氮化硼復相陶瓷側(cè)封板低溫熱壓燒結(jié)方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氮化硼復相陶瓷側(cè)封板燒結(jié)方法。
【背景技術】
[0002]六方氮化硼陶瓷材料，具有高溫自潤滑作用、熱膨脹系數(shù)低、熱導率高、抗熱震性能好、高溫化學穩(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，是先進陶瓷材料家族中重要的一員，可廣泛應用于航空航天、高溫承載、防熱透波、金屬冶煉以及高溫摩擦磨損等關鍵工程領域。但氮化硼具有高熔點、共價鍵強和自擴散系數(shù)低等物理特性，以及在燒結(jié)過程中易形成卡片房結(jié)構，即使施加外力也很難將其破壞。采用一般的常規(guī)熱壓燒結(jié)工藝，需在1800?2000°C，20?40MPa的高溫熱壓條件下才能將其燒結(jié)致密，增加了氮化硼陶瓷材料的制備成本，阻礙了氮化硼材料在工程領域的廣泛應用。此外，高溫燒結(jié)也會導致材料的晶粒長大和力學性能降低。
[0003]盡管傳統(tǒng)低熔點添加劑能夠促進氮化硼復相陶瓷材料燒結(jié)致密化，提高室溫力學性能，但原始低熔點燒結(jié)助劑的大量殘留導致熱機械性能受到顯著的影響，高溫抗彎強度和抗熱蠕變性能明顯降低。采用反應熱壓和自蔓燃燒結(jié)技術能夠在較低的燒結(jié)溫度下制備氮化硼復相陶瓷材料，但原材料體系、反應物顆粒尺寸、制備工藝參數(shù)等因素對材料的組織結(jié)構和性能影響較大，材料性能穩(wěn)定性和可重復性降低，難以滿足實際工程應用對材料使用性能穩(wěn)定的要求。因而，制備大尺寸氮化硼復相陶瓷材料更傾向于采用傳統(tǒng)的熱壓燒結(jié)工藝，但如何有效發(fā)揮低熔點相助燒作用以及避免其對高溫性能不良影響的矛盾一直是困擾人們的難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有氮化硼復相陶瓷制備中燒結(jié)溫度高和低熔點燒結(jié)助劑過分殘留，導致力學性能降低的問題，提供了一種氮化硼復相陶瓷側(cè)封板低溫熱壓燒結(jié)方法。
[0005]氮化硼復相陶瓷側(cè)封板低溫熱壓燒結(jié)方法如下:
[0006]—、將含硼化合物、過渡金屬氧化物和碳化硅按照摩爾比3?6: (3?8):5的比例混合后加入分散介質(zhì)中，球磨10?48小時后，在80°C?100°C溫度下真空干燥10?48h，然后將干燥后的混合粉末球磨破碎過200目篩，得到混合均勻的復合燒結(jié)助劑粉末；
[0007]二、將復合燒結(jié)助劑粉末與氮化硼粉末按照體積比為(10?25): (75?90)的比例加入分散介質(zhì)中，球磨24小時后，在100°C?150°C溫度下干燥24h，然后將干燥后的混合粉末過200目標準篩，得到混合均勻的氮化硼基復合粉末；
[0008]三、將氮化硼基復合粉末裝入熱壓模具中，采用以下三個階段進行燒結(jié):
[0009]階段一、采用真空度小于20Pa真空氣氛或采用氮氣氣氛保護、氮氣壓力為0.8MPa?L OMPa、升溫速率為10?20°C /min的條件下，在800°C?1000°C開始施加壓力，在 1200°C ?1300 °C 時加壓至 30MPa ?80MPa。
[0010]階段二、采用真空氣氛，真空度小于20Pa，以10?20°C /min的條件升溫至1300°C?1400°C ;在1300°C?1400°C溫度條件下，施加壓力至80MPa?lOOMPa，并保溫保壓0.5?5小時；
[0011]階段三、以15?20°C /min的降溫速率降溫至室溫，并同時卸載壓力，即得氮化硼復相陶瓷側(cè)封板；
[0012]步驟一中所述含硼化合物為三氧化二硼、硼酸、偏硼酸或三氧化二硼的水合物；
[0013]步驟一中所述過渡金屬氧化物為二氧化鈦、二氧化錯、二氧化給及二氧化鉬中的一種或者兩種的組合。
