具有独立闭孔的多孔碳化硅轴承材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及具有三形态的孔组成的多孔ＳｉＣ轴承材料及其生产方法。含有３－１０％（体积）的独立闭孔的无压烧结的ＳｉＣ多孔轴承材料，具有由微孔（Ｍ）、纤维形大孔（Ｆ）和球形大孔（Ｓ）组成的三形态的孔组成，在孔体系Ｆ－Ｍ－Ｓ（图１）中，各形状的孔总数是由具有角点：ａ＝１０％Ｍ－８０％Ｆ－１０％Ｓ，ｂ＝１０％Ｍ－１０％Ｆ－８０％Ｓ，ｃ＝４０％Ｍ－１０％Ｆ－５０％Ｓ，ｄ＝４０％Ｍ－５０％Ｆ－１０％Ｓ的梯形区域而固定的，并且微孔的直径为小于或等于５μｍ，纤维形大孔的直径为小于或等于３０μｍ、长度为小于或等于８０μｍ，球形大孔的直径为小于或等于７０μｍ，而所说材料的挠曲强度至少为２５０ＭＮ／ｍ↑［２］。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及具有三形态(trimodal)的多孔组成的多孔SiC轴承材料及其生产方法。紧密的烧结SiC具有高的硬度、高温强度、高导热性、抗热冲击性、抗氧化性，并具有高耐磨和耐蚀性。它还具有良好的摩擦性，这意味着在润滑或未润滑的情况下它均具有良好的摩擦和耐磨性。因此，烧结的纯SiC现已被用作最理想的滑动轴承材料，特别是受到磨损应力作用的浮环密封材料，并在这些应用中取代其它材料例如氧化铝或烧结的碳化物。特别在汽车工业的水泵中，大批量生产的烧结SiC的浮环之使用已占有愈来愈大的市场份额。紧密的烧结SiC之纯度为≥98.5％SiC，并且其烧结密度一般为3.10-3.16g/cm3，相应的残余孔隙率为1-3％(体积)。由于其高的硬度(努氏HK-0.1＝2500)和强度(挠曲强度约为400MN/m2)，烧结的SiC具有超乎寻常高的耐液体介质中固体粒子的磨损性。甚至在摩擦与腐蚀的共同作用下，这种陶瓷材料也是耐磨损的。然而，许多实际中出现的滑动磨损问题可被归因于理想的、即合适润滑的运转条件下破坏，此时所说的轴承或密封件的滑动表面相互接触，由此出现固体摩擦或干摩擦，此时摩擦系数大大地增加。局部的摩擦热导致热应力峰值是如此之大而引起微结构组成的破坏。当润滑恢复(冷却)时，作为热冲击的结果会产生出现裂缝形成和裂痕的危险。虽然紧密的烧结SiC要比其它陶瓷能更好地克服这种危险，但是作为在更苛刻的流体力学条件下运转，需要更可靠的浮环密封件或轴承材料，需要进一步开发的SiC轴承材料。这种开发具有优化的摩擦性的烧结SiC的尝试早已是公知的事。这些尝试是基于如下的概念在紧密的SiC烧结的微结构中，掺入和均匀分布额外的少量的平均孔径＞10μm的闭孔形式的孔隙，以便在功能表面(滑动表面)中起润滑剂凹槽功能。这些大孔在功能表面的适当位置形成凹槽，凹槽可收集与贮存额外的润滑液。这种存在于孔中的液体贮槽可以保证在紧急情况时的残余润滑作用，例如在润滑剂供应暂时出现故障时，避免有关轴承件之长期处于干运转和自发故障。此处，被引入到SiC微结构中的大孔必须是以单个的形式存在，因为只有这样液压才能被积聚于孔中。在轴承材料中连续的沟道孔(开孔)是一定要避免的，以防止泄漏。然而，额外引入的孔隙能降低陶瓷件的强度，因此对孔隙率(以％体积表示)、特别是孔径必须加以限制。在DE-C-3927300(Companyshowa Denko K.K./Tokyo)中，建议供浮环密封用的多孔SiC烧结体的总孔隙率为4-14％(体积)。在这些无压烧结的SiC烧结体中的孔是相互独立的和闭合的，并具有平滑的园形表面和10-40μm的平均孔径。它们既可以通过烧结工艺(以细和粗的SiC粉末混合物为原料或通过不完全烧结)来生产，也可以优选地通过在SiC坯料中掺入塑料球，然后热解这些塑料球来生产。在后一种情况下，可以通过选择塑料球的量和平均粒径以预定目标的方式设定出特定的总孔隙率和平均孔径。如其说明书中所述，在所得的SiC烧结体中的平均孔径为10-40μm，这特别在作为滑动环的摩擦应用时，具有决定性意义多孔SiC烧结体的平均孔径小于10μm作为轴承件是不利的，因为在这样小孔的情况下润滑剂凹槽效果太差。同样，供滑动环用时多孔SiC烧结体的平均孔径大于40μm也是不合适的，因为此时浮环密封件特别容易泄漏(渗透)并增加环的磨损。增加磨损的理由被认为是这样的粗孔SiC烧结体的强度不足。例如，在SiC烧结体具有8％的孔隙率时，平均孔径由10μm变为50μm会使其强度由40kp/mm2降到20kp/mm2，即，降到其原值的一半。强度被降低到如此程度只能从出现大量的局部缺陷(单个的大孔)或裂缝来解释。