碳化硅陶瓷阀芯及其制备方法技术

本发明专利技术涉及碳化硅陶瓷阀芯及其制备方法，所述碳化硅陶瓷阀芯包括阀芯主体和阀芯头部，所述阀芯主体的外径小于200mm，阀芯头部的外径大于10mm，且所述阀芯主体的外径和阀芯头部的外径之比为1.5～3，所述方法包括：将碳化硅喷雾造粒粉体装入模套密封后直接冷等静压成型，再经烘干，得到碳化硅陶瓷素坯；所述冷等静压成型的压力为120～230MPa，保压时间为3～20分钟；将所得碳化硅陶瓷素坯经机械加工和脱粘后，在2000～2280℃下烧结一定时间，再经精加工，得到所述碳化硅陶瓷阀芯；所述碳化硅陶瓷素坯的机械加工后的尺寸为碳化硅陶瓷阀芯按照烧结后线收缩率16～23%进行放大后的尺寸。

【技术实现步骤摘要】
碳化硅陶瓷阀芯及其制备方法
本专利技术涉及一种用于石油化工、煤化工、海洋化工等领域500℃以下、高压、强腐蚀条件下的碳化硅陶瓷阀芯及其制备方法，属于工程陶瓷材料

技术介绍
在石油化工、煤化工、海洋化工等领域，文丘里黑水调节阀是一种能够有效适应高温、高压、强腐蚀性及含固体颗粒浆料和粉料冲蚀的阀门结构。作为文丘里黑水调节阀中调节流量的关键部件，阀芯是承受冲蚀最严重的部件。传统的阀芯材质是304不锈钢、316不锈钢、双相不锈钢及镀金刚石的不锈钢为主，极端领域以涂覆碳化钨的金属基体为主，小部分使用整体式碳化钨陶瓷。不锈钢材质对强腐蚀性及含固体颗粒的浆料和粉料具备较差的耐冲蚀能力。涂覆碳化钨的金属基体，由于其厚度＜2mm，硬度＜60HRC，涂层与基体结合力＜1000psi，且喷涂通常在10000℃的高温条件下进行，操作施工条件恶劣，阀门使用寿命难以保证10000次循环，不能满足煤化工浆料和多晶硅粉料等系统长周期稳定生产要求。另一方面，喷涂碳化钨强度主要由基体材质提供，当两种材料线膨胀系数差异较大时，使用受到温度的局限，难以超过450℃。整体式碳化钨陶瓷的文丘里黑水调节阀阀芯，具备较好的耐高温、抗高压、耐强腐蚀性及含固体颗粒浆料和粉料冲蚀的性能。但是其烧结需要热等静压烧结或放电等离子烧结(SPS)方法才可获取，密度大(15.63g/cm3)，价格高(碳化钨粉料：＞300元/kg)，对于硝酸和氢氟酸的混合酸不具有耐腐蚀作用。常压固相烧结碳化硅作为一种耐高温、耐高压、耐腐蚀、耐冲蚀、高热导、抗热震性强的工程陶瓷，广泛应用于航天航空、热交换、机械密封、阀门、半导体基板等条件苛刻的工程
然而在阀门领域，目前碳化硅陶瓷主要加工成陶瓷球用作球阀，对于复杂形状的阀门并没有过多的报道和应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种碳化硅陶瓷的文丘里黑水调节阀的阀芯及其制备方法。一方面，本专利技术提供了一种常压固相烧结碳化硅陶瓷阀芯的方法，所述碳化硅陶瓷阀芯包括阀芯主体和阀芯头部，所述阀芯主体的外径小于200mm，阀芯头部的外径大于10mm，且所述阀芯主体的外径和阀芯头部的外径之比为1.5～3，所述方法包括：将碳化硅喷雾造粒粉体装入模套密封后直接冷等静压成型，再经烘干，得到碳化硅陶瓷素坯，所述冷等静压成型的压力为120～230MPa，保压时间为3～20分钟；将所得碳化硅陶瓷素坯经机械加工和脱粘后，在2000～2280℃下烧结一定时间，再经精加工，得到所述碳化硅陶瓷阀芯；所述碳化硅陶瓷素坯的机械加工后的尺寸为碳化硅陶瓷阀芯按照烧结后线收缩率16～23％进行放大后的尺寸。