專利名稱：其滑動面或密封面具有最佳摩擦性的碳化硅燒結(jié)體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有特定孔隙率和由此所決定的其滑動面或密封面具有最佳摩擦性能的碳化硅燒結(jié)體。
碳化硅材料不僅僅具有卓越的熱、化學(xué)和機械性能，而且由于其可調(diào)節(jié)的孔隙率，還能將這種材料用于摩擦性能較成問題的場合。特別是在由于缺少潤滑劑而在兩個相對運動的滑動面之間形成干摩擦的危險場合下，表面上存在的開放微孔就能起到潤滑劑儲存腔的作用。這種特性可應(yīng)用于滑環(huán)和密封環(huán)上。
由于孔隙率不僅會影響到兩個工件之間的摩擦情況，而且還會影響材料的強度，所以就需要謹(jǐn)慎選擇孔隙直徑、材料上每單位體積的微孔數(shù)以及材料中微孔的分布情況。微孔不宜過大而削弱材料，同時其數(shù)目也不應(yīng)使微孔發(fā)生相互粘連并產(chǎn)生海綿狀結(jié)構(gòu)，否則可能會使諸如密封環(huán)喪失其功能。另一方面，微孔也不能過小，否則會使得作為潤滑劑的液體介質(zhì)由于其自身的表面張力而無法滲入到微孔中并且也不能填滿微孔或從孔中流出。
歐洲專利EP 0578408B1中公開了一種孔隙率在2至12體積％范圍內(nèi)的碳化硅燒結(jié)體，其中的自由微孔具有50至500μm的公稱直徑，微孔是封閉的并且均勻分布在材料體中。
在歐洲專利申請EP 0578408A2中要求保護了唯一區(qū)別是在微孔的形狀是球形的技術(shù)特征。
歐洲專利EP 0486336B1中公開了一種碳化硅基的燒結(jié)體，該燒結(jié)體不含浸漬的硅，并且該實際呈封閉的微孔近似球形且具有60至200μm的平均直徑和4至18％的總孔隙率。
本發(fā)明的任務(wù)在于提供一種碳化硅燒結(jié)體，該燒結(jié)體可根據(jù)具有特定公稱直徑的微孔所占的分?jǐn)?shù)而分別調(diào)節(jié)得到最佳的摩擦性。
該任務(wù)可根據(jù)本發(fā)明利用第一項權(quán)利要求中所述的技術(shù)特征而加以解決。從屬權(quán)利要求中則要求保護了本發(fā)明的各種優(yōu)選方式。
本發(fā)明的碳化硅燒結(jié)體的特征在于，其具有2至12體積％的總孔隙率并且球形微孔的公稱直徑在10μm至48μm之間，同時微孔還均勻地分布在燒結(jié)體的材料中。優(yōu)選球形的微孔具有15μm至45μm的公稱直徑。
有目的地選擇出在較為狹窄范圍內(nèi)的微孔直徑，就可以在通過表面加工，諸如研磨、磨洗和拋光等而得到的具有所需表面質(zhì)量的燒結(jié)體滑動面上形成具有開口的開放式微孔，所述開口不能超過微孔的最大公稱直徑并且均勻分布在表面上。這些微孔能起到作為滑動面上很均勻分布的潤滑劑存儲腔的作用，并且其能在緊急運行(Notlauf)時實現(xiàn)潤滑劑在滑動面上的均勻分布。由此就能保證在滑動面的每個位置上都有同樣的緊急運行特性。
微孔直徑的狹窄范圍、微孔總量上的孔徑分布情況以及孔隙率都可優(yōu)選通過對成孔劑的選擇和成孔劑量來確定。如果希望球形微孔的直徑范圍在比如30μm至48μm，則當(dāng)要求工件的加工余量為20％時考慮到陶瓷線性收縮率為16.7％，就要使用最小顆粒直徑在36μm且最大顆粒直徑在57μm的成孔劑。加工余量可通過如下方法確定用燒結(jié)后的測量值減去燒結(jié)前的測量值。再將該差值除以燒結(jié)后的測量值。所得結(jié)果為加工余量。陶瓷收縮率可通過加下方法確定用燒結(jié)后的測量值減去燒結(jié)前的測量值。再將該差值除以燒結(jié)前的測量值。所得結(jié)果為陶瓷收縮率。
為了得到理想的孔徑，就必須在考慮到碳化硅坯體燒結(jié)時的收縮率的情況下，通過諸如干篩或濕篩來相應(yīng)地批量生產(chǎn)成孔劑。可以通過現(xiàn)有技術(shù)中已知的研磨方法首先制得具有理想初始粒徑的無機原料。
