CN104628387A - 一种异型碳化硼陶瓷喷砂嘴的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异型碳化硼陶瓷喷砂嘴的制备方法，包括以下步骤：(1)将各种原料按照以下重量百分比的各组分配比：碳化硼粉50～70wt％，烧结助剂20～40wt％，碳源1～8wt％，粘接剂0.5～6wt％，分散剂0.5～6wt％，(2)将所得浆料利用喷雾干燥造粒工艺制成造粒料；(3)将造粒料放入制作好的软质模具套中，采用干袋式等静压法成型，得到喷砂嘴素坯，(4)将所得的喷砂嘴素坯放入脱粘炉内，抽真空，升温脱去水分和有机质，然后再将其放入真空烧结炉内，得到碳化硼陶瓷喷砂嘴成品。该方法适宜批量化生产、所制碳化硼喷砂嘴硬度高，韧性好，耐磨性好，使用寿命长，成本低，性价比高，能制备较复杂孔结构的喷砂嘴产品。

Description

一种异型碳化硼陶瓷喷砂嘴的制备方法

技术领域：

本发明涉及喷砂嘴技术领域，具体为一种无压烧结的异型碳化硼陶瓷喷砂嘴的制备方法。

背景技术：

喷砂机是采用压缩空气为动力，以形成高速喷射束将喷料高速喷射到工件表面的设备，用于清理工件表面杂质、氧化层、油污等，可提高基材表面硬度和耐疲劳度，增强工件和油漆、镀层等涂层之间的附着力和耐久性，广泛应用于造船、修船、集装箱、机械、钢结构、桥梁、火车、汽车等领域。

喷砂嘴是喷砂机的关键部件，承受喷料的强烈磨蚀，属于易耗品。喷砂嘴的材质主要有陶瓷、硬质合金、金属、橡胶等几类，其中以陶瓷喷嘴使用寿命最长，陶瓷喷砂嘴中又包括碳化硼、碳化硅、氮化硅、氧化铝、硼化钛等多种，其中碳化硼陶瓷喷砂嘴以其高硬度和高强度，使用寿命最长，正逐渐取代其他喷砂嘴。

碳化硼是硬度仅次于金刚石和立方氮化硼的重要超硬材料。它具有高熔点、高模量、比重小、自润滑性好、耐磨、耐酸碱腐蚀、耐辐射、吸收中子等特点，是一种综合性能十分突出的新型高性能工程陶瓷材料，在高端液气密封材料、航天航空发动机喷头、高端陶瓷轴承、高端防弹装甲材料、喷砂嘴、研磨介质、硬质材料的抛光和精研磨料等方面具有重要应用。

碳化硼喷砂嘴包括喷砂嘴本体，喷砂嘴本体上设有喷砂孔。现有的商业化的碳化硼陶瓷喷砂嘴是用热压烧结法制备，即在高温烧结过程中，施加高压来促进碳化硼烧结，才能获得致密的碳化硼陶瓷，热压烧结法设备复杂昂贵，单炉产能低，机械化程度低，烧结成本高昂。

另外，在热压制备过程中，为了防止碳化硼与石墨模具固结在一起，必须用石墨纸将二者隔开，而石墨纸会和碳化硼烧结在一起。因此所制喷砂嘴坯体的外表面和喷砂孔内表面等所有表面都固结有一层石墨纸。此外热压碳化硼表面有横向纹路，外观变形大，尺寸精度低，而且表层密度较内部密度偏低。作为喷砂嘴产品，石墨纸和低密度的碳化硼表层最终都必须通过磨加工来去除，因此传统热压碳化硼喷砂嘴的磨加工的余量很大，而且内孔表面的磨加工的技术难度较大。碳化硼是典型的超硬材料，磨加工的效率很低，因此磨加工的成本很高。

此外，对于较小尺寸孔径(直径在3mm以下，即喷砂孔半径小于磨加工余量)的喷砂嘴根本无法制备和磨加工。对于多孔、偏心孔(不在喷砂嘴中心的孔)和非圆形孔(例如椭圆、方形等非常规形状的喷砂孔)的喷砂嘴，磨加工设备加工能力难以胜任，要么磨加工成本极高，要么根本无法磨加工。因此目前的工艺只能制备简单形状的碳化硼陶瓷喷砂嘴。