本专利技术以碳化硅喷雾造粒粉体(碳化硅粉体)为原料，装入模套中后直接经过密封放入冷等静压机中成型，然后进行烘干和机械加工，得到碳化硅陶瓷素坯。所述碳化硅陶瓷素坯的尺寸，是按照烧结后线收缩率16～23％对所述碳化硅陶瓷阀芯的尺寸(所述碳化硅陶瓷阀芯包括阀芯主体和阀芯头部，所述阀芯主体的外径小于200mm，阀芯头部的外径大于10mm，且所述阀芯主体外径的阀芯头部的外径之比为1.5～3)进行放大而得到。再经脱粘和烧结，得到所述碳化硅陶瓷阀芯。较佳地，所述碳化硅喷雾造粒粉体的中位粒径为30～100μm，优选为40～70μm。较佳地，所述冷等静压成型的压力150～200MPa，保压时间为5～15分钟。较佳地，所述脱粘的气氛为真空气氛，温度为室温～1200℃，时间为2～6小时；优选地，所述脱粘的温度为300～1200℃。较佳地，所述碳化硅喷雾造粒粉体中还包括烧结助剂，所述烧结助剂为B-C体系、含量＞0且≤3wt％；优选地，所述烧结助剂的含量＞0且≤2wt％。较佳地，所述碳化硅喷雾造粒粉体的含水量≤1.5wt％、优选≤1.0wt％。松装密度优选≥0.75g/cm3，更优选≥0.8g/cm3。较佳地，所述烧结的升温制度包括：以1～5℃/分钟升温至1800℃后保温0.5～3小时，再以0.5～2℃/分钟升温至2000～2280℃保温1～3小时。较佳地，所述模套的材质为硬橡胶、软橡胶或聚氨酯。较佳地，烧结完成后，程序降温2～10小时冷却至1000℃，之后随炉自然冷却至室温。较佳地，所述烘干的温度为110～200℃，时间为1～10小时；优选地，所述烘干的温度为120～150℃，时间为2～5小时。另一方面，本专利技术提供了一种根据上述方法制备的碳化硅陶瓷阀芯。与现有的文丘里黑水调节阀阀芯比较，本专利技术的有益效果有以下的优点：采用常压固相烧结制备的碳化硅陶瓷阀芯，致密度高，表面硬度＞90HRC，与双相不锈钢、不锈钢涂覆金刚石或碳化钨、整体碳化钨等材质的文丘里黑水调节阀的阀芯阀套相比具有更高的耐冲蚀性能；采用常压固相烧结制备的碳化硅陶瓷阀芯，烧结密度达到3.10g/cm3，在室温到600℃的热膨胀系数约为4.4×10-6/℃，相比双相不锈钢、不锈钢涂覆金刚石或碳化钨、整体碳化钨等材质质地较轻，热膨胀系数小，可有效降低高温工作条件下的阀芯膨胀量；常压固相烧结制备的碳化硅陶瓷，具备对氢氟酸、浓硫酸、盐酸、浓硝酸、强碱等均有较好的耐腐蚀性，可适用于更苛刻的工矿条件。附图说明图1为碳化硅陶瓷阀芯的制备工艺流程图；图2为文丘里黑水调节阀阀芯结构示意图；图3为碳化硅陶瓷黑水调节阀阀芯照片。具体实施方式以下通过下述实施方式进一步说明本专利技术，应理解，下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。本专利技术提供了一种文丘里黑水调节阀用碳化硅陶瓷阀芯，包括阀芯主体和阀芯头部。其中，所述阀芯主体的外径小于200mm，阀芯头部的外径大于10mm，且所述阀芯主体外径的阀芯头部的外径之比为1.5～3。所述的碳化硅陶瓷阀芯的主体的底部与文丘里黑水调节阀的金属阀杆相连接的结构设计可以为螺纹连接、螺栓连接、铆钉连接或其他连接方式。此外，所述的碳化硅陶瓷阀芯的阀芯头部可以根据所需弧度连续变径。所述的碳化硅陶瓷阀芯的阀芯主体可以有若干环状弧形排污槽。本专利技术采用常压固相烧结方法制备文丘里黑水调节阀用碳化硅陶瓷阀芯。具体来说，本专利技术将碳化硅喷雾造粒粉体直接冷等静压方法成型，经烘干、素坯机械加工、脱粘和烧结、成品精加工后得到碳化硅陶瓷阀芯，该方法简便快捷，省去了粉体处理环节。