CN103172380A

CN103172380A - 非氧化物陶瓷粉体的喷雾造粒方法

Info

Publication number: CN103172380A
Application number: CN2013100427144A
Authority: CN
Inventors: 张福军
Original assignee: Sinofusion solar Performance Material Co Ltd
Current assignee: Sinofusion solar Performance Material Co Ltd
Priority date: 2013-02-04
Filing date: 2013-02-04
Publication date: 2013-06-26

Abstract

本发明公开一种非氧化物粉体的喷雾造粒方法，具体包括以下步骤：步骤一，配料：将非氧化物材料粉体、碳粉、分散剂、粘结剂和水按以下质量百分比配料：非氧化物粉体35%-65%，碳粉0-3%，分散剂0-4%，粘结剂0.05-4.5%，去离子水30-60%；步骤二，采用球磨、高速搅拌或超声分散的方式将步骤一中的原料制成稳定的陶瓷浆料，得到的浆料的粘度不大于5dpa.s；步骤三，喷雾干燥造粒，将步骤二中制备的浆料通过蠕动泵控制进料速度加入喷雾干燥造粒机中，通过控制浆料进口、出口温度以及压力，制得碳化硼造粒料，获得的可用于喷雾造粒浆料固含量可达到65wt%。

Description

非氧化物陶瓷粉体的喷雾造粒方法

技术领域

本发明涉及到非氧化物陶瓷喷雾造粒的方法，特别涉及到碳化物陶瓷的喷雾造粒方法。

背景技术

非氧化物陶瓷（如碳化物、氮化物）是先进结构陶瓷中的一大类重要陶瓷，其性能优越，尤其是在特种领域具有着极其重要的作用，并且在未来高技术领域将扮演着愈加重要的角色。尤其是碳化物陶瓷，如碳化硼，碳化硅，碳化钨，碳化铬等，以其高硬度、耐磨及耐化学腐蚀，受到越来越广泛的关注，在磨具、各种耐腐蚀用容器及管道、以及机械工业轴承、切削刀具和机械密封部件得到应用。

这类陶瓷以共价键为主，结合强度很高，不易制备，或其高性能产品的制备需要花费高昂的成本，不利于规模化生产。作为高性能陶瓷生产过程中的重要一环，成型受到极大地关注。优良的成型工艺，可获得高致密而且均匀的陶瓷素坯，有利于获得高性能、大尺寸的陶瓷制品。而喷雾造粒可为优异的成型工艺奠定良好的基础。

专利号为20110312447.9的中国专利公开了碳化硼粉体的喷雾干燥造粒方法，包括如下步骤：将各原料按照以下重量百分比的比例配置：碳化硼微粉30-69%，碳粉0.5-15%，碳化硅粉0-15%，分散剂0-8%，粘结剂0.1-10%，消泡剂0-10%，水30-69%，然后置入球磨机内；控制球磨混料时间、球磨机转速、球料，制得适于喷雾有干燥造粒的浆料；将浆料直接喷入喷雾干燥造粒机中，通过控制浆料进口、出口温度以及压力或离心转盘转速，使碳化硼浆料干燥成为碳化硼造粒料。本发明的喷雾干燥方法具有产量高、成本低、造粒料成型性能好等特点，所制碳化硼造粒料适宜制备高性能的常压烧结碳化硼陶瓷。

发明内容

本发明提供了一种具有产量高，造粒成型性好的陶瓷喷雾干燥方法，工艺简单，有利于后续高密度素坯的获得及致密陶瓷的制备。本发明所采用的技术方案是：

步骤一，配料：将非氧化物材料粉体、碳粉、分散剂、粘结剂和水按以下质量百分比配料：非氧化物粉体35%-65%，碳粉0-3%，分散剂0-4%，粘结剂0.05-4.5%，去离子水30-60%%；

