專利名稱：抗潮解氮化硼基復(fù)合材料及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬無機(jī)非金屬材料科學(xué)，高溫工程陶瓷領(lǐng)域。
BN陶瓷屬六方晶系，具有類似于石墨的層狀結(jié)構(gòu)，有良好的潤滑性，它可以在900℃的氧化氣氛和近3000℃下的惰性氣氛中使用，并且具有優(yōu)異的抗熱沖擊性能以及與大多數(shù)熔融金屬不起作用的特性，同時(shí)其導(dǎo)熱系數(shù)較大且易加工，可望用于某些高溫領(lǐng)域。
但是，一般熱壓BN材料的機(jī)械強(qiáng)度較低，韌性較差，難以應(yīng)用于受力作用的場合，同時(shí)由于原料中雜質(zhì)的存在以及不適當(dāng)燒結(jié)助劑的使用，使其制品具有易于吸潮分解的缺點(diǎn)，給制品的保存和使用帶來諸多不便，也大大限制了它作為高溫結(jié)構(gòu)工程陶瓷材料的應(yīng)用。
有關(guān)文獻(xiàn)曾涉及到一般熱壓BN材料，多數(shù)目的為改善材料的電性能、但作為高溫結(jié)構(gòu)工程陶瓷材料，利用普通熱壓工藝制備的BN制品則具有易吸潮分解的缺點(diǎn)，在熱應(yīng)力及熱沖擊作用下極易產(chǎn)生受熱膨脹破壞，而且一般熱壓BN材料的機(jī)械強(qiáng)度較差，熱膨脹各向異性現(xiàn)象嚴(yán)重，作為結(jié)構(gòu)工程材料使用其機(jī)械安全可靠性難以滿足要求。
本發(fā)明的目的在于通過復(fù)合燒結(jié)助劑的使用及彌散第二相材料的加入，在達(dá)到BN材料致密化燒結(jié)的同時(shí)，使制品避免易于潮解的缺點(diǎn)，同時(shí)提高BN材料的室溫及高溫機(jī)械強(qiáng)度，改善材料物理性能的各向異性現(xiàn)象，使其適合于在高溫、熱沖擊、機(jī)械受力及腐蝕的環(huán)境條件下使用。
本發(fā)明以BN為連續(xù)根基體材料，保持了BN材料的優(yōu)良抗熱沖擊性，與大多數(shù)金屬不起作用以及制品易于加工等優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明中添加適量的氮化硅作為彌散第二相，既改善了BN材料的燒結(jié)性能，也提高了材料的室溫及高溫機(jī)械強(qiáng)度，改善了材料的各向異性現(xiàn)象，調(diào)整了材料的導(dǎo)熱系數(shù)，提高了材料的耐熔鋼侵蝕性及耐磨損性。
本發(fā)明中復(fù)合燒結(jié)助劑的使用，避免和抑制了BN原料中及燒結(jié)體中硼的氧化物的存在，既有利地促進(jìn)了材料的致密化燒結(jié)，又使材料具有了不怕潮解的特點(diǎn)，使制品在工業(yè)生產(chǎn)及使用過程中非常方便，減少了因防潮密閉等保存條件帶來的許多不便和成本上升。
本發(fā)明材料的特點(diǎn)是材料的密度及機(jī)械強(qiáng)度均較高，抗熱沖擊性能好，改善了材料的物理性能各向異性觀象，耐熔鋼侵蝕性好，不易吸潮分解，摩擦系數(shù)少，機(jī)加工性好及易于保存和使用。
本發(fā)明的詳細(xì)說明是使用微細(xì)氮化硼粉末(平均粒徑＜10μ)作為連續(xù)相基體材料，使用微細(xì)氮化硅粉末(平均粒徑＜10μ，α相＞80％)作為彌散相添加組分。從微細(xì)(平均粒徑＜10μ)鎂鋁尖晶石粉末，硅、鋁及其氧化物粉末，碳粉等選取2～4種做為復(fù)合燒結(jié)助劑。按照重量百分比為BN粉∶40～90％，彌散相添加劑(Si9H4或SiC)5～40％，燒結(jié)助劑5～15％的比例進(jìn)行混合配料。以乙醇或其他有機(jī)溶劑作為分散介質(zhì)，在氧化鋁質(zhì)磨或瓷質(zhì)磨以及襯有或不襯有有機(jī)內(nèi)襯的其他球磨中混合4～20小時(shí)，經(jīng)干燥后做為原始粉料。
將上述原始粉料裝入設(shè)計(jì)為一定形狀的石墨坩堝內(nèi)，然后放入熱壓電爐內(nèi)，在非氧化氣氛保護(hù)下，誘導(dǎo)加熱到1600～1950℃，保溫10～100分鐘，同時(shí)對樣品施加10～40MPa的軸向壓力，然后自由冷卻或控制降溫速率至室溫，即成為熱壓BN基工程陶瓷材料。
