氮化硼復(fù)相陶瓷的過渡相輔助低溫?zé)Y(jié)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氮化硼復(fù)相陶瓷的燒結(jié)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著世界經(jīng)濟(jì)和科技的飛速發(fā)展，帶動航空航天、交通水利、城鎮(zhèn)建設(shè)對金屬材料的需求日益增長，特別是特種金屬材料的冶煉和加工成為各國競相發(fā)展的主要領(lǐng)域，每個(gè)國家都將其列入國計(jì)民生的重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域。而特種金屬冶煉技術(shù)對耐火材料提出了苛刻的要求，要求抗侵蝕性能強(qiáng)、無二次污染、優(yōu)異的高溫力學(xué)性能和高溫使用穩(wěn)定性。這就導(dǎo)致傳統(tǒng)的高鋁磚、高鎂磚等耐火材料體系已經(jīng)不能滿足特殊工況需求，亟需新型的耐火材料的研制開發(fā)。
[0003]六方氮化硼材料，具有高溫自潤滑作用、熱膨脹系數(shù)低、熱導(dǎo)率高、抗熱震性能好、高溫化學(xué)穩(wěn)定性良好、對凝固物的剝離性好、與熔融金屬不浸潤等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于熔煉金屬的坩禍、輸送液體金屬的管道以及澆鑄模具等領(lǐng)域，能夠滿足對特殊冶煉工藝對高性能耐火材料的使用需求。但六方氮化硼為共價(jià)鍵化合物，具有熔點(diǎn)高、固相擴(kuò)散系數(shù)低等本征特征。特別是六方片層結(jié)構(gòu)在燒結(jié)中極易相互搭接形成卡片房結(jié)構(gòu)，阻礙氮化硼顆粒之間的相互燒結(jié)。故氮化硼及其復(fù)合材料的燒結(jié)溫度較高，燒結(jié)較為困難。常規(guī)的熱壓燒結(jié)需高溫高壓條件，大部分在1800?2000攝氏度，才能制備出滿足使用性能要求的復(fù)相陶瓷材料，導(dǎo)致氮化硼復(fù)相陶瓷制品的制備成本較高，阻礙了氮化硼復(fù)相陶瓷材料在特種冶煉工業(yè)上的廣泛應(yīng)用和市場推廣。盡管添加低熔點(diǎn)燒結(jié)助劑和原位固相反應(yīng)等燒結(jié)工藝能夠有效降低氮化硼復(fù)相陶瓷的燒結(jié)溫度，降低生產(chǎn)成本，但所帶來的低熔點(diǎn)相殘留導(dǎo)致制品性能下降以及反應(yīng)燒結(jié)不確定性，特別是材料組份受反應(yīng)體系的制約，不能隨意進(jìn)行材料組份設(shè)計(jì)，難以滿足實(shí)際工況對材料性能的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有氮化硼復(fù)相陶瓷燒結(jié)溫度高，制備得到的復(fù)相陶瓷晶粒粗大和力學(xué)性能差的問題，提供了一種氮化硼復(fù)相陶瓷的過渡相輔助低溫?zé)Y(jié)方法。
[0005]氮化硼復(fù)相陶瓷的過渡相輔助低溫?zé)Y(jié)方法如下:
[0006]—、將復(fù)合燒結(jié)助劑加入酒精分散介質(zhì)中，球磨10?48h后，在80°C?150°C溫度下干燥10?48h，然后將干燥后的混合粉末過200目標(biāo)準(zhǔn)篩，得到復(fù)合燒結(jié)助劑粉末；
[0007]二、將復(fù)合燒結(jié)助劑粉末與氮化硼粉末按照體積比為(5?35): (65?95)的比例加入酒精分散介質(zhì)中，球磨10?48小時(shí)后，在80°C?150°C溫度下干燥10?48h，過200目標(biāo)準(zhǔn)篩，得混合均勻的氮化硼復(fù)合粉末；
[0008]三、將氮化硼復(fù)合粉末在真空或惰性氣氛條件下，以10?20°C /min的升溫速率升溫，在800°C?1000°C開始加壓，在1000°C?1400°C時(shí)加壓至20MPa?60MPa，并在1000°C?1500°C溫度條件下保溫保壓I?5h，繼續(xù)升溫至1500°C?1700°C，保溫保壓I?5h后，再以15?20°C /min的降溫速率降至室溫，即得氮化硼復(fù)相陶瓷；
[0009]步驟一中所述復(fù)合燒結(jié)助劑為氧化物、硼化物及碳化物中的兩種或三種的組合；
[0010]所述的氧化物為二氧化鈦、三氧化二硼、三氧化媽及五氧化二f凡中的一種或兩種；
[0011]所述的硼化物為五硼化二鎢或二硼化鈦；
[0012]所述的碳化物為碳化鈦、碳化硼、碳化硅、碳化鎢或碳化釩；
[0013]步驟三中所述的惰性氣氛為氮?dú)鈿夥栈驓鍤鈿夥铡?br>[0014]步驟一中所述分散介質(zhì)也可以為無水乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55%?95%的無水乙醇水溶液或無水乙醇。
[0015]所述二氧化鈦可以為二氧化錯(cuò)、二氧化給或二氧化鉭。
[0016]所述二硼化鈦可以為二硼化鋯、二硼化鉿、二硼化釩或二硼化鉭。