因此可以断定，由于上述缺陷，在该德国专利中对具有平均孔径≥40μm的大孔SiC烧结体的良好摩擦性是并不被认可的。欧洲专利申请EP-A-486336(Company Ceramiques et Composites)公开了粗孔SiC轴承件，其总孔隙率为4-18％(体积)、平均孔径为40-200μm。这种轴承件是通过无压烧结可烧结的SiC粉末与塑料球形式的成孔添加剂来生产。然而，从该公开文献，特别是从其实施例可以看出，虽然这种“粗孔碳化硅”在供摩擦应用时其优选的平均孔径为60-100μm和总孔隙率为8-15％(体积)，但是该文献未给出其强度数据。虽然在该EP申请文件中所述的SiC轴承材料能符合低压范围，即，小压差密封例如1巴的密封和磨损要求(见EP-A-486336的实施例1)，但是它们不能满足压力范围≥10巴时的密封与磨损要求。由于在平均孔径处于60-100μm的优选范围内和高的总孔隙率同处于8-15％(体积)时SiC组件的强度被大大地降低，因此这种粗孔SiC作为在硬/硬配对中的滑动环和反转环的使用还是受到严格限制的。Carborundum Company，USA的WO93/25495公开了一种孔隙率为3-15％(体积)、具有非均匀形状的和最大孔径约为3-5μm和长宽比(纵横比)为1∶1至3∶1的细孔SiC烧结体。这些烧结体是使用具有二形态(bimodal)的粒径分布的，即，二种具有不同平均粒径的SiC粉末的混合物生产的。例如，使用一种具有平均粒径为0.5μm的细的、具有烧结活性的SiC粉末与一种具有平均粒径为3μm的粗的、具有较低烧结活性的SiC粉末的混合物。尽管作为使用价廉的粗SiC粉末的结果，这些烧结体可以以低成本来生产，但是它们在危急情况下的摩擦适应性可能需要改进，因为小于或等于5μm的微孔的润滑剂凹槽效果是很差的。Carborundum Company，USA的EP-A-578408公开了具有孔隙率为2-12％(体积)、其中孔为球形并且其直径为50-500μm的粗孔SiC烧结体。这类粗孔SiC烧结体已破Ceramiques et Composites的EP-A-486336公开。本专利技术的目的是进一步改进已知的SiC轴承材料的摩擦性能和力学性能，使其能广泛地适于各种应用，这意味着，例如，它能在低压和高压下与石墨或其自身配对地使用。按照本专利技术，此目的是通过提供一种具有独立闭孔的、孔隙率为3-10％(体积)的无压烧结SiC的多孔轴承材料而达到的，此处所说的材料具有由微孔(M)、纤维形大孔(F)和球形大孔(S)组成的三形态的孔组成，在附图说明图1的孔体系F-M-S中各形态的孔数量是由具有角点a＝10％M-80％F-10％Sb＝10％M-10％F-80％Sc＝40％M-10％F-50％Sd＝40％M-50％F-10％S的梯形区域而固定的，并且微孔的直径为小于或等于5μm，纤维形大孔的直径为小于或等于30μm、长度为小于或等于80μm和球形大孔的直径为小于或等于70μm，并且所说材料的挠曲强度至少为250MN/m2。微孔的孔径分布为0.1μm至5μm。纤维形大孔的长宽比一般为2∶1至50∶1，而优选为2∶1至20∶1。纤维形大孔的尺寸分布优选为dF＝5－25μm和lF＝10-80μm(dF＝纤维直径，lF＝纤维长度)。现已发现，纤维孔直径为8-20μm和纤维孔长度为20-70μm是尤为有利的。球形大孔的孔径分布优选为30-70μm、而特别优选为40-60μm。在紧密的SiC母料中除存在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有３－１０％（体积）的独立闭孔的无压烧结的ＳｉＣ多孔轴承材料，具有由微孔（Ｍ）、纤维形大孔（Ｆ）和球形大孔（Ｓ）组成的三形态的孔组成，在孔体系Ｆ－Ｍ－Ｓ中，各形状的孔数量是由具有角点：ａ＝１０％Ｍ－８０％Ｆ－１０％Ｓｂ＝１０％ Ｍ－１０％Ｆ－８０％Ｓｃ＝４０％Ｍ－１０％Ｆ－５０％Ｓｄ＝４０％Ｍ－５０％Ｆ－１０％Ｓ的梯形区域而固定的，并且微孔的直径为小于或等于５μｍ，纤维形大孔的直径为小于或等于３０μｍ、长度为小于或等于８０μｍ和球形大孔的直径为小于或等 于７０μｍ，并且所说材料的挠曲强度至少为２５０ＭＮ／ｍ↑［２］。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：卡尔亚历山大施韦茨，安东卡滕宁格尔，米夏埃尔冯德斯，约亨格雷姆，
申请(专利权)人：瓦克化学有限公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]