步骤二，采用球磨、高速搅拌或超声分散的方式将步骤一中的原料制成稳定的陶瓷浆料，得到的浆料的粘度不大于5dpa.s；

步骤三，喷雾干燥造粒，将步骤二中制备的浆料通过蠕动泵控制进料速度加入喷雾干燥造粒机中，通过控制浆料进口、出口温度以及压力，制得碳化硼造粒料；

所述非氧化物陶瓷为碳化物陶瓷和氮化物陶瓷；

进一步地，所述碳化物陶瓷包括碳化硅、碳化硼、碳化钛、碳化钨、碳化铬陶瓷，氮化物陶瓷包括氮化硅、氮化铝、氮化硼陶瓷；

更进一步地，步骤一中所用粘结剂为异丁烯类聚合物、酚醛树脂和聚乙烯醇缩丁醛，异丁烯类聚合物的分子量不低于5500；

步骤一中的烧结助剂为碳粉，镍粉，铁粉，碳化硅，铝粉，二氧化硅粉，氧化镁粉或者氧化钇粉；

所述步骤一中非氧化物粉体粒径 D50不大于40μm。

该方法中，将非氧化物陶瓷粉体与烧结助剂、粘结剂、分散剂等通过高速搅拌分散、超声或球磨混合，配制成流动性良好的均一浆料，然后通过物料泵直接通入离心喷雾造粒机或压力式喷雾塔内，通过控制进出口温度等工艺参数获得喷雾造粒料。[0007] 本发明中，所采用的陶瓷（碳化硼、碳化硅等）粉体粒径 D50不大于40μm，纯度≥99.0%。采用加入少量碳粉，镍粉，铁粉，碳化硅，铝粉，二氧化硅粉，氧化镁粉或者氧化钇粉作为烧结助剂，其加入量为0-3%。粘结剂主要是异丁烯类聚合物、酚醛树脂和聚乙烯醇缩丁醛。分散剂0-4%，粘结剂0.05-4.5%，去离子水30-60%。采用异丁烯类聚合物作为粘结剂时，浆料粘度相对较低，与适当分散剂（磷酸铝，四甲基氢氧化铵）配合，获得的可用于喷雾造粒浆料固含量可达到65wt%。

附图说明

图1 本发明中的造粒料的光学显微镜图像

图2 本发明中的热压B₄C陶瓷显微结构

具体实施方式

下列实施例中采用的市售原料，喷雾造粒为行业常规设备。下面将通过实施例进一步描述本发明，但不仅仅局限于实施例。

实施例1：

将碳化钛粉850g(D50=1.0μm)，铁粉20g，铝粉28.57g，异丁烯类聚合物（分子量为5500）48.57g，去离子水1457.14g，四甲基氢氧化铵24.29g，放入球磨罐内，球磨8小时，得到PH=9-10，粘度不大于6dpa.s的浆料。将浆料经蠕动泵送入到喷雾干燥造粒机的离心转盘，离心转盘转速为9600rpm，进风口温度为230oC，出风口温度为140oC。冷却后收集造粒料，过80目筛网，得到含水率为1.13%的造粒料。

将造粒料充入模具中，经180MPa等静压成型，得到Φ60mm×6mm的样品，密度为2.95g/cm³。放入热压模具，放入碳管炉内，于1380oC，氩气气氛下烧结半小时，得到的碳化钛烧结体密度为4.86g/cm³。

实施例2：

将碳化钨粉4900g(D50=3.37μm)，碳粉75.38 g，磷酸铝150.77 g，聚乙烯醇丁醛50g，聚乙二醇50g，聚丙烯酸50.77g，去离子水2261.54g，高速搅拌分散2小时。将浆料经蠕动泵送入到喷雾干燥造粒机的离心转盘，离心转盘转速为6400rpm，进风口温度为230oC，出风口温度为130oC。冷却后收集造粒料，过80目筛网，得到含水率为1.2%的造粒料。

将造粒料充入模具中，经120MPa压力成型，得到30mm×30mm×6mm的样品，密度为9.07g/cm³。放入碳管炉内，于1350oC，100MPa，热压烧结1小时。烧结制品密度为15.52g/cm³。

