專利名稱：一種無水泥的原位氮化硅結(jié)合碳化硅預(yù)制件及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種工業(yè)高溫領(lǐng)域所用的碳化硅預(yù)制件，尤其涉及一種無水泥的原位 氮化硅結(jié)合碳化硅預(yù)制件及制備方法。
背景技術(shù)：
目前，水泥窯的風力管道、高爐爐喉和風口、熔融金屬的輸送管道及形狀復雜的結(jié) 構(gòu)部件等處使用的材料主要為剛玉基材料和氮化物結(jié)合的碳化硅基耐火材料。這些材料存 在以下不足(1)水泥作為結(jié)合體系的組分之一。由于水泥中含有鈣鹽，在鋁硅系的耐火材 料中，鈣的化合物在高溫下會生成低熔點相，影響材料的熱態(tài)性能。(2)大噸位的機壓成形， 生產(chǎn)投資大，成本高，周期長。(3)由于采用機壓成形，無法制作結(jié)構(gòu)復雜的元件。(4)氮化 硅結(jié)合碳化硅材料有的是在原料中直接加入氮化硅，由于碳化硅和氮化硅都是共價健極強 的化合物，在很高的溫度下仍能保持高的鍵合強度，決定了添加氮化硅結(jié)合碳化硅的材料 其熱處理過程對溫度的要求高，對性能的改善是有限的。(5)氮化硅結(jié)合碳化硅材料有的是 在原料中加入金屬硅粉，在高純氮氣中高溫下讓材料組分發(fā)生反應(yīng)生成碳化硅，但由于是 采用機壓成形的工藝，制品中殘硅含量較高，氮化物晶體發(fā)育不完全，導致在高溫使用條件 下熔融硅對材料強度的不利影響。以上這些缺點導致碳化硅基的耐火材料無法應(yīng)用于高溫 工業(yè)中形狀復雜、對性能要求苛刻的部位。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決上述技術(shù)問題存在的不足，提供一種易施工，成本低，產(chǎn) 品形狀靈活，熱態(tài)強度高，抗侵蝕性強，致密耐磨的無水泥原位氮化硅結(jié)合的碳化硅預(yù)制件 以及它的制備方法。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是這種無水泥的原位氮化硅結(jié)合碳化硅預(yù)制件是由碳 化硅、金屬硅粉、氧化鋁微粉、二氧化硅微粉和水硬性氧化鋁為原料，外加分散劑和水或硅 溶膠組成。原料中碳化硅、金屬硅粉、氧化鋁微粉、二氧化硅微粉、水硬性氧化鋁的重量份數(shù) 及加入比例為碳化硅81-90份，金屬硅粉7-12份，氧化鋁微粉2-10份，二氧化硅微粉0_6 份，水硬性氧化鋁0-6份，總份數(shù)為100份。水或硅溶膠、分散劑的加入量分別占碳化硅、金 屬硅粉、氧化鋁微粉、二氧化硅微粉和水硬性氧化鋁總重量的百分比為水4-7%或硅溶膠 8% -16%，分散劑 0. 01-0. 015%。所述的碳化硅具有不同的粒度等級，其粒度分布在0-0. 044mm、0. 044mm_0. 074mm、 0. 074-lmm、l-3mm、3-5mm中的兩個或兩個以上的粒度區(qū)間。所述的金屬硅粉具有不同的粒度等級，其粒度分布在0-0. 02mm、0. 02mm_0.044mm、 和0. 044mm-0. 074mm中的1個或1個以上的區(qū)間。所述的硅溶膠的特征為二氧化硅的重量占整個硅溶膠的重量的40%。所述的分散劑為三聚磷酸鈉和六偏磷酸鈉的混合物，其中三聚磷酸鈉占碳化硅、金屬硅粉、氧化鋁微粉、二氧化硅微粉和水硬性氧化鋁總重量的百分比0. 003-0. 006%，六 偏磷酸鈉占碳化硅、金屬硅粉、氧化鋁微粉、二氧化硅微粉和水硬性氧化鋁總重量的百分比 0. 007-0. 01%。將上述各原料按以上比例進行配料，混合均勻后，采用振動澆注的方法成形，經(jīng)養(yǎng) 護、干燥后，在高純流動氮氣中高溫氮化處理，得到這種無水泥的原位氮化硅結(jié)合碳化硅預(yù) 制件。本發(fā)明的原理在于應(yīng)用“原位形成氮化硅”的理念，改變在原料中直接加入氮化 硅的方式，而是在原料中加入金屬硅粉，在高純流動氮氣及高溫條件下，使金屬硅粉和氮氣 “原位”的生成氮化硅的結(jié)合相。