CN107540392A

CN107540392A - 氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷的真空振动浇注成型方法

Info

Publication number: CN107540392A
Application number: CN201710729145.9A
Authority: CN
Inventors: 杨自春; 曹跃云; 陈国兵; 赵爽; 孙文彩; 陈俊; 张磊; 李昆锋
Original assignee: Naval University of Engineering PLA
Current assignee: Naval University of Engineering PLA
Priority date: 2017-08-23
Filing date: 2017-08-23
Publication date: 2018-01-05

Abstract

本发明公开了一种氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷的真空振动浇注成型方法，包括如下步骤：1)浆料的制备：将硅粉、碳化硅粉、结合剂、分散剂置于容器中干混搅拌，再加入水混合搅拌均匀，得到浆料；2)坯体的制备：将步骤1)所得的浆料放入真空振动浇注装置的漏斗内，在真空振动条件下，浆料由漏斗向下流入模具，待浆料完全流进模具后再振动处理，最后放在空气中养护干燥后得到成型的坯体；3)氮化处理：将步骤2)所得的坯体放入氮化炉中进行氮化处理，最后随炉冷却到室温，即可。本发明的制备方法综合利用了真空振动成型和浇注成型工艺的优点，克服了传统机压成型技术的缺陷，制得的氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷的密度分布均匀，物理性能差异小。

Description

氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷的真空振动浇注成型方法

技术领域

本发明涉及耐火材料生产技术领域，具体涉及一种氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷的真空振动浇注成型方法。

背景技术

特种船舶用增压锅炉内衬耐火材料作为高温结构材料，是船舶正常运行的关键基础材料，研究开发高效高抗热震长寿命内衬材料具有重要意义。增压锅炉作为船舶动力的心脏，工作时频繁的启、停及变负荷工作，导致炉膛温度和压力处于急速升降和不断变化的状态，炉体内衬不但要承受很高的温度，还要抵抗温度变化造成的热应力冲击、高温重油渣的侵蚀、高温氧化变质、物理冲刷等多重损毁作用。氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷具有优异的抗酸碱侵蚀、抗热震、耐冲刷等高温使用性能，实践表明，氮化硅结合碳化硅材料在增压锅炉中具有良好的使用效果，是当前增压锅炉内衬最主要的关键材料之一。

然而，采用传统机压成型技术制备高性能增压锅炉用异型结构的氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷技术上存在诸多难题，结构的特殊性大大提高了材料的制备难度，材料的均匀性难以控制。由于材料均匀性差而带来的物理性能差异，致使该材料抗热冲击性差，使用寿命短，存在严重的安全隐患。因此，改进氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷的制备技术对提高增压锅炉的服役寿命和运行安全性意义重大。

发明内容

本发明目的在于克服上述背景技术的不足，而提供一种均匀性好、抗热冲击性力强、使用寿命长的氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷的真空振动浇注成型方法。

为实现上述目的，本发明所提供的氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷的真空振动浇注成型方法，包括如下步骤：

1)浆料的制备：将硅粉、碳化硅粉、结合剂、分散剂置于容器中干混搅拌，再加入水混合搅拌均匀，得到浆料；

2)坯体的制备：将步骤1)所得的浆料放入真空振动浇注装置的漏斗内，在真空振动条件下，浆料由漏斗向下流入模具，待浆料完全流进模具后再振动处理，最后放在空气中养护干燥后得到成型的坯体；

3)氮化处理：将步骤2)所得的坯体放入氮化炉中进行氮化处理，最后随炉冷却到室温，即可。进一步地，所述步骤1)中，硅粉、碳化硅粉、结合剂、分散剂的质量比为20～25:70～75:2～5:2～5。

进一步地，所述步骤1)中，结合剂为水合氧化铝、铝酸钙水泥、酚醛树脂中的一种或多种。

进一步地，所述步骤1)中，分散剂为聚乙烯亚胺、聚乙烯醇、聚丙烯酸铵中的一种或多种。

进一步地，所述步骤1)中，硅粉为纯度98％以上的金属硅粉，其粒径为200～240目。

进一步地，所述步骤1)中，碳化硅粉由工业级黑碳化硅颗粒、碳化硅细粉、碳化硅微粉按照质量比10～14:1:1混合而成，其中，工业级黑碳化硅颗粒的粒径为0.3～1.0mm，且其纯度大于98％；所述碳化硅细粉的粒径为200～240目，所述碳化硅微粉的粒径为1.0～3.0μm。