合適的成孔劑僅僅是一種可以從構(gòu)件材料中除去，留下所需直徑的球形孔的物質(zhì)。選擇所謂的可燃燒盡物質(zhì)作為成孔劑，例如聚合物，如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯(PE)或聚苯乙烯(PF)，蠟，如石蠟或聚乙烯蠟和天然產(chǎn)物，如淀粉或纖維素。
以已知的方法將成孔劑與燒結(jié)體的無機陶瓷起始材料相混合。而這通常是按如下方法進(jìn)行的，即將成孔劑懸浮于合適的液體介質(zhì)中，然后與無機初始材料相混合，添加有機粘合劑并混合均勻，最后進(jìn)行噴霧干燥(噴霧造粒)。但也可以將成孔劑懸浮在一種由液體介質(zhì)和已經(jīng)溶于液體介質(zhì)中的粘合劑和陶瓷原料構(gòu)成的懸浮液中。成型通常是通過模壓成型進(jìn)行。
在選擇成孔劑時需要注意，它們不能在力的作用下，比如在與無機陶瓷漿料混合時在剪切力和研磨力的作用下發(fā)生崩解或變形。同樣，在壓制成型過程中成孔劑也不能具有很強的回彈性，否則在減輕壓制品上的載荷時會造成壓制坯料內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力開裂。而成孔劑的壓縮則是可以接受的，因為這種壓縮只會導(dǎo)致壓制或壓縮過程中出現(xiàn)微不足道的變形。
如果將陶瓷的初始材料懸浮于水中，則成孔劑必須是不溶于水的，至少也要是在水中難溶的。諸如天然淀粉就具有上述這些性質(zhì)，如果未將其事先進(jìn)行化學(xué)或熱處理，則它們在冷水中是不溶的。每一種淀粉——根據(jù)其來源可分為玉米淀粉、米淀粉或小麥淀粉——的特征即在于，球形淀粉顆粒具有某一特定的直徑，從而使得可有目的地調(diào)節(jié)燒結(jié)體材料中的孔隙率和微孔直徑。
在通常按壓制法將碳化硅坯體成型為生坯之后，在燒結(jié)過程之前需進(jìn)行一個熱處理，即熱解過程，用以將有機粘合劑和作為微孔定位劑混入的成孔劑從壓制體材料中完全或至少近乎完全地除去。本發(fā)明中所用的成孔劑會完全分解并且只可能殘留下微量的碳作為分解殘留物。在其后進(jìn)行的燒結(jié)過程中，這種碳的殘留物不會對材料的組成和性質(zhì)產(chǎn)生消極影響。如此預(yù)處理之后的壓制體的燒結(jié)過程類似于未進(jìn)行微孔化的碳化硅成形體的燒結(jié)過程，比如那些現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法。
在燒結(jié)之后，利用現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法，如研磨、磨洗和拋光來加工功能表面，其中優(yōu)選用金剛石粉末或金剛石制的工件來進(jìn)行加工。根據(jù)所需外形的不同，不必全部使用這三種方法。也可以只使用一種加工方法或兩種方法的結(jié)合，例如可以只用研磨或磨洗或者是研磨和拋光或研磨和磨洗。在這些加工方法之后還必須小心地清潔表面，顯露出微孔和清除可能滲入表面的被剝蝕的材料。該清潔過程可以，例如，在超聲波洗槽中進(jìn)行。
以下將根據(jù)四個實施例來更詳細(xì)地闡述本發(fā)明。附圖為

圖1成孔劑聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的照片，光學(xué)顯微鏡照片，圖2孔隙率為4.77％的實施例的表面顯微切片的光學(xué)顯微照片，圖3本發(fā)明的密封環(huán)，圖4孔隙率為6.04％的實施例的表面顯微切片的光學(xué)顯微照片，圖5孔隙率為3.77％的實施例的表面顯微切片的光學(xué)顯微照片，圖6孔隙率為7.69％的實施例的表面顯微切片的光學(xué)顯微照片。
無機陶瓷材料由以下成分組成α-碳化硅(SiC)、二硼化鋯(ZrB2)、碳(C)和硼(B)。為制得生坯，就要使用分散劑和粘結(jié)劑，如蠟粘合劑、聚乙二醇粘合劑和丙烯酸酯粘合劑。
為產(chǎn)生微孔，就要向本實施例中添加聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。圖1顯示了成孔劑PMMA的光學(xué)顯微鏡照片。其中能明顯辨認(rèn)出顆粒的理想球形結(jié)構(gòu)。其直徑在約18μm至約57μm的范圍內(nèi)，其中直徑為20μm至45μm的顆粒含量約占總含量的80％。