发明内容：

本发明要解决的技术问题就，是提供一种采用干袋式等静压成型工艺，烧结单炉产能高，产品表面无石墨附着，尺寸精度高，喷砂孔内表面无需磨加工，外表面磨加工余量小，烧结成本和磨加工成本都大幅度降低，适宜批量化生产、所制碳化硼喷砂嘴硬度高，韧性好，耐磨性好，使用寿命长，成本低，性价比高，能制备较复杂孔结构的喷砂嘴产品的异型碳化硼陶瓷喷砂嘴的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案的一种异型碳化硼陶瓷喷砂嘴的制备方法，包括以下步骤：

(1)将各种原料按照以下重量百分比的各组分配比：

碳化硼粉50～70wt％，

烧结助剂20～40wt％，

碳源1～8wt％，

粘接剂0.5～6wt％，

分散剂0.5～6wt％，

以上各组分重量之和为100％；

(2)将上述原料依次放入盛有去离子水的制浆设备中，混合制成浆料，将所得浆料利用喷雾干燥造粒工艺制成造粒料；

(3)将造粒料放入制作好的软质模具套中，模具套中固定有一个或者多个芯棒，采用干袋式等静压法成型，成型后拔出芯棒，得到喷砂嘴素坯，该喷砂嘴素坯包括喷砂嘴本体(1)，所述喷砂嘴本体内设有一个或者一个以上内径为0.5～3mm的喷砂孔；

(4)将所得的喷砂嘴素坯放入脱粘炉内，抽真空，升温脱去水分和有机质，然后再将其放入真空烧结炉内，抽真空，然后通入惰性保护气体，在2000℃～2200℃保温0.5～2h，随炉冷却，最后进行喷砂嘴素坯的外表面磨加工，得到碳化硼陶瓷喷砂嘴成品。

步骤(1)中的碳化硼微粉纯度大于95wt％，平均粒径小于1微米。

步骤(1)中的碳源为纳米炭黑或有机转换碳。

所述烧结助剂采用ZrC、TiC、SiC、AlN、TiB₂中的一种或一种以上，平均粒度小于5微米。

步骤(1)中的粘结剂采用酚醛树脂、淀粉、糖类、纤维素、糊精、聚乙烯醇中的一种或一种以上。

步骤(1)中的分散剂采用四甲基氢氧化铵、聚乙烯醇缩丁醛、氨水、正辛醇中的一种或一种以上。

所述步骤(3)所述的喷砂孔的横截面为圆形、椭圆形、多边形中的一种或者一种以上。

所述步骤(3)所述的喷砂孔为轴线与喷砂嘴本体的轴线平行的偏心孔。

所述步骤(3)所述的喷砂孔为一端大、一端小的锥形孔。

采用以上步骤后，本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：采用无压烧结方式，使本发明的喷砂嘴的喷砂孔的直径可细至1mm以下；孔的数量可以是1到20个；孔的位置可根据需要设定；孔的形状不受限制，可以是圆形、椭圆形、梯形、菱形、长方形等；孔的两端可以大小一样，也可以是一端大、一端小的喇叭状。这些异型的喷砂嘴可以大大提高喷砂效率或在特殊工况下发挥不可替代的作用。该工艺所制喷砂嘴，事先设计制作相应的软质模具套和芯棒，采用干袋式等静压成型工艺，烧结单炉产能高，产品表面无石墨附着，尺寸精度高，喷砂孔内表面无需磨加工，外表面磨加工余量小，烧结成本和磨加工成本都大幅度降低，适宜批量化生产。所制碳化硼喷砂嘴硬度高，韧性好，耐磨性好，使用寿命长，成本低，性价比高，能制备较复杂孔结构的喷砂嘴产品，较目前的热压法制备的碳化硼陶瓷喷嘴具有明显的竞争优势。

具体实施方式：

下面通过具体实施例进一步详细描述本发明，但本发明不仅仅局限于以下实施例。

实施例1：

将碳化硼微粉600克、硼化钛微粉300克、纳米炭黑27克、分散剂(四甲基氢氧化铵)5克、粘接剂(糊精)6克，去离子水2000克加入快速球磨机中，球磨制浆，然后经过喷雾造粒得到造粒料，所得的造粒料放入设计好的细孔型模具中，成型得到喷砂嘴素坯，将素坯放入脱粘炉内在500℃温度下保温3h脱除水分和有机质，然后放入真空烧结炉中无压烧结，2100℃保温1h，随炉冷却。最后进行外圆和两端面磨加工，获得无压烧结碳化硼陶瓷喷砂嘴，喷砂孔直径为0.5mm。