进一步地，所述步骤1)中，水的加入质量为原料总质量的6～10％，所述原料总质量为硅粉、碳化硅粉、结合剂、分散剂的质量之和。

进一步地，所述步骤1)中，干混搅拌的时间为5～30分钟，混合搅拌的时间为2～10分钟。

进一步地，所述步骤2)中，真空振动的真空度为 -0.09MPa～-0.06MPa，保压时间为30min～60min，振动频率为40～60Hz；所述浆料完全流进模具后再振动处理的时间为1～2分钟；所述空气中养护的时间为12～36小时。

进一步地，所述步骤3)中，氮化处理的升温程序为25℃～1000℃范围内升温速率为10℃/min；1000℃～1450℃升温速率为1℃/min， 1450℃保温0.5h，最后随炉冷却到室温。与现有技术相比，本发明存在如下优点：

本发明的制备方法综合利用了真空振动成型和浇注成型工艺的优点，有效克服了传统机压成型技术的缺陷，制得的氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷的密度分布更为均匀，物理性能差异更小，非常适用于复杂形状和特异型构件的制备，有效提升了材料的抗热震性能和使用寿命。

附图说明

图1为实施例1所制备的氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷的微观形貌图；

图2为实施例1所制备的氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷的XRD物相分析图；

图3为实施例2所制备的氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷的微观形貌图；

图4为实施例2所制备的氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷的XRD物相分析图；

图5为实施例3所制备的氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷的微观形貌图；

图6为实施例3所制备的氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷的XRD物相分析图；

图7为实施例4所制备的氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷的微观形貌图；

图8为实施例4所制备的氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷的XRD物相分析图；

图9为本发明采用的一种真空振动浇注装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。

实施例1：

称取质量百分数为70％的碳化硅粉(由工业级黑碳化硅颗粒、碳化硅细粉、碳化硅微粉按照质量比14:1:1混合而成)，质量百分数为 25％的硅粉、质量百分数为3％的水合氧化铝、质量百分数为2％的聚乙烯亚胺，将上述原料放入搅拌式混料机，干混10分钟，然后以均匀的速度加入原料总质量8％的水份，搅拌2分钟出料，得到浆料。成型时，将混合好的浆料放入真空振动浇注装置的漏斗内，抽真空至 -0.09MPa，保压30min，打开振动台，在频率为50Hz的振动条件下，漏斗内浆料向下流入成型模具。浆料完全流进模具后再振动1分钟，然后停止振动，放入空气，养护24小时后干燥得到成型坯体。将成型后的坯体放入氮化炉中，室温(25℃)～1000℃范围内升温速率为 10℃/min；1000℃～1450℃升温速率为1℃/min，1450℃保温0.5h，最后随炉冷却到室温，即可得到氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷。

从图1中可以看出，氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷中骨料颗粒、基质与孔隙分布均匀，没有大的孔洞等缺陷，致密度高。

从图2中可以看出，氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷主要成分为SiC、 Si₃N₄和少量的SiO₂。

实施例2：

取质量百分数为70％的碳化硅粉(由工业级黑碳化硅颗粒、碳化硅细粉、碳化硅微粉按照质量比10:1:1混合而成)、质量百分数为25％的硅粉、质量百分数为3％的水合氧化铝、质量百分数为2％的聚乙烯醇，将上述粉料放入搅拌式混料机，干混5分钟，然后以均匀的速度加入原料总质量6％的水份，搅拌3分钟出料，得到浆料。成型时，将混合好的浆料放入真空振动浇注装置的漏斗内，抽真空至-0.08MPa，保压40min，打开振动台，在频率为50Hz的振动条件下，漏斗内浆料向下流入成型模具。浆料完全流进模具后再振动1.5分钟，然后停止振动，放入空气，养护12小时后干燥得到成型坯体。将成型后的坯体放入氮化炉中，室温(25℃)～1000℃范围内升温速率为10℃/min； 1000℃～1450℃升温速率为1℃/min，1450℃保温0.5h，最后随炉冷却到室温，即可得到氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷。

从图3中可以看出，氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷中骨料颗粒、基质与孔隙分布均匀，没有大的孔洞等缺陷，致密度高。

从图4中可以看出，氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷主要成分为SiC、 Si₃N₄和少量的SiO₂、莫来石。