實(shí)施例一按上述對原始粉料的要求，以BN粉為50％，氮化硅為40％，SiO2為5％，Al2O3為5％的重量百分比進(jìn)行稱量配料，以乙醇為分散介質(zhì)，在球磨中滾動(dòng)混磨15小時(shí)后，將混合料置于干燥箱中進(jìn)行烘干，除去乙醇等揮發(fā)物后，再將干燥的混合料裝于設(shè)計(jì)成一定形狀的石墨坩堝中，然后將石墨坩堝放入熱壓電爐的高溫帶中，通入氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)性氣體，以20℃/分鐘的升溫速率加熱到1750℃，保溫1小時(shí)，同時(shí)對樣品施加30MPa的軸向壓力，保溫結(jié)束后，控制降溫速率至室溫，即完成熱壓燒結(jié)工藝，制成為抗潮解熱壓BN料。根據(jù)使用目的的不同。設(shè)計(jì)不同的模具形狀。即可制備BN材料制品，用這種材料可制備外形尺寸為Φ300mm方坯以下，180mm方坯以下的水平連續(xù)鑄鋼用分離環(huán)，能滿足不同工藝條件下，不同鋼種的水平連鑄使用要求。
實(shí)施例二按照實(shí)施例一的工藝步驟，改變原料百分配比為BN粉末為80％，氮化硅粉末為10％，鎂鋁尖晶石4％，SiO2為4％，C粉2％，并在1850℃溫度下熱壓，即可成為熱壓BN基工程陶復(fù)合材料。
本發(fā)明的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域是作為水平連續(xù)鑄鋼用分離環(huán)。
水平連鍍是一種新型連續(xù)鑄鋼工藝，由于這種工藝具有設(shè)備簡單，建設(shè)投資小，金屬收得率高，節(jié)約能源，可省去二次開坯等工藝特點(diǎn)，近年來在國內(nèi)外均得到了較快的發(fā)展，分離環(huán)是水平連鑄的三大技術(shù)關(guān)鍵之一，它位于中間包和結(jié)晶器的接合處。工作時(shí)，其內(nèi)外表面承受著約150～1500℃以上溫差所引起的熱應(yīng)力作用，并處于鋼水的不斷侵蝕和劇烈的熱沖擊，機(jī)械沖擊力的作用。因此一般耐火材料難以滿足其性能要求。它要求分離環(huán)具有1、優(yōu)良的抗熱震及抗剝落性能。
2、優(yōu)良的耐熔鋼侵蝕及磨損性。
3、與鋼水浸潤角大。
4、良好的高溫機(jī)械強(qiáng)度。
5、良好的機(jī)加工性。
本發(fā)明材料能滿足以上性能要求，可成功用于1500℃～1600℃下的炭鋼，合金鋼，不銹鋼等鋼種的水平連續(xù)鑄造。
本發(fā)明材料還可用于其它高溫、腐蝕、受力的環(huán)境中作為高溫工程陶瓷應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種BN基陶瓷復(fù)合材料的制造方法，其特征為以40～90％重量百分比的BN粉末，5～40％重量百分比的氮化硅粉末，5～15％重量百分比的燒結(jié)助劑(包括鎂鋁尖晶石、硅、鋁及其氧化物、炭粉等)為原料。經(jīng)混合工藝和高溫?zé)釅汗に囍苽涠傻腂N基陶瓷復(fù)合材料。
2.如權(quán)利1所述的BN基陶瓷復(fù)合材料其制備工藝特征為以乙醇(或其他有機(jī)溶劑)為分散介質(zhì)，在球磨中或機(jī)械攪拌中混和4～20小時(shí)后，經(jīng)干燥后作為熱壓原始粉料。
3.如權(quán)利1所述的混和原始粉料，其熱壓工藝特征為粉料裝入設(shè)計(jì)成一定形狀的石墨坩堝中，并放進(jìn)熱壓電爐的高溫帶，在惰性氣氛保護(hù)下，誘導(dǎo)加熱到1600～1950℃，保溫10～100分鐘，同時(shí)對樣品施加10～40MPa的軸向壓力，保溫結(jié)束后，自由冷卻或控制降溫速率冷卻至室溫，即成為BN基陶瓷材料。
4.本發(fā)明材料可用來制備水平連鑄分離環(huán)用不同鋼種炭鋼、合金、不銹鋼等)的水平連續(xù)鑄造生產(chǎn)。本發(fā)明材料也可用來制備其他在高溫、受力及腐蝕環(huán)境下使用的工程陶瓷部件。
全文摘要
本發(fā)明屬無機(jī)非金屬材料科學(xué)，高溫工程陶瓷領(lǐng)域。本發(fā)明通過在BN基體材料中加入適量Si本發(fā)明可用來制備水平連鑄用分離環(huán)及其它高溫，腐蝕及受力環(huán)境下使用的工程陶瓷部件。
文檔編號(hào)C04B35/58GK1049326SQ8910555
公開日1991年2月20日 申請日期1989年8月11日 優(yōu)先權(quán)日1989年8月11日
發(fā)明者隋萬美, 陳虹 申請人:國家建筑材料工業(yè)局山東工業(yè)陶瓷研究設(shè)計(jì)院