在顆粒間存在一些相互連通的氣孔，通氮氣氮化形成的氮 化硅就在這些氣孔中生長，與其它基質(zhì)或顆粒緊密結(jié)合在一起，從實驗樣品的顯微結(jié)構(gòu)分 析顯示，基質(zhì)中各物相呈均勻分布，大量的網(wǎng)絡(luò)狀骨架結(jié)構(gòu)的氮化硅結(jié)合相穿插其間，這樣 的結(jié)構(gòu)會使最終材料的熱態(tài)強度、韌性、耐磨性等性能得到大幅度地提高。本發(fā)明采用了無水泥結(jié)合體系。硅溶膠和水硬性氧化鋁結(jié)合屬于無水泥結(jié)合。由 于水泥中含有鈣，在氧化鋁和氧化硅的基質(zhì)中，如果有鈣的化合物在高溫下會形成低熔點 相，對材料的最終強度是不利的，尤其是熱態(tài)強度、熱態(tài)耐磨性。而采用無水泥結(jié)合，避免了 高溫下低熔點物的形成，從而有利于熱態(tài)強度的提高。成形方式采用振動澆注成形而不是機壓成形，具有以下好處(1)帶入的水在常 溫下是潤滑劑，可促進顆粒重排，達到緊密堆積，有利于提高最終材料的致密度，強度，耐磨 性等；(2)水蒸發(fā)后形成的連通氣孔網(wǎng)絡(luò)，為氮氣進入提供通道，增加反應(yīng)面積，有利于原 位反應(yīng)發(fā)生，并可使形成的氮化硅呈網(wǎng)絡(luò)狀分布，提高最終材料的熱態(tài)強度，抗蠕變性，抗 侵蝕性等；(3)可以制作任何形狀的產(chǎn)品；(4)簡化施工，節(jié)約成本。添加了不同粒度分布范圍、粒度更小的金屬硅粉，提高了活性，更易發(fā)生原位氮化 反應(yīng)。本發(fā)明的制備方法為步驟一、混料及攪拌，按配比配好原料，加入分散劑，在砂漿攪拌機進行攪拌。攪拌 后加入硅溶膠或水，加入量根據(jù)流動值在170-180mm之間控制，但最多不宜超過7%，攪拌3 分鐘。步驟二、成形、養(yǎng)護及干燥，成形將模具安置在振動臺上，加入攪拌好的混合料開 始振動，邊振動邊加料，至料表面泛漿，氣泡溢出；振動結(jié)束用抹刀將表面高出的料抹去，并 將表面抹平。成形時應(yīng)避免振動時間過長導致偏析，一般振動時間為90-120S。養(yǎng)護將澆 注好的試樣和模具在空氣中靜置養(yǎng)護24h后脫模，脫膜后再自然養(yǎng)護24h。干燥養(yǎng)護后的 試樣要在烘箱內(nèi)進行110°C X24h烘干處理，關(guān)閉電源待其自然冷卻到室溫。在試樣之間鋪 一層鎂砂。步驟三、氮化熱處理，干燥后的試樣放入氣氛爐中，抽真空后通入99. 999%的高純 氮氣，保持氮氣壓力在0. 2MPa,按照5°C /min開始升溫，到800°C開始通流動氮氣，即調(diào)節(jié)氣 氛爐的卸壓閥，保持氮氣流量在600L/h左右，保持爐內(nèi)壓力0. 2MPa，升溫速度減少為3°C / min,并在1280°C保溫60min，之后以1°C /min的速度升溫到1420°C，并保溫360min。結(jié)束 后，氮氣保護下冷卻至室溫，出爐后得到這種無水泥的原位氮化硅結(jié)合碳化硅預(yù)制件。所得碳化硅預(yù)制件的體積密度在2.6_2.88/(^3之間，12001熱態(tài)抗折強度最高達到56. 82MPa,顯微結(jié)構(gòu)分析結(jié)果顯示，基質(zhì)中各物料分布均勻，生成的氮化硅含量在 6% -7%之間，呈網(wǎng)絡(luò)狀骨架結(jié)構(gòu)分布，氣孔分布均勻，多為微氣孔，大氣孔少見，硅含量小 于0.3%，斷裂方式為穿顆粒斷裂。本發(fā)明的有益效果在于通過在原料中添加不同粒度的金屬硅粉、采用無水泥結(jié) 合體系，振動澆注的方法成形，不僅方便了施工，而且成形形狀更加靈活，在高溫氮氣下更 容易發(fā)生原位氮化反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物和反應(yīng)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)更有利于提高碳化硅顆粒間的結(jié)合， 并避免了低熔點相的出現(xiàn)，可大幅度提高材料的熱態(tài)強度、致密性、耐磨性、抗腐蝕等性能， 最終得到的材料可在高溫、高磨損、高強度、高侵蝕等使用條件惡劣且結(jié)構(gòu)復雜的情況下廣 泛使用。