实施例3：

取质量百分数为75％的碳化硅粉(由工业级黑碳化硅颗粒、碳化硅细粉、碳化硅微粉按照质量比12:1:1混合而成质量百分数为20％的硅粉、质量百分数为3％的铝酸钙水泥、质量百分数为2％的聚丙烯酸铵。将上述原料放入搅拌式混料机，干混20分钟，然后以均匀的速度加入原料总质量8％的水份，搅拌4分钟出料，得到浆料。成型时，将混合好的浆料放入真空振动浇注装置的漏斗内，抽真空至 -0.07MPa，保压50min，打开振动台，在频率为40Hz的振动条件下，漏斗内浆料向下流入成型模具。浆料完全流进模具后再振动2分钟，然后停止振动，放入空气，养护24小时后干燥得到成型坯体。将成型后的坯体放入氮化炉中，室温(25℃)～1000℃范围内升温速率为 10℃/min；1000℃～1450℃升温速率为1℃/min，1450℃保温0.5h，最后随炉冷却到室温，即可得到氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷。

从图5中可以看出，氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷中骨料颗粒、基质与孔隙分布均匀，没有大的孔洞等缺陷，致密度高。

从图6中可以看出，氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷主要成分为SiC、 Si₃N₄和少量的SiO₂、莫来石。

实施例4：

取质量百分数为75％的碳化硅粉(由工业级黑碳化硅颗粒、碳化硅细粉、碳化硅微粉按照质量比14:1:1混合而成)质量百分数为20％的硅粉、质量百分数为3％的酚醛树脂、质量百分数为2％的聚乙烯亚胺。将上述原料放入搅拌式混料机，干混30分钟，然后以均匀的速度加入原料总质量10％的水份，搅拌5分钟出料，得到浆料。成型时，将混合好的浆料放入真空振动浇注装置的漏斗内，抽真空至 -0.06MPa，保压60min，打开振动台，在频率为60Hz的振动条件下，漏斗内浆料向下流入成型模具。浆料完全流进模具后再振动2分钟，然后停止振动，放入空气，养护36小时后干燥得到成型坯体。将成型后的坯体放入氮化炉中，室温(25℃)～1000℃范围内升温速率为 10℃/min；1000℃～1450℃升温速率为1℃/min，1450℃保温0.5h，最后随炉冷却到室温，即可得到氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷。

从图7中可以看出，氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷中骨料颗粒、基质与孔隙分布均匀，没有大的孔洞等缺陷，致密度高。

从图8中可以看出，氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷主要成分为SiC、 Si₃N₄和少量的SiO₂、莫来石。

实施例5：

取质量百分数为70％的碳化硅粉(由工业级黑碳化硅颗粒、碳化硅细粉、碳化硅微粉按照质量比10:1:1混合而成)质量百分数为20％的硅粉、质量百分数为3％的铝酸钙水泥、质量百分数为1％的水合氧化铝、质量百分数为1％的酚醛树脂、质量百分数为2％的聚丙烯酸铵、质量百分数为2％的聚乙烯亚胺、质量百分数为1％的聚乙烯醇，将上述原料放入搅拌式混料机，干混30分钟，然后以均匀的速度加入原料总质量6％的水份，搅拌10分钟出料，得到浆料。成型时，将混合好的浆料放入真空振动浇注装置的漏斗内，抽真空至-0.06MPa，保压60min，打开振动台，在频率为60Hz的振动条件下，漏斗内浆料向下流入成型模具。浆料完全流进模具后再振动2分钟，然后停止振动，放入空气，养护24小时后干燥得到成型坯体。将成型后的坯体放入氮化炉中，室温(25℃)～1000℃范围内升温速率为10℃/min； 1000℃～1450℃升温速率为1℃/min，1450℃保温0.5h，最后随炉冷却到室温，即可得到氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷。

实施例6：

取质量百分数为70％的碳化硅粉(由工业级黑碳化硅颗粒、碳化硅细粉、碳化硅微粉按照质量比14:1:1混合而成)质量百分数为20％的硅粉、质量百分数为3％的酚醛树脂、质量百分数为1％的水合氧化铝、质量百分数为1％的铝酸钙水泥、质量百分数为2％的聚乙烯亚胺、质量百分数为1％的聚乙烯醇、质量百分数为2％的聚丙烯酸铵。将上述原料放入搅拌式混料机，干混5分钟，然后以均匀的速度加入原料总质量6％的水份，搅拌2分钟出料，得到浆料。成型时，将混合好的浆料放入真空振动浇注装置的漏斗内，抽真空至-0.09MPa，保压30min，打开振动台，在频率为40Hz的振动条件下，漏斗内浆料向下流入成型模具。浆料完全流进模具后再振动1分钟，然后停止振动，放入空气，养护12小时后干燥得到成型坯体。将成型后的坯体放入氮化炉中，室温(25℃)～1000℃范围内升温速率为10℃/min； 1000℃～1450℃升温速率为1℃/min，1450℃保温0.5h，最后随炉冷却到室温，即可得到氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷。