实施例3：

将碳化硼粉1000g(D50=0.8μm)，镍粉33.33g,聚乙烯醇20g，聚乙二醇26g，聚丙烯酸26.67g，磷酸铝66.67g，去离子水500g，高速搅拌分散5小时，粘度不大于5dpa.s的浆料。将浆料经蠕动泵送入到压力式喷雾干燥塔内，喷雾压力为2.0MPa，进风口温度为230oC，出风口温度为130oC。冷却后收集造粒料，过80目筛网，得到含水率为0.97%的球形造粒料。

将造粒料充入模具中，经250MPa等静压成型，得到60mm×60mm×6mm的样品，密度为1.42g/cm³。放入热压模具，放入碳管炉内，于1925oC，25MPa，热压烧结1小时。烧结制品密度为2.49g/cm³，硬度3252HV0.3。

实施例4：

将碳化铬粉940g(D50=15μm)，异丁烯类聚合物56.4 g ，磷酸铝37.6g，去离子水846g，放入球磨罐内球磨5小时。将浆料经蠕动泵送入到压力式喷雾干燥塔内，喷雾压力为1.0MPa，进风口温度为260oC，出风口温度为140oC。冷却后收集造粒料，过80目筛网，得到含水率为1.12%的球形造粒料。

将造粒料充入模具中，经180MPa等静压成型，得到Φ60mm×6mm的样品，密度为 3.79g/cm³。放入碳管炉内，于1450oC，氩气气氛下烧结半小时，烧结制品密度为6.70g/cm³。

实施例5：

将氮化硼粉960g(D50=1.5μm)，SiO₂粉末（D50=1μm）52.36g，异丁烯类聚合物（分子量为5500）0.87g，去离子水749.67g，高速搅拌分散3小时，粘度不大于5.5dpa.s的浆料。将浆料经蠕动泵送入到压力式喷雾干燥塔内，喷雾压力为1.0MPa，进风口温度为260oC，出风口温度为140oC。冷却后收集造粒料，过80目筛网，得到含水率为1.09%的球形造粒料。

将造粒料充入模具中，经250MPa等静压成型，得到60mm×60mm×6mm的样品，密度为1.41g/cm³。放入热压模具内，于碳管炉中，N₂气氛下， 1750oC，35MPa，热压烧结1小时。烧结制品密度为 2.18 g/cm³。

实施例6：

将碳化硅粉960g(D50=0.45μm)，酚醛树脂22.73g，B₄C微粉10g，聚乙烯醇12.73g，正丁醇20g，去离子水1090.91g，采用超声辅助实验室搅拌器分散，搅拌转速600rpm，分散5小时，获得均匀分散的SiC浆料。浆料经蠕动泵送入到压力式喷雾干燥塔内，喷雾压力为1.5MPa，进风口温度为260oC，出风口温度为130oC。冷却后收集造粒料，过60目筛网，得到含水率为0.92%的造粒料。

将造粒料充入金属模具中，经30MPa压力成型，然后在180MPa压力下等静压成型，得到素坯密度为2.03g/cm³。真空炉内2050oC烧制1.5小时，得到的SiC烧结体密度为3.20g/cm³，三点抗弯强度为446MPa。

实施例7：

将氮化硅粉980g(D50=0.6μm)，MgO粉53.26g，PVA30g，正丁醇23.26g，，磷酸铝,63.91g，去离子水980g，采用超声辅助实验室搅拌器分散，搅拌转速600rpm，分散2小时，获得均匀分散的氮化硅浆料。浆料经蠕动泵送入到压力式喷雾干燥塔内，喷雾压力为1.0MPa，进风口温度为260oC，出风口温度为150oC。冷却后收集造粒料，过60目筛网，得到含水率为1.03%的造粒料。

将造粒料充入金属模具中，经30MPa压力成型，然后在180MPa压力下等静压成型，得到素坯密度为1.82g/cm³。0.1MPa N₂气压力下，1750oC烧制1小时，得到的氮化硅烧结体密度为 3.06g/cm³，三点抗弯强度为470MPa。