由于陶瓷線性燒結(jié)收縮率為16.7％，因而會引起顆粒尺寸的縮小，所以微孔的最小可能的公稱直徑約為15μm，而最大值約為48μm，平均值在約30μm。
實施例1各組分總量為100％無機材料α-碳化硅(SiC)77.70％二硼化鋯(ZrB2) 9.22％碳(C) 2.98％硼(B) 0.45％有機組分(粘結(jié)劑，分散劑)分散劑2.14％蠟粘結(jié)劑 1.81％聚乙二醇粘合劑1.81％丙烯酸酯粘合劑1.81％成孔劑聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)2.08％在約30min中將符合上述總組成的已混合均勻且經(jīng)預(yù)研磨的無機原料分散在含有溶解其中的分散劑和有機組分的水中，接著再用30min添加成孔劑PMMA。添加完畢有機粘結(jié)劑并將其混合均勻后，噴霧干燥該懸浮液，得到可壓制的噴霧顆粒。
將噴霧顆粒單軸壓制成直徑為20mm高度為8mm的實心圓柱體。在保護氣氛中于2070℃的溫度下燒結(jié)實心圓柱體120min之久。通過確定其密度而計算得總孔隙率為4.77％。圖2顯示了微孔在經(jīng)研磨和拋光的表面上的分布情況。
所引入的微孔尺寸可如上所述地由所混入的成孔劑的粒徑分布(圖1)并通過計算出16.7％的陶瓷收縮率所引起的粒徑減小值而得到。
對于實施例2至4，它們與實施例1不同，其中須將如實施例1中所述的無機和有機成分進(jìn)行相互混合，然后制得可壓制的噴霧顆粒。將成孔劑PMMA以干燥狀態(tài)混入其中并以干燥狀態(tài)進(jìn)行分散。
實施例2至4的材料組成與實施例1略有不同。
實施例2各組分總量為100％無機材料α-碳化硅(SiC) 77.18％二硼化鋯(ZrB2)9.15％碳(C) 2.96％硼(B) 0.45％有機組分(粘結(jié)劑，分散劑)分散劑 2.16％蠟粘結(jié)劑 1.79％聚乙二醇粘結(jié)劑 1.79％丙烯酸酯粘結(jié)劑 1.79％成孔劑聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA) 2.73％按下述的用量比在干燥狀態(tài)下將具有上述物質(zhì)組成的噴霧顆粒和具有所述顆粒尺寸的成孔劑PMMA相混和噴霧顆粒97.27％，PMMA2.73％。
將該混合物單軸壓制成如圖3所示的滑環(huán)并在保護氣氛中且在2070℃下將其燒結(jié)120min之久。通過確定密度而計算出總孔隙率為6.04％。微孔的公稱直徑范圍與實施例1中的相同。圖4顯示了圖3中以a標(biāo)記的燒結(jié)環(huán)上經(jīng)研磨的表面上微孔的分布情況。
實施例3各組分總量為100％無機材料α-碳化硅(SiC) 77.94％二硼化鋯(ZrB2) 9.24％碳(C) 2.99％
硼(B) 0.45％有機組分(粘結(jié)劑，分散劑)分散劑 2.17％蠟粘結(jié)劑 1.81％聚乙二醇粘結(jié)劑 1.81％丙烯酸酯粘結(jié)劑 1.81％成孔劑聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA) 1.78％根據(jù)實施例2中所記載的方法制備具有較低總孔隙率的滑環(huán)。其組成如下噴霧顆粒98.22％，PMMA1.78％。燒結(jié)環(huán)的總孔隙率為3.77％。微孔的公稱直徑的范圍與實施例1中的相同。圖5顯示了燒結(jié)環(huán)上經(jīng)研磨的表面上微孔的分布情況。
實施例4各組分總量為100％無機材料α-碳化硅(SiC) 76.47％二硼化鋯(ZrB2)9.07％碳(C) 2.93％硼(B) 0.44％有機組分(粘結(jié)劑，分散劑)分散劑 2.12％蠟粘結(jié)劑 1.78％聚乙二醇粘結(jié)劑 1.78％丙烯酸酯粘結(jié)劑 1.78％成孔劑聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA) 3.63％根據(jù)實施例2中所記載的方法制備具有較高總孔隙率的滑環(huán)。其組成如下噴霧顆粒96.37％和PMMA3.63％。燒結(jié)環(huán)的總孔隙率為7.69％。微孔的公稱直徑的范圍與實施例1中的相同。圖6顯示了燒結(jié)環(huán)上經(jīng)研磨的表面上微孔的分布情況。