实施例2：

将碳化硼微粉550克、碳化钛微粉350克、纳米炭黑40克、分散剂(氨水)6克、粘接剂(聚乙烯醇)5克，去离子水2100克加入快速球磨机中，球磨制浆，然后经过喷雾造粒得到造粒料，所得的造粒料放入设计好的方孔型模具中，成型得到喷砂嘴素坯，将素坯放入脱粘炉内在800℃温度下保温3h脱除水分和有机质，然后放入真空烧结炉中无压烧结，2120℃保温1h，随炉冷却。最后进行外圆和两端面磨加工，获得无压烧结碳化硼陶瓷喷砂嘴，产品含有方形喷砂孔。

实施例3：

将碳化硼微粉650克、碳化锆微粉310克、水溶性酚醛树脂40克、分散剂(氨水)3克、粘接剂(聚乙烯醇)5克，去离子水2000克加入快速球磨机中，球磨制浆，然后经过喷雾造粒得到造粒料，所得的造粒料放入设计好的六孔型模具中，成型得到喷砂嘴素坯，将素坯放入脱粘炉内在650℃温度下保温3h脱除水分和有机质，然后放入真空烧结炉中无压烧结，2010℃保温1.5h，随炉冷却。最后进行外圆和两端面磨加工，获得无压烧结碳化硼陶瓷喷砂嘴，产品含有六个喷砂孔。

Claims (9)

1.一种异型碳化硼陶瓷喷砂嘴的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)将各种原料按照以下重量百分比的各组分配比：

碳化硼粉 50～70wt％，

烧结助剂 20～40wt％，

碳源 1～8wt％，

粘接剂 0.5～6wt％，

分散剂 0.5～6wt％，

以上各组分重量之和为100％；

(2)将上述原料依次放入盛有去离子水的制浆设备中，混合制成浆料，将所得浆料利用喷雾干燥造粒工艺制成造粒料；

(3)将造粒料放入制作好的软质模具套中，模具套中固定有一个或者多个芯棒，采用干袋式等静压法成型，成型后拔出芯棒，得到喷砂嘴素坯，该喷砂嘴素坯包括喷砂嘴本体(1)，所述喷砂嘴本体内设有一个或者一个以上内径为0.5～3mm的喷砂孔；

(4)将所得的喷砂嘴素坯放入脱粘炉内，抽真空，升温脱去水分和有机质，然后再将其放入真空烧结炉内，抽真空，然后通入惰性保护气体，在2000℃～2200℃保温0.5～2h，随炉冷却，最后进行喷砂嘴素坯的外表面磨加工，得到碳化硼陶瓷喷砂嘴成品。

2.根据权利要求1所述的一种异型碳化硼陶瓷喷砂嘴的制备方法，其特征在于：步骤(1)中的碳化硼微粉纯度大于95wt％，平均粒径小于1微米。

3.根据权利要求1所述的一种异型碳化硼陶瓷喷砂嘴的制备方法，其特征在于：步骤(1)中的碳源为纳米炭黑或有机转换碳。

4.根据权利要求1所述的一种异型碳化硼陶瓷喷砂嘴的制备方法，其特征在于：所述烧结助剂采用ZrC、TiC、SiC、AlN、TiB₂中的一种或一种以上，平均粒度小于5微米。

5.根据权利要求1所述的一种异型碳化硼陶瓷喷砂嘴的制备方法，其特征在于：步骤(1)中的粘结剂采用酚醛树脂、淀粉、糖类、纤维素、糊精、聚乙烯醇中的一种或一种以上。

6.根据权利要求1所述的一种异型碳化硼陶瓷喷砂嘴的制备方法，其特征在于：步骤(1)中的分散剂采用四甲基氢氧化铵、聚乙烯醇缩丁醛、氨水、正辛醇中的一种或一种以上。

7.根据权利要求1所述的一种异型碳化硼陶瓷喷砂嘴的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)所述的喷砂孔的横截面为圆形、椭圆形、多边形中的一种或者一种以上。

8.根据权利要求1所述的一种异型碳化硼陶瓷喷砂嘴的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)所述的喷砂孔为轴线与喷砂嘴本体的轴线平行的偏心孔。

9.根据权利要求1所述的一种异型碳化硼陶瓷喷砂嘴的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)所述的喷砂孔为一端大、一端小的锥形孔。