实施例8：

将氮化铝粉990g(D50=1.0μm)，Y₂O₃粉末44g，聚乙二醇99g，磷酸铝77g,去离子水990g，高速搅拌分散2小时，粘度不大于5.6dpa.s的浆料。将浆料经蠕动泵送入到压力式喷雾干燥塔内，喷雾压力为1.0MPa，进风口温度为260oC，出风口温度为150oC。冷却后收集造粒料，过80目筛网，得到含水率为1.10%的球形造粒料。

将造粒料充入模具中，经250MPa等静压成型，得到60mm×60mm×6mm的样品，密度为1.84g/cm³。放入碳管炉内，于1800oC，氩气气氛下烧结1小时，烧结制品密度为3.12g/cm³。

实施例9：

将氮化铝粉990g(D50=1.0μm)，Y₂O₃粉末44g，异丁烯类聚合物（分子量为90000）99g，磷酸铝77g,去离子水990g，高速搅拌分散2小时，粘度不大于5.6dpa.s的浆料。将浆料经蠕动泵送入到压力式喷雾干燥塔内，喷雾压力为1.0MPa，进风口温度为260oC，出风口温度为150oC。冷却后收集造粒料，过80目筛网，得到含水率为1.10%的球形造粒料。

将造粒料充入模具中，经250MPa等静压成型，得到60mm×60mm×6mm的样品。

实施例10

将碳化钨粉4900g(D50=3.37μm)，碳粉75.38 g，磷酸铝150.77 g，异丁烯类聚合物（分子量为160000）150.77g，去离子水2261.54g，高速搅拌分散2小时。将浆料经蠕动泵送入到喷雾干燥造粒机的离心转盘，离心转盘转速为6400rpm，进风口温度为230oC，出风口温度为130oC。冷却后收集造粒料，过80目筛网，得到含水率为1.2%的造粒料。

将造粒料充入模具中，经120MPa压力成型，得到30mm×30mm×6mm的样品。

Claims

1.一种应用于非氧化物陶瓷制备中的喷雾造粒方法，具体包括以下步骤：

步骤一，配料：将非氧化物粉体、烧结助剂、分散剂、粘结剂和水按以下质量百分比配料：非氧化物粉体35%-65%，烧结助剂0-3%，分散剂0-4%，粘结剂0.05-4.5%，去离子水30-60%；

步骤三，喷雾干燥造粒，将步骤二中制备的浆料通过蠕动泵控制进料速度加入喷雾干燥造粒机中，通过控制浆料进口、出口温度以及压力，制得碳化硼造粒料。

2.根据权利要求1所述的应用于非氧化物陶瓷制备中的喷雾造粒方法，其特征在于非氧化物陶瓷为碳化物陶瓷和氮化物陶瓷。

3.根据权利要求2所述的应用于非氧化物陶瓷制备中的喷雾造粒方法，其特征在于碳化物陶瓷包括碳化硅、碳化硼、碳化钛、碳化钨、碳化铬陶瓷，氮化物陶瓷包括氮化硅、氮化铝、氮化硼陶瓷。

4.根据权利要求1所述的应用于非氧化物陶瓷制备中的喷雾造粒方法，其特征在于步骤一中所用粘结剂为异丁烯类聚合物、酚醛树脂和聚乙烯醇缩丁醛。

5.根据权利要求4所述的应用于非氧化物陶瓷制备中的喷雾造粒方法，其特征在于异丁烯类聚合物的分子量不低于5500。

6.根据权利要求1所述的应用于非氧化物陶瓷制备中的喷雾造粒方法，其特征在于步骤一中的烧结助剂为碳粉，镍粉，铁粉，碳化硅，铝粉，二氧化硅粉，氧化镁粉或者氧化钇粉。

7.根据权利要求1所述的应用于非氧化物陶瓷制备中的喷雾造粒方法，其特征在于步骤一中非氧化物粉体粒径 D50不大于40μm。