CN111018529B - 一种耐高温冲刷的b4c陶瓷喷嘴及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耐高温冲刷的B4C陶瓷喷嘴，所述B4C陶瓷喷嘴的原料以重量份计包括以下组分：96.5‑98.5份亚微米级B4C粉末、1‑3份纳米级立方相BN粉末与0.5份助烧剂。本发明还提供一种上述耐高温冲刷的B4C陶瓷喷嘴的制备方法，包括以下步骤：(1)将亚微米级B4C粉末、纳米级立方相BN粉末与助烧剂球磨混合均匀得到混合粉末；(2)使用等静压方式混合粉末进行压制成型，再热压烧结即得到上述B4C陶瓷喷嘴。本发明的B4C陶瓷喷嘴在1700℃雾化喷射试验中，B4C陶瓷喷嘴使用20min后，孔径由4.2mm只扩张到4.8mm，该喷嘴在超高温(1700℃)下的使用寿命较传统喷嘴得到较大提升。

Description

一种耐高温冲刷的B4C陶瓷喷嘴及其制备方法
技术领域
本发明属于雾化喷嘴领域，尤其涉及一种B4C陶瓷喷嘴及其制备方法。
背景技术
喷嘴是很多种喷淋、喷雾、喷油、喷砂、喷涂等设备里很关键的一个部件，一般常用在汽车、电镀、表面处理、高压清洗、除尘、降温、脱硫、加湿、搅拌、园林等各个行业。粉末制备雾化的喷嘴为非燃烧类喷嘴，但由于可能接触金属液，所以需要有一定的抗腐蚀和热蚀能力。
常见非塑料的喷嘴材料包括：金属、硬质合金和陶瓷喷嘴。陶瓷喷嘴具有最优的抗腐蚀和耐热蚀特点。陶瓷喷嘴具有更好的耐磨性能，例如，使用石英砂、炉渣及金属磨料时，陶瓷喷嘴的抗磨能力可比硬质合金高数倍，但陶瓷喷嘴的制造工艺复杂，制造成本较高，并且其属于典型的脆性材料，冲击下容易产生裂纹致使材料剥落，因此不适合在强冲击场合下使用。
制作喷嘴的陶瓷材料主要有Al2O3陶瓷、B4C陶瓷和SiC等。其中，B4C陶瓷喷嘴具有很高的硬度和耐磨性，B4C陶瓷喷嘴在目前商用喷嘴材料中耐磨性能是最好的，但B4C陶瓷喷嘴在高于1700℃进行金属熔液雾化喷淋时喷嘴冲蚀磨损严重，导致喷嘴的孔径在金属液冲刷的作用下快速增加，在1700℃下，喷淋20min后，喷嘴孔径从4.2mm扩张到6mm，导致金属液流变粗，细粉收得率下降。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种耐高温冲刷的B4C陶瓷喷嘴及其制备方法，该B4C陶瓷喷嘴中添加立方相BN硬质颗粒，喷嘴的使用寿命得到的显著的提升。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种耐高温冲刷的B4C陶瓷喷嘴，所述B4C陶瓷喷嘴的原料以重量份计包括以下组分： 96.5-98.5份亚微米级B4C粉末、1-3份纳米级立方相BN粉末与0.5份助烧剂。
本发明中，通过加入一定量的纳米级立方相BN粉末，有效提升了B4C基体的高温耐冲蚀性，但纳米级立方相BN粉末的添加量需要精确优化控制(其添加量只有在一个很小范围内改性效果才明显)，其添加量过少，改善效果不明显，其添加量过多，材料的密度会过低。并且，本发明中优选采用纳米级立方相BN粉末，纳米粉末有利于烧结致密化，立方相材料的性能明显于其他形式的BN(如六方BN)，本发明中采用纳米级立方相BN粉末与亚微米级B4C粉末相互配合效果最优。
上述B4C陶瓷喷嘴中，优选的，所述助烧剂为Al2O3粉，所述Al2O3粉的粉末粒径为3-10μm。