具體實施例方式以下實施例詳細說明了本發(fā)明。實施例1 將碳化硅83份，0-0. 074mm的金屬硅粉9份，水硬性氧化鋁3份，二氧化硅微粉5 份，總份數(shù)為100份，外加三聚磷酸鈉0. 006 %，外加六偏磷酸鈉0. 009 %加入砂漿攪拌機攪 拌Imin。攪拌后加入4. 7% (外加)的水，水加完后再攪拌3min。其中3-5mm的碳化硅顆粒20份，l_3mm的碳化硅顆粒26份，0. 074-lmm的碳化硅 顆粒21份，0. 044mm-0. 074mm的碳化硅8份，0-0. 044mm的碳化硅8份。實施例2 將碳化硅83份，0-0. 044mm和0. 044mm-0. 074mm的金屬硅粉各4. 5份，水硬性氧 化鋁3份，二氧化硅微粉5份，總份數(shù)為100份，外加三聚磷酸鈉0. 006 %，外加六偏磷酸鈉 0. 009%加入砂漿攪拌機攪拌Imin。攪拌后加入4. 7% (外加)的水，水加完后再攪拌3min。其中3-5mm的碳化硅顆粒20份，l_3mm的碳化硅顆粒26份，0. 074-lmm的碳化硅 顆粒21份，0. 044mm-0. 074mm的碳化硅8份，0-0. 044mm的碳化硅8份。實施例3 將碳化硅83 份，0-0. 02mm、0. 02mm-0. 044mm 和 0. 044mm-0. 074mm 的金屬硅粉各 3 份，水硬性氧化鋁3份，二氧化硅微粉5份，總份數(shù)為100份，外加三聚磷酸鈉0. 006 %，外加 六偏磷酸鈉0.009%加入砂漿攪拌機攪拌lmin。攪拌后加入4.7% (外加)的水，水加完后 再攪拌3min。其中3-5mm的碳化硅顆粒20份，l_3mm的碳化硅顆粒26份，0. 074-lmm的碳化硅 顆粒21份，0. 044mm-0. 074mm的碳化硅8份，0-0. 044mm的碳化硅8份。實施例4:將碳化硅85份，0-0. 044mm和0. 044mm-0. 074mm的金屬硅粉各4. 75份，氧化鋁微 粉5. 5份，總份數(shù)100份，外加三聚磷酸鈉0. 006%,外加六偏磷酸鈉0. 009%加入砂漿攪拌 機攪拌lmin。后開始加入12. 5% (外加)的硅溶膠，硅溶膠加完后再攪拌3min。其中3-5mm的碳化硅顆粒20份，l_3mm的碳化硅顆粒25份，0. 074-lmm的碳化硅 顆粒22份，0. 044mm-0. 074mm的碳化硅8份，0-0. 044mm的碳化硅8份。實施例1、2、3和4的后續(xù)制備工藝為將模具安置在振動臺上，加入攪拌好的混合料開始振動95s，邊振動邊加料，至試料表面泛漿，氣泡溢出；振動結(jié)束用抹刀將表面高出的料抹去，并將表面抹平。將澆注好的試樣和模具在空氣中靜置養(yǎng)護24h后脫模，脫膜后再自然養(yǎng)護24h，入110°C烘箱進行24h烘干處理，試樣之間鋪一層鎂砂。干燥后的試樣放入 氣氛爐中，抽真空后通入99. 999 %的高純氮氣，保持氮氣壓力在0. 2MPa,按照5°C /min開始 升溫；到800°C開始通流動氮氣，即調(diào)節(jié)氣氛爐的卸壓閥，氮氣流量控制在600L/h左右，保 持爐內(nèi)壓力0. 2MPa,同時升溫速度減少為3°C /min，在1280°C保溫60min，之后以1°C /min 的速度升溫到1420°C，在1420°C保溫360min。結(jié)束后，氮氣保護下冷卻至室溫，出爐后得到 這種無水泥的原位氮化硅結(jié)合碳化硅預(yù)制件。
權(quán)利要求