權(quán)利要求
1.孔隙率為2至12體積％的碳化硅燒結(jié)體，其中的多孔結(jié)構(gòu)由均勻分布在燒結(jié)體材料中的非連接的封閉微孔構(gòu)成，其特征在于，微孔是球形的并且具有10μm至48μm的公稱直徑。
2.權(quán)利要求1的碳化硅燒結(jié)體，其特征在于，微孔具有15μm至45μm的公稱直徑。
3.權(quán)利要求1或2的碳化硅燒結(jié)體，其特征在于，材料中的無機組分含有80％至98％的碳化硅、0.5％至5％的碳、0.3％至5％的硼和0％至約20％的選自硼化物和/或硅化物的硬質(zhì)材料。
4.權(quán)利要求3的碳化硅燒結(jié)體，其特征在于，材料中的無機組分含有85％至98％的碳化硅、1.5％至4％的碳、0.5％至2％的硼和0％至約12％的選自硼化物和/或硅化物的硬質(zhì)材料。
5.權(quán)利要求1至4之一的碳化硅燒結(jié)體，其特征在于，碳化硅是α-碳化硅。
6.權(quán)利要求1至5之一的碳化硅燒結(jié)體，其特征在于，將可燃燒盡物質(zhì)比如聚合物、蠟、淀粉或纖維素用作成孔劑。
7.權(quán)利要求6的碳化硅燒結(jié)體，其特征在于，將聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)用作成孔劑。
8.權(quán)利要求7的碳化硅燒結(jié)體，其特征在于，成孔劑的添加量為約0.70至5.40重量％。
9.權(quán)利要求7或8的碳化硅燒結(jié)體，其特征在于，在壓縮生坯之前，成孔劑顆粒的直徑在約18μm至約57μm的范圍內(nèi)。
10.權(quán)利要求9的碳化硅燒結(jié)體，其特征在于，直徑在30μm至45μm之間的顆粒占總量的約80％。
11.制備權(quán)利要求1至10之一的碳化硅燒結(jié)體的方法，其特征在于，將成孔劑分散在材料的無機原料成分形成的懸浮液中，并在成型之后利用熱解和燒結(jié)進(jìn)行為制造燒結(jié)體所需的熱處理過程。
12.制備權(quán)利要求1至10之一的碳化硅燒結(jié)體的方法，其特征在于，將成孔劑分散在材料的無機和有機原料成分形成的懸浮液中，并在成型之后利用熱解和燒結(jié)進(jìn)行為制造燒結(jié)體所需的熱處理過程。
13.制備權(quán)利要求1至10之一的碳化硅燒結(jié)體的方法，其特征在于，干燥由材料的無機和有機原料成分形成的懸浮液，并使成孔劑在干燥狀態(tài)下與事先已相混的無機和有機成分混合均勻，并在成型之后進(jìn)行為制備燒結(jié)體所需的成型過程和利用熱解和燒結(jié)進(jìn)行熱處理過程。
全文摘要
碳化硅材料不僅僅具有卓越的熱、化學(xué)和機械性能，而且由于其可調(diào)節(jié)的孔隙率，還能將這種材料用于摩擦性能較成問題的場合。由于孔隙率不僅會影響到兩個工件之間的摩擦情況，而且還會影響材料的強度，所以就需要謹(jǐn)慎選擇孔隙直徑、材料上每單位體積的微孔數(shù)以及材料中微孔的分布情況。因此本發(fā)明提出一種孔隙率為2至12體積％的碳化硅燒結(jié)體，其中的多孔結(jié)構(gòu)由均勻分布在燒結(jié)體材料中的非連接的封閉微孔構(gòu)成，同時所述微孔是球形的且具有10μm至48μm的公稱直徑。
文檔編號C04B38/06GK1701049SQ03820968
公開日2005年11月23日 申請日期2003年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月6日
發(fā)明者G·梅爾, J·貝特歇爾, K·埃爾特萊因, M·施泰納, D·凱菲爾, M·辛默爾 申請人:創(chuàng)新陶瓷工程技術(shù)公司