[0017]所述碳化鈦可以為碳化鋯、碳化鉿、碳化釩或碳化鉭。
[0018]步驟一中所述復(fù)合燒結(jié)助劑為氧化物、硼化物及碳化物中的三種組合時(shí)，氧化物、硼化物與碳化物的摩爾比為(0.5?5): (0.5?5):1。
[0019]本發(fā)明采用兩段式燒結(jié)工藝，第一段為低溫?zé)Y(jié)階段:特征在于兩步法的燒結(jié)溫度和加壓時(shí)間與步驟一中所設(shè)計(jì)的復(fù)合燒結(jié)助劑存在對應(yīng)關(guān)系，需在復(fù)合燒結(jié)助劑發(fā)生固相化學(xué)反應(yīng)時(shí)的溫度前后設(shè)計(jì)保溫溫度、保溫時(shí)間、燒結(jié)壓力、保壓時(shí)間和燒結(jié)氣氛的燒結(jié)工藝制度參數(shù)，完成復(fù)合粉末顆粒重排和氣孔排除，復(fù)合粉末顆粒表面結(jié)晶化，有利于實(shí)現(xiàn)氮化硼復(fù)相陶瓷的初期燒結(jié)致密化；第二段為高溫?zé)Y(jié)階段，高溫?zé)Y(jié)階段可以進(jìn)一步促進(jìn)復(fù)合粉末顆粒之間的相互傳質(zhì)，有利于復(fù)合材料的致密化，調(diào)控顯微組織結(jié)構(gòu)。
[0020]本發(fā)明所提出的氮化硼復(fù)相陶瓷的過渡相輔助低溫?zé)Y(jié)技術(shù)，可有效的控制反應(yīng)物之間的化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動力和燒結(jié)驅(qū)動力，抑制物相顆粒異常長大，有效解決分布不均勻及氣孔和局部組織偏聚等造成的缺陷，降低了氮化硼復(fù)相陶瓷的燒結(jié)溫度。所制備的材料晶粒細(xì)小，具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，同時(shí)降低了氮化硼復(fù)相陶瓷材料的制備成本，擴(kuò)展了應(yīng)用范圍。
[0021]本發(fā)明在燒結(jié)溫度低于1700°C的條件下熱壓制備氮化硼復(fù)相陶瓷致密度可達(dá)到95%以上，并具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能和熱機(jī)械性能。側(cè)封板經(jīng)過100tC熱震溫差熱震后沒有裂紋產(chǎn)生，經(jīng)過800°C熱震溫差熱循環(huán)熱震20次不存在斷裂現(xiàn)象，與結(jié)晶輥具有良好的摩擦磨損相容性，相互摩擦系數(shù)小于0.3，具有良好的抗鋼水侵蝕性能，在1600°C侵蝕條件下，侵蝕40分鐘侵蝕深度小于750 μ m，各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足側(cè)封板實(shí)際使用工況要求。
【具體實(shí)施方式】
[0022]本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉【具體實(shí)施方式】，還包括各【具體實(shí)施方式】間的任意組合。
[0023]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式氮化硼復(fù)相陶瓷的過渡相輔助低溫?zé)Y(jié)方法如下:
[0024]—、將復(fù)合燒結(jié)助劑加入酒精分散介質(zhì)中，球磨10?48h后，在80°C?150°C溫度下干燥10?48h，然后將干燥后的混合粉末過200目標(biāo)準(zhǔn)篩，得到復(fù)合燒結(jié)助劑粉末；
[0025]二、將復(fù)合燒結(jié)助劑粉末與氮化硼粉末按照體積比為(5?35): (65?95)的比例加入酒精分散介質(zhì)中，球磨10?48小時(shí)后，在80°C?150°C溫度下干燥10?48h，過200目標(biāo)準(zhǔn)篩，得混合均勻的氮化硼復(fù)合粉末；
[0026]三、將氮化硼復(fù)合粉末在真空或惰性氣氛條件下，以10?20°C /min的升溫速率升溫，在800°C?1000°C開始加壓，在1000°C?1400°C時(shí)加壓至20MPa?60MPa，并在1000°C?1500°C溫度條件下保溫保壓I?5h，繼續(xù)升溫至1500°C?1700°C，保溫保壓I?5h后，再以15?20°C /min的降溫速率降至室溫，即得氮化硼復(fù)相陶瓷；
[0027]步驟一中所述復(fù)合燒結(jié)助劑為氧化物、硼化物及碳化物中的兩種或三種的組合；
[0028]所述的氧化物為二氧化鈦、三氧化二硼、三氧化媽及五氧化二f凡中的一種或兩種；
[0029]所述的硼化物為五硼化二鎢或二硼化鈦；
[0030]所述的碳化物為碳化鈦、碳化硼、碳化硅、碳化鎢或碳化釩；
[0031]步驟三中所述的惰性氣氛為氮?dú)鈿夥栈驓鍤鈿夥铡?br>[0032]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同的是步驟一中所述分散介質(zhì)也