上述B4C陶瓷喷嘴中，优选的，所述亚微米级B4C粉末的粒径为620-810nm，所述纳米级立方相BN粉末的粒径为45-71nm。我们研究表明，B4C粉末与BN粉末的粉末粒径对烧结得到的B4C陶瓷喷嘴的性能有很大的影响，在确定其二者的粉末粒径时，需要考虑其二者的粉末粒径对烧结过程的影响，对材料的分散均匀性、致密化程度的影响，另一方面，还需要重点考虑其二者粒径之间的相互影响关系，需要优化其二者的粉末粒径均在特定的范围内，两种特定粒径的粉末相互配合作用才能得到综合性能最优的B4C陶瓷喷嘴。本发明中，更优选的，我们研究表明，采用695-700nm的B4C粉末与50-52nm的立方相BN粉末相互配合，烧结得到的B4C陶瓷喷嘴性能最优。
作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的耐高温冲刷的B4C陶瓷喷嘴的制备方法，包括以下步骤：
(1)将亚微米级B4C粉末、纳米级立方相BN粉末与助烧剂球磨混合均匀得到混合粉末；
(2)使用等静压方式对步骤(1)中的混合粉末进行压制成型，再热压烧结即得到上述 B4C陶瓷喷嘴。
上述制备方法中，优选的，所述步骤(1)中，球磨在滚筒球磨机中进行，球磨时加入的氧化锆球的质量为原料粉末总质量的1.5-2.0倍。
上述制备方法中，优选的，滚筒球磨机的转速为250-450r/min，球磨时间为5-6h。
上述制备方法中，优选的，等静压方式压制成型时，使用聚乙烯软管、不锈钢芯棒及软木塞对混合粉末进行压制，装粉后放入等静压机，压制压力为200MPa，升压速率为4MPa/s，保压60s后自然泄压。采用上述工艺参数得到的压制坯初始密度均匀，有利于后续烧结密度的提升。
上述制备方法中，优选的，热压烧结在压力烧结炉中进行，并控制热压压力为25-35MPa，升温速率为4-6℃/min，烧结温度为2000-2300℃，烧结时间为1-3h，随炉降温。我们研究表明，烧结温度、压力过小，不利于烧结密度的提升，烧结温度过高，晶粒粗化，性能会有所下降，烧结压力过高，设备要求也会更高。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明中，针对B4C陶瓷喷嘴在超高温使用情况下的问题，我们提出在B4C陶瓷喷嘴中添加高温硬质相立方相BN硬质颗粒，利用该硬质相远高于碳化硼(2350℃)的超高熔点(3000℃)、超高硬度、高温化学稳定性(仅次于金刚石)及与基体良好的化学相容性特点，有效提升了B4C基体的高温耐冲蚀性。在1700℃雾化喷射试验中，B4C陶瓷喷嘴使用20min 后，孔径扩张不明显，孔径由4.2mm只扩张到4.8mm，该喷嘴在超高温(1700℃)下的使用寿命较传统喷嘴得到较大提升。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1中的B4C陶瓷喷嘴的实物图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1：
一种耐高温冲刷的B4C陶瓷喷嘴，其原料以重量份计由以下组分构成：97.5份亚微米级B4C 粉末、2份纳米级立方相BN粉末与0.5份助烧剂。粉末具体特性如下表1所示。
表1：实施例1中原料粉末特性
Figure BDA0002310697330000031
上述耐高温冲刷的B4C陶瓷喷嘴的制备方法包括以下步骤：
(1)混粉：称取B4C粉、BN粉、Al2O3粉按照三种粉末的质量比：97.5：2：0.5称取相应质量待用；将称量好的粉体统一放入500mL聚氨酯球磨罐中，再加入原料总量1.5-2.0倍的氧化锆球和一定量的无水乙醇后密封罐体，使用滚筒球磨机进行物料混合，滚筒转速为300r/min，混合时间5-6h，随后取出浆料，使用干燥箱烘干后研磨并过200目筛得到混合粉末。
(2)压制：使用等静压方式对混合粉末进行压制成型，使用聚乙烯软管、不锈钢芯棒及软木塞进行试样压制，装粉后放入等静压机，控制压制压力为200MPa，升压速率为4MPa/s，保压60s后自然泄压。