上述实施例中，将真空浇注制品与普通浇注制品相比较，体积密度明显提高，显气孔率明显下降，材料的分散均匀性以及抗热震性能得到了明显的强化。

本发明中的真空振动浇注装置可以为市售具有真空振动功能的装置，也可以采用图9所示的一种真空振动浇注装置：该装置包括底盘1、设置在底盘1上的真空罐2、设置在底盘1下方用于带动其振动的振动台3、用于驱动振动台3振动的电动马达4、以及用于抽取真空罐2内空气的真空泵5；

底盘1与真空罐2之间密封连接形成真空腔体，真空腔体内设置有与底盘1固定连接的支架6，支架6上方架设有漏斗7，支架6的下方设置有与漏斗7的出料口相对布置的模具8，模具8由待制备碳化硅耐火陶瓷的形状决定，碳化硅耐火陶瓷的料浆通过漏斗7进入模具8中成型。底盘1与振动台3之间通过弹簧9连接，通过电动马达 4可实现频率为40～60Hz的振动条件。

真空罐2上设置有用于监测真空罐2内压力的压力表10。底盘1 上还设置有用于与真空泵5连接的真空管道11，真空管道11通过快速转接口与真空泵5连接。真空罐2包括中空状的圆柱体2.1和设置在圆柱体2.1上方的半球状的盖体2.2，圆柱体2.1的顶端与盖体2.2的底端密封连接，圆柱体2.1的底端与底盘1的上端面固定连接。底盘1呈圆盘状，且底盘1的半径大于圆柱体2.1的开口半径。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims

1.一种氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷的真空振动浇注成型方法，其特征在于，包括如下步骤：

3)氮化处理：将步骤2)所得的坯体放入氮化炉中进行氮化处理，最后随炉冷却到室温，即可。

2.根据权利要求1所述的氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷的真空振动浇注成型方法，其特征在于，所述步骤1)中，硅粉、碳化硅粉、结合剂、分散剂的质量比为20～25:70～75:2～5:2～5。

3.根据权利要求1或2所述的氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷的真空振动浇注成型方法，其特征在于，所述步骤1)中，结合剂为水合氧化铝、铝酸钙水泥、酚醛树脂中的一种或多种。

4.根据权利要求1或2所述的氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷的真空振动浇注成型方法，其特征在于，所述步骤1)中，分散剂为聚乙烯亚胺、聚乙烯醇、聚丙烯酸铵中的一种或多种。

5.根据权利要求1或2所述的氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷的真空振动浇注成型方法，其特征在于，所述步骤1)中，硅粉为纯度98％以上的金属硅粉，其粒径为200～240目。

6.根据权利要求1或2所述的氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷的真空振动浇注成型方法，其特征在于，所述步骤1)中，碳化硅粉由工业级黑碳化硅颗粒、碳化硅细粉、碳化硅微粉按照质量比10～14:1:1混合而成，其中，工业级黑碳化硅颗粒的粒径为0.3～1.0mm，且其纯度大于98％；所述碳化硅细粉的粒径为200～240目，所述碳化硅微粉的粒径为1.0～3.0μm。

7.根据权利要求1所述的氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷的真空振动浇注成型方法，其特征在于，所述步骤1)中，水的加入质量为原料总质量的6～10％，所述原料总质量为硅粉、碳化硅粉、结合剂、分散剂的质量之和。

8.根据权利要求1所述的氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷的真空振动浇注成型方法，其特征在于，所述步骤1)中，干混搅拌的时间为5～30分钟，混合搅拌的时间为2～10分钟。

9.根据权利要求1所述的氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷的真空振动浇注成型方法，其特征在于，所述步骤2)中，真空振动的真空度为-0.09MPa～-0.06MPa，保压时间为30min～60min，振动频率为40～60Hz；所述浆料完全流进模具后再振动处理的时间为1～2分钟；所述空气中养护的时间为12～36小时。

10.根据权利要求1所述的氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷的真空振动浇注成型方法，其特征在于，所述步骤3)中，氮化处理的升温程序为25℃～1000℃范围内升温速率为10℃/min；1000℃～1450℃升温速率为1℃/min，1450℃保温0.5h，最后随炉冷却到室温。