了1Kg批料，含有925g Hexoloy SA碳化硅和75g合成石墨(d50＝6μm)，形成含92.5％ SiC和7.5％石墨的批料。具體過程如下所述。
將一定量含75g固體的Hexoloy SA漿液與含75g固體的合成石墨粉末漿液混合。將粘合劑、表面活性劑和聚合物碳源材料加入到所混合的漿液中，并混合，然后進行噴霧干燥。
將第二個一定量含850g固體的Hexoloy SA漿液與含150g固體的上述制備的噴霧干燥物質(zhì)的漿液混合。將粘合劑、表面活性劑和聚合物碳源材料加入到所混合的漿液中，并混合。然后，噴霧干燥該混合漿液，得到最終的批料產(chǎn)物。
制備了批料后，形成生坯，干燥，并根據(jù)美國專利4,179,299公開的工藝進行燒結(jié)。即在靜態(tài)的Ar氣體中，2200℃對生坯燒結(jié)1小時，形成燒結(jié)體。
表1比較了上述實施例1和對比例1的密度、摩擦性能和磨損性能，對比例是來自Saint-Gobain Ceramics and Plastics的現(xiàn)有技術(shù)碳化硅材料，稱為Hexoloy SA。

權(quán)利要求
1.一種陶瓷部件，包含由含第一陶瓷材料的組合物形成的燒結(jié)的陶瓷體；和陶瓷體中的許多夾雜物，每個夾雜物包含石墨和第二陶瓷材料，其中，第二陶瓷材料與第一陶瓷材料是相同的材料。
2.如權(quán)利要求1所述的陶瓷部件，其特征在于，所述第一和第二陶瓷材料包含選自下組的材料SiC、ZrO2、B4C、AlN、Al2O3以及它們的混合物。
3.如權(quán)利要求1所述的陶瓷部件，其特征在于，所述第一和第二陶瓷材料包含SiC。
4.如權(quán)利要求1所述的陶瓷部件，其特征在于，所述第一和第二陶瓷材料包含αSiC。
5.如權(quán)利要求1所述的陶瓷部件，其特征在于，所述第二陶瓷材料包含SiC，其是在燒結(jié)過程中由SiO2轉(zhuǎn)化為SiC而形成的。
6.如權(quán)利要求1所述的陶瓷部件，其特征在于，所述夾雜物的平均尺寸約為10-400微米。
7.如權(quán)利要求6所述的陶瓷部件，其特征在于，所述夾雜物的平均尺寸約為20-200微米。
8.如權(quán)利要求7所述的陶瓷部件，其特征在于，所述夾雜物的平均尺寸約為30-150微米。
9.如權(quán)利要求1所述的陶瓷部件，其特征在于，所述部件的密度不小于理論密度的約90％。
10.如權(quán)利要求1所述的陶瓷部件，其特征在于，所述夾雜物由含有石墨和第二陶瓷材料的顆粒形成。
11.如權(quán)利要求10所述的陶瓷部件，其特征在于，所述顆粒存在的量不大于形成陶瓷體和顆粒的組合物總量的約35重量％。
12.如權(quán)利要求10所述的陶瓷部件，其特征在于，所述顆粒存在的量不大于形成陶瓷體和顆粒的組合物總量的約25重量％。
13.如權(quán)利要求10所述的陶瓷部件，其特征在于，所述顆粒存在的量占形成陶瓷體和顆粒的組合物總量的約5％-25重量％。
14.如權(quán)利要求10所述的陶瓷部件，其特征在于，所述顆粒含有約5重量％-65重量％的第二陶瓷材料，顆粒的其余含量基本上是石墨。
15.如權(quán)利要求10所述的陶瓷部件，其特征在于，所述顆粒含有約10重量％-50重量％的第二陶瓷材料，顆粒的其余含量基本上是石墨。
16.如權(quán)利要求10所述的陶瓷部件，其特征在于，所述第二陶瓷材料以未燒結(jié)的顆粒的形式提供，并與陶瓷體的燒結(jié)一起進行燒結(jié)。
17.如權(quán)利要求1所述的陶瓷部件，其特征在于，所述陶瓷部件包含約2重量％-20重量％的石墨。
18.如權(quán)利要求1所述的陶瓷部件，其特征在于，所述陶瓷部件包含約5重量％-15重量％的石墨。
19.一種陶瓷部件，包含由含第一陶瓷材料的組合物形成的燒結(jié)的陶瓷體；和陶瓷體中的許多夾雜物，每個夾雜物包含石墨和第二陶瓷材料，其中，第二陶瓷材料在夾雜物中形成連續(xù)的基質(zhì)相，其中，石墨嵌入在連續(xù)的基質(zhì)相中。
20.如權(quán)利要求1或19所述的陶瓷部件，其特征在于，所述陶瓷部件是密封件。
21.如權(quán)利要求20所述的陶瓷部件，其特征在于，所述密封件是環(huán)形的。
22.如權(quán)利要求20所述的陶瓷部件，其特征在于，所述密封件是水泵密封件。
23.一種陶瓷部件，包含由含第一陶瓷材料的組合物形成的燒結(jié)的陶瓷體；和陶瓷體中的許多夾雜物，每個夾雜物包含(i)含有潤滑性材料的第一相，和(ii)含有第二陶瓷材料的第二相，其中，第二相形成第二相嵌入其中的連續(xù)的基質(zhì)相。
24.一種形成陶瓷部件的方法，包括提供第一陶瓷材料；形成含有石墨和第二陶瓷材料的顆粒，其中，第一和第二陶瓷材料是相同的材料；形成含有第一陶瓷材料和顆粒的生坯；和對生坯進行燒結(jié)。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，通過將所述第二陶瓷材料的細粒與石墨細粒進行造粒，形成所述顆粒。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，所述造粒是通過澆鑄或通過噴霧干燥進行的。
27.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，所述造粒是通過噴霧干燥進行的。
28.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，還包括將顆粒與第二陶瓷材料混合形成混合物。
29.如權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于，所述混合物是漿液的形式，還包括對漿液進行造粒的步驟，形成用于形成生坯的顆粒產(chǎn)物。
30.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，所述顆粒包含約5-65重量％的所述第二陶瓷材料。
31.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，所述顆粒的平均尺寸約為10微米-400微米。
32.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，所述生坯是通過壓制形成的。
33.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，燒結(jié)是通過無壓燒結(jié)進行的。
34.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，所述第一和第二陶瓷材料包含SiC。
35.如權(quán)利要求34所述的方法，其特征在于，所述第一和第二陶瓷材料包含αSiC、βSiC或αSiC和βSiC的混合物。
全文摘要
公開了一種陶瓷部件，包含由含第一陶瓷材料的組合物形成的燒結(jié)的陶瓷體和該陶瓷體中的許多夾雜物，每個夾雜物包含石墨和第二陶瓷材料。
文檔編號F04D29/04GK1802334SQ200480015469
公開日2006年7月12日 申請日期2004年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月4日
發(fā)明者V·K·普加利, J·J·庫奇 申請人:圣戈本陶瓷及塑料股份有限公司