[0014]本發(fā)明所提出的氮化硼復相陶瓷超低溫熱壓燒結(jié)制備方法，可有效控制和利用原位固相化學反應所提供的化學反應驅(qū)動力和燒結(jié)驅(qū)動力，有利降低了氮化硼復相陶瓷的燒結(jié)溫度，抑制生成的物相的顆粒大小與分布不均勻及氣孔和局部組織偏聚等缺陷，所制備的材料晶粒細小，具有優(yōu)異的綜合力學性能。此外，由于燒結(jié)溫度可降低在1400°C以下，可采用其他高熔點金屬模具代替?zhèn)鹘y(tǒng)的石墨模具，提高了模具的使用壽命和降低了模具成本，進而降低了氮化硼復相陶瓷材料的整體制備成本，提高了市場競爭力和擴展了應用范圍。
[0015]本發(fā)明所制備的氮化硼復相陶瓷側(cè)封板的致密度可達到96%以上，氮化硼復相陶瓷材料使具有優(yōu)異的綜合力學性能和熱機械性能，并且具有良好的抗熱震性能和耐摩擦磨損性能。側(cè)封板經(jīng)過1000°C熱震溫差熱震后沒有裂紋產(chǎn)生，經(jīng)過8(KTC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攝氏度侵蝕條件下，侵蝕40分鐘，侵蝕深度小于700 μ m，所制備氮化硼復相陶瓷側(cè)封板經(jīng)工況測試滿足薄帶連鑄側(cè)封的服役性能需求。
【具體實施方式】
[0016]本發(fā)明技術方案不局限于以下所列舉【具體實施方式】，還包括各【具體實施方式】間的任意組合。
[0017]【具體實施方式】一:本實施方式氮化硼復相陶瓷側(cè)封板低溫熱壓燒結(jié)方法如下:
[0018]—、將含硼化合物、過渡金屬氧化物和碳化硅按照摩爾比3?6: (3?8):5的比例混合后加入分散介質(zhì)中，球磨10?48小時后，在80°C?100°C溫度下真空干燥10?48h，然后將干燥后的混合粉末球磨破碎過200目篩，得到混合均勻的復合燒結(jié)助劑粉末；
[0019]二、將復合燒結(jié)助劑粉末與氮化硼粉末按照體積比為(10?25): (75?90)的比例加入分散介質(zhì)中，球磨24小時后，在100°C?150°C溫度下干燥24h，然后將干燥后的混合粉末過200目標準篩，得到混合均勻的氮化硼基復合粉末；
[0020]三、將氮化硼基復合粉末裝入熱壓模具中，采用以下三個階段進行燒結(jié):
[0021]階段一、采用真空度小于20Pa真空氣氛或采用氮氣氣氛保護、氮氣壓力為0.8MPa?L OMPa、升溫速率為10?20°C /min的條件下，在800°C?1000°C開始施加壓力，在 1200°C ?1300 °C 時加壓至 30MPa ?80MPa。
[0022]階段二、采用真空氣氛，真空度小于20Pa，以10?20°C /min的條件升溫至1300°C?1400°C ;在1300°C?1400°C溫度條件下，施加壓力至80MPa?lOOMPa，并保溫保壓0.5?5小時；
[0023]階段三、以15?20°C /min的降溫速率降溫至室溫，并同時卸載壓力，即得氮化硼復相陶瓷側(cè)封板；
[0024]步驟一中所述含硼化合物為三氧化二硼、硼酸、偏硼酸或三氧化二硼的水合物；
[0025]步驟一中所述過渡金屬氧化物為二氧化鈦、二氧化錯、二氧化給及二氧化鉬中的一種或者兩種的組合。
[0026]本實施方式中所述過渡金屬氧化物為組合物時，各成分間為任意比。
[0027]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是步驟一中所述的分散介質(zhì)為乙醇含量為55?95%的乙醇水溶液或者無水乙醇。其它與【具體實施方式】一相同。
[0028]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一或二之一不同的是步驟一中將含硼化合物、過渡金屬氧化物和碳化硅按照摩爾比3:3:5的比例混合后加入分散介質(zhì)中。其它與【具體實施方式】一或二之一相同。
[0029]【具體實施方式】四:本實施方式與【具體實施方式】一至三之一不同的是步驟一中在90°C溫度下真空干燥28h。其它與【具體實施方式】一至三之一相同。
[0030]【具體實施方式】五:本實施方式與【具體實施方式】一至四之一不同的是步驟二中將復合燒結(jié)助劑粉末與氮化硼粉末按照體積比為15:85的比例加入分散介質(zhì)中。其它與【具體實施方式】一至四之一相同。
[0031]【具體實施方式】六:本實施方式與【具體實施方式】一至五之一不同的是步驟三中階段一、采用氮氣氣氛保護、氮氣壓力為0.8MPa、升溫速率為12°C /min的條件下，在800°C開始施加