本發(fā)明涉及陶瓷材料領域，具體涉及一種大尺寸氮化硅陶瓷球閥閥芯及其制備方法與應用。

背景技術：

1、隨著光伏、半導體功率器件等領域應用需求的爆發(fā)式增長，對物料運輸過程中的純凈度和金屬污染的控制要求極為嚴格，即使微量的雜質也可能對硅器件的性能和可靠性造成嚴重影響，因此相關產(chǎn)業(yè)鏈對于大尺寸、高耐磨和低污染的球閥需求不斷增加。

2、金屬球閥在與物料接觸過程中，長期使用會產(chǎn)生磨損，進而導致磨屑的生成，進而對最終產(chǎn)品的質量造成嚴重影響。氮化硅（si3n4）陶瓷球閥具有高硬度、良好的耐磨性、耐高溫、耐腐蝕、高導熱、高絕緣等特征，成為理想的替代品。更為重要的是，相較其他陶瓷材料而言，氮化硅具有高強度和低密度的特點，這對于需要輕量化設計的大型物料傳輸設備尤為重要。

3、然而，大尺寸氮化硅陶瓷球閥的生坯強度低，制作難度較大。在大尺寸氮化硅陶瓷球閥的燒結過程中，由于溫度、熱膨脹系數(shù)差異等因素的影響，容易出現(xiàn)裂紋、變形、均勻性較差等問題，導致批量化大尺寸氮化硅陶瓷球閥的尺寸處于φ200mm以下，難以獲得更大尺寸的氮化硅陶瓷球閥并兼具高合格率和耐磨性。

技術實現(xiàn)思路

1、為了解決大尺寸氮化硅陶瓷在燒結過程中容易出現(xiàn)裂紋的問題，本發(fā)明提供了一種大尺寸氮化硅陶瓷球閥閥芯的制備方法，通過采用特定的壓制和燒結工藝，獲得更大尺寸氮化硅陶瓷球閥閥芯，并提高了產(chǎn)品的合格率和耐磨性。

2、第一方面，本發(fā)明提供了一種大尺寸氮化硅陶瓷球閥閥芯的制備方法。

3、在一種可選的實施方式中，大尺寸氮化硅陶瓷球閥閥芯的制備方法包括如下步驟：

4、s1、以氮化硅粉、燒結助劑和β氮化硅晶種的混合物為原料，依次經(jīng)第一次壓制成型、破碎成類球狀顆粒，第二次壓制，形成坯體；

5、s2、將s1制得的坯體車加工為閥芯素坯；

6、s3、將s2制得的閥芯素坯進行燒結，得到氮化硅陶瓷球閥閥芯；

7、所述燒結包括以下工藝：

8、s31、在真空度為80-110pa下，室溫升溫到1150-1200℃后保溫30-60min；

9、s32、升溫到1480-1520℃后保溫30-100min，充氮氣至壓力為0.5-1mpa；

10、s33、升溫到1690-1740℃后保溫60-120min；在1690-1740℃處，氮氣壓力為1.5-2.5mpa；

11、s34、升溫到1820-1860℃后保溫100-200min，氮氣壓力為3-4mpa；

12、s35、降溫至1400-1450℃后保溫300-400min；然后自然降溫。

13、在一種可選的實施方式中，s1中，所述氮化硅粉中α相含量≥93wt%；

14、和/或，所述β氮化硅晶種的含量為原料總重量的1wt%-2wt%；

15、和/或，所述氮化硅粉的中位粒徑d50為0.3μm-0.6μm。

16、在一種可選的實施方式中，氮化硅粉、燒結助劑、β氮化硅晶種的添加重量之比為（90-96）：（3-9）：（1-2）；

17、和/或，所述燒結助劑包括氧化鎘、氧化鋁、氧化鎂、氧化鑭、氧化鎳、氧化镥的一種或者多種；

18、和/或，所述β氮化硅晶種的平均長度為2.5μm-3.5μm，平均長徑比為9-11；

19、和/或，所述氮化硅粉的金屬含量≤300ppm。

20、在一種可選的實施方式中，s1中將氮化硅粉、燒結助劑、β氮化硅晶種分散于有機溶劑中進行球磨形成混合物，球磨的轉速為250r/min-300r/min，所述有機溶劑為無水乙醇；