如图1所示，以下示例性地说明本专利技术提供的碳化硅陶瓷阀芯的制备方法。成型。将碳化硅喷雾造粒粉体装入模套中直接冷等静压成型。上述碳化硅喷雾造粒体应满足以下条件：颗粒中位粒径为30-100μm，优选40-70μm；粉体中碳化硅含量≥97％，优选≥98％；粉体中所含烧结助剂为B-C体系，含量≤3％，优选≤2％；粉体含水量≤1.5％，优选≤1.0％；粉体松装密度≥0.75g/cm3，优选≥0.8g/cm3；粉体颗粒形状均匀，显微图像显示无葫芦状、球破裂等情况。上述模套材质可以包括硬橡胶、软橡胶、聚氨酯等。上述模套的大小根据烧结后碳化硅陶瓷收缩率为16～23％及冷等静压成型后坯体收缩率18～23％来共同确定。冷等静压的工艺压力可为120～230MPa，优选150～200MPa；保压时间可为3～20min，优选为5～15min。烘干。将成型的素坯放入烘箱中进行烘干(即，置于均匀加热的烘箱中干燥)，得到碳化硅陶瓷素坯。上述烘干的温度可为110-200℃，优选温度为120-150℃本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种常压固相烧结碳化硅陶瓷阀芯的方法，其特征在于，所述碳化硅陶瓷阀芯包括阀芯主体和阀芯头部，所述阀芯主体的外径小于200mm，阀芯头部的外径大于10mm，且所述阀芯主体的外径和阀芯头部的外径之比为1.5～3，所述方法包括：将碳化硅喷雾造粒粉体装入模套密封后直接冷等静压成型，再经烘干，得到碳化硅陶瓷素坯；所述冷等静压成型的压力为120～230MPa，保压时间为3～20分钟；将所得碳化硅陶瓷素坯经机械加工和脱粘后，在2000～2280℃下烧结一定时间，再经精加工，得到所述碳化硅陶瓷阀芯；所述碳化硅陶瓷素坯的机械加工后的尺寸为碳化硅陶瓷阀芯按照烧结后线收缩率16～23%进行放大后的尺寸。

【技术特征摘要】
1.一种常压固相烧结碳化硅陶瓷阀芯的方法，其特征在于，所述碳化硅陶瓷阀芯包括阀芯主体和阀芯头部，所述阀芯主体的外径小于200mm，阀芯头部的外径大于10mm，且所述阀芯主体的外径和阀芯头部的外径之比为1.5～3，所述方法包括：将碳化硅喷雾造粒粉体装入模套密封后直接冷等静压成型，再经烘干，得到碳化硅陶瓷素坯；所述冷等静压成型的压力为120～230MPa，保压时间为3～20分钟；将所得碳化硅陶瓷素坯经机械加工和脱粘后，在2000～2280℃下烧结一定时间，再经精加工，得到所述碳化硅陶瓷阀芯；所述碳化硅陶瓷素坯的机械加工后的尺寸为碳化硅陶瓷阀芯按照烧结后线收缩率16～23%进行放大后的尺寸。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳化硅喷雾造粒粉体的中位粒径为30～100μm，优选为40～70μm。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述冷等静压成型的压力150～200MPa，保压时间为5～15分钟。4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述脱粘的气...

【专利技术属性】
技术研发人员：张玉强，黄政仁，刘学建，陈忠明，杨金晶，姚秀敏，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31