一種無水泥的原位氮化硅結(jié)合碳化硅預(yù)制件，其特征在于由碳化硅、金屬硅粉、氧化鋁微粉、二氧化硅微粉和水硬性氧化鋁為原料，外加分散劑，水或硅溶膠組成；其中碳化硅81-90份，金屬硅粉7-12份，氧化鋁微粉2-10份，二氧化硅微粉0-6份，水硬性氧化鋁0-6份，總份數(shù)為100份；水或硅溶膠、分散劑的加入量分別占碳化硅、金屬硅粉、氧化鋁微粉、二氧化硅微粉和水硬性氧化鋁總重量的百分比為水4-7％或硅溶膠8％-16％，分散劑0.01-0.015％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述無水泥的原位氮化硅結(jié)合碳化硅預(yù)制件，其特征在于碳化硅 粒度分布在 0-0. 044mm、0. 044mm-0. 074mm、0. 074_lmm、l-3mm、3-5mm 中的兩個或兩個以上的粒度區(qū)間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述無水泥的原位氮化硅結(jié)合碳化硅預(yù)制件，其特征在于金屬硅 粉粒度分布在0-0. 02mm、0. 02mm-0. 044mm、和0. 044mm-0. 074mm中的1個或1個以上的區(qū)間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述無水泥的原位氮化硅結(jié)合碳化硅預(yù)制件，其特征在于分散劑 為三聚磷酸鈉和六偏磷酸鈉的混合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述無水泥的原位氮化硅結(jié)合碳化硅預(yù)制件的制備方法，其特征在于步驟一、混料及攪拌，按配比配好原料，加入分散劑，在砂漿攪拌機進行攪拌，攪拌后加 入硅溶膠或水，加入量根據(jù)流動值在170-180mm之間控制，攪拌3分鐘；步驟二、成形、養(yǎng)護及干燥，成形將模具安置在振動臺上，加入攪拌好的混合料開始 振動，邊振動邊加料；振動結(jié)束用抹刀將表面高出的料抹去，并將表面抹平，振動時間為 90-120S，養(yǎng)護將澆注好的試樣和模具在空氣中靜置養(yǎng)護24h后脫模，脫膜后再自然養(yǎng)護 24h，干燥養(yǎng)護后的試樣要在烘箱內(nèi)進行110°C X24h烘干處理，關(guān)閉電源待其自然冷卻到 室溫，在試樣之間鋪一層鎂砂；步驟三、氮化熱處理，干燥后的試樣放入氣氛爐中，抽真空后通入99. 999%的高純氮 氣，保持氮氣壓力在0. 2MPa,按照5°C /min開始升溫，到800°C開始通流動氮氣，保持氮氣 流量在600L/h左右，保持爐內(nèi)壓力0. 2MPa，升溫速度減少為3°C /min，并在1280°C保溫 60min，再以1°C /min的速度升溫到1420°C，并保溫360min ；結(jié)束后，氮氣保護下冷卻至室 溫，出爐后得到這種無水泥的原位氮化硅結(jié)合碳化硅預(yù)制件。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無水泥的原位氮化硅結(jié)合碳化硅預(yù)制件及其制備方法。這種無水泥的原位氮化硅結(jié)合碳化硅預(yù)制件是由碳化硅、金屬硅粉、氧化鋁微粉、二氧化硅微粉和水硬性氧化鋁為原料，外加分散劑，水或硅溶膠組成。采用振動澆注的方法成形，經(jīng)養(yǎng)護、干燥后，在高純流動氮氣中高溫氮化處理。這種產(chǎn)品具有易施工，成本低，產(chǎn)品形狀靈活，熱態(tài)強度高，抗侵蝕性強，耐磨性高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于水泥窯的風力管道、高爐爐喉和風口、熔融金屬的輸送管道和垃圾焚燒爐等對熱態(tài)性能要求苛刻的部位。
文檔編號C04B35/66GK101823892SQ20101015965
公開日2010年9月8日 申請日期2010年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月29日
發(fā)明者于仁紅, 周寧生, 孟慶新, 張三華, 畢玉保, 王慧芳, 胡書禾 申請人:河南科技大學