21、和/或，s3中將閥芯素坯放在氮化硼板上，然后將帶有閥芯素坯的氮化硼板放入氮化硅匣缽中進行燒結，得到氮化硅陶瓷球閥閥芯。

22、在一種可選的實施方式中，s1中，所述第一次壓制采用冷等靜壓的方式，壓力為80-100?mpa，保壓時間為50-100s；

23、和/或，所述第二次壓制采用冷等靜壓的方式，壓力為160-200?mpa，保壓時間為100-200s。

24、在一種可選的實施方式中，s31中的升溫速率為5-9℃/min；

25、和/或，s32中的升溫速率為2-3℃/min；

26、和/或，s33中的升溫速率為1-2℃/min；

27、和/或，s34中的升溫速率為1-2℃/min；

28、和/或，s35中的降溫速率為3-5℃/min。

29、第二方面，本發(fā)明提供了一種氮化硅陶瓷球閥閥芯，采用所述的大尺寸氮化硅陶瓷球閥閥芯的制備方法制得的。

30、在一種可選的實施方式中，所述的氮化硅陶瓷球閥閥芯為中心設有通孔的球形體；

31、所述氮化硅陶瓷球閥閥芯的外徑為260mm以上；

32、和/或，所述通孔的直徑為175mm以上。

33、第三方面，本發(fā)明提供了一種球閥，所述球閥采用所述的氮化硅陶瓷球閥閥芯。

34、在一種可選的實施方式中，所述球閥，包括氮化硅陶瓷球閥閥芯和閥體，所述的氮化硅陶瓷球閥閥芯為中心設有通孔的球形體，所述球形體設置于閥體內，球形體的中心通孔與閥體的通道相通，所述球形體的一側外壁設有閥桿槽，所述閥桿槽的開槽處采用強力膠加裝金屬閥桿座；

35、金屬閥桿座與閥桿連接處噴涂防腐涂層材料，所述防腐涂層材料包括pfa、ptfe、peek中的一種或多種；

36、球形體通過閥桿槽、金屬閥桿座與閥桿連接。

37、本發(fā)明技術方案，具有如下優(yōu)點：

38、本發(fā)明提供的氮化硅陶瓷球閥閥芯的制備方法，以氮化硅粉、燒結助劑和β氮化硅晶種的混合物為原料，壓制成坯體后車加工為閥芯素坯；再將閥芯素坯進行燒結，制備氮化硅陶瓷球閥閥芯。通過特殊的壓制方法，同時優(yōu)化燒結曲線，使產(chǎn)品具有雙峰分布的微觀結構，提高了產(chǎn)品的均勻性、致密度、斷裂韌性和韋布爾模數(shù)，從而減少了制備過程中和使用過程中出現(xiàn)裂紋的情況，提高了產(chǎn)品的合格率和耐磨性。

39、本發(fā)明實施例的額外層面及優(yōu)點將部分地在后續(xù)說明中描述和顯示，或是經(jīng)由本發(fā)明實施例的實施而闡釋。

技術特征：

1.一種大尺寸氮化硅陶瓷球閥閥芯的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權利要求1所述的制備方法，其特征在于，s1中，所述氮化硅粉中α相氮化硅粉含量≥93wt%；

3.根據(jù)權利要求2所述的制備方法，其特征在于，氮化硅粉、燒結助劑、β氮化硅晶種的添加重量之比為（90-96）：（3-9）：（1-2）；

4.根據(jù)權利要求1-3任一所述的制備方法，其特征在于，s1中將氮化硅粉、燒結助劑、β氮化硅晶種分散于有機溶劑中進行球磨形成混合物，球磨的轉速為250r/min-300r/min，所述有機溶劑為無水乙醇；

5.根據(jù)權利要求1-3任一所述的制備方法，其特征在于，s1中，所述第一次壓制采用冷等靜壓的方式，壓力為80-100?mpa，保壓時間為50-100s；

6.根據(jù)權利要求1-3任一所述的制備方法，其特征在于，s31中的升溫速率為5-9℃/min；

7.一種氮化硅陶瓷球閥閥芯，采用權利要求1-6任一項所述的大尺寸氮化硅陶瓷球閥閥芯的制備方法制得的。

8.根據(jù)權利要求7所述的氮化硅陶瓷球閥閥芯，其特征在于，所述的氮化硅陶瓷球閥閥芯為中心設有通孔的球形體；

9.一種球閥，其特征在于，所述球閥采用權利要求7或8所述的氮化硅陶瓷球閥閥芯。

10.根據(jù)權利要求9所述的球閥，其特征在于，包括氮化硅陶瓷球閥閥芯和閥體，所述的氮化硅陶瓷球閥閥芯為中心設有通孔的球形體，所述球形體設置于閥體內，球形體的中心通孔與閥體的通道相通，所述球形體的一側外壁設有閥桿槽，所述閥桿槽的開槽處采用強力膠加裝金屬閥桿座；

技術總結
本發(fā)明涉及陶瓷材料領域，公開了一種大尺寸氮化硅陶瓷球閥閥芯及其制備方法與應用，以氮化硅粉、燒結助劑和β氮化硅晶種的混合物為原料，壓制成坯體后車加工為閥芯素坯；再將閥芯素坯進行燒結，制備氮化硅陶瓷球閥閥芯。通過特殊的壓制方法，同時優(yōu)化燒結曲線，使產(chǎn)品具有雙峰分布的微觀結構，提高了產(chǎn)品的均勻性、致密度、斷裂韌性和韋布爾模數(shù)，從而減少了制備過程中和使用過程中出現(xiàn)裂紋的情況，提高了產(chǎn)品的合格率和耐磨性。

技術研發(fā)人員：孫峰,李鑌,申常勝,王瑞強,王再義,張驥,王騰飛,劉闊地,董廷霞,張偉儒
受保護的技術使用者：中材高新氮化物陶瓷有限公司
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/26