(3)压力烧结：使用压力烧结炉进行压力烧结，热压压力为30MPa，升温速率为5℃/min，烧结温度为2100℃，烧结时间为2h，随炉降温即可，即得到本实施例中的B4C陶瓷喷嘴。
本实施例中的B4C陶瓷喷嘴的实物图如图1所示。
本实施例中的耐高温冲刷的B4C陶瓷喷嘴的致密度高达98.1％，具有良好的超高温耐冲蚀性能。在1700℃雾化喷射试验中，使用20min后，喷嘴孔径扩张不明显，孔径扩张值为0.6mm (由4.2mm扩张到4.8mm)，对比改进前喷嘴的孔径扩张了1.8mm(由4.2mm扩张到6mm)，改进后喷嘴的耐冲蚀性明显得到了提高，喷嘴的使用寿命明显延长。
实施例2：
一种耐高温冲刷的B4C陶瓷喷嘴，其原料以重量份计由以下组分构成：96.5份亚微米级B4C 粉末、3份纳米级立方相BN粉末与0.5份助烧剂。本实施例中粉末具体特性与实施例1相同。
上述耐高温冲刷的B4C陶瓷喷嘴的制备方法包括以下步骤：
(1)混粉：称取B4C粉、BN粉、Al2O3粉按照三种粉末的质量比：96.5：3：0.5称取相应质量待用；将称量好的粉体统一放入500mL聚氨酯球磨罐中，再加入原料总量1.5-2.0倍的氧化锆球和一定量的无水乙醇后密封罐体，使用滚筒球磨机进行物料混合，滚筒转速为300r/min，混合时间5-6h，随后取出浆料，使用干燥箱烘干后研磨并过200目筛得到混合粉末。
(2)压制：使用等静压方式对混合粉末进行压制成型，使用聚乙烯软管、不锈钢芯棒及软木塞进行试样压制，装粉后放入等静压机，控制压制压力为200MPa，升压速率为4MPa/s，保压60s后自然泄压。
(3)压力烧结：使用压力烧结炉进行压力烧结，热压压力为30MPa，升温速率为5℃/min，烧结温度为2100℃，烧结时间为2h，随炉降温即可，即得到本实施例中的B4C陶瓷喷嘴。
本实施例中的耐高温冲刷的B4C陶瓷喷嘴的致密度高达96.5％。在1700℃雾化喷射试验中，使用20min后，孔径扩张值为1.2mm(由4.2mm扩张到5.4mm)，对比改进前喷嘴的孔径扩张了1.8mm(由4.2mm扩张到6mm)，改进后喷嘴的耐冲蚀性得到了提高，喷嘴的使用寿命有所延长。
实施例3：
一种耐高温冲刷的B4C陶瓷喷嘴，其原料以重量份计由以下组分构成：98.5份亚微米级B4C 粉末、1份纳米级立方相BN粉末与0.5份助烧剂。本实施例中粉末具体特性与实施例1相同。
上述耐高温冲刷的B4C陶瓷喷嘴的制备方法包括以下步骤：
(1)混粉：称取B4C粉、BN粉、Al2O3粉按照三种粉末的质量比：98.5：1：0.5称取相应质量待用；将称量好的粉体统一放入500mL聚氨酯球磨罐中，再加入原料总量1.5-2.0倍的氧化锆球和一定量的无水乙醇后密封罐体，使用滚筒球磨机进行物料混合，滚筒转速为300r/min，混合时间5-6h，随后取出浆料，使用干燥箱烘干后研磨并过200目筛得到混合粉末。
(2)压制：使用等静压方式对混合粉末进行压制成型，使用聚乙烯软管、不锈钢芯棒及软木塞进行试样压制，装粉后放入等静压机，控制压制压力为200MPa，升压速率为4MPa/s，保压60s后自然泄压。
(3)压力烧结：使用压力烧结炉进行压力烧结，热压压力为30MPa，升温速率为5℃/min，烧结温度为2100℃，烧结时间为2h，随炉降温即可，即得到本实施例中的B4C陶瓷喷嘴。
本实施例中的耐高温冲刷的B4C陶瓷喷嘴的致密度可达98.6％。在1700℃雾化喷射试验中，使用20min后，孔径扩张值为1.4mm(由4.2mm扩张到5.6mm)，对比改进前喷嘴的孔径扩张了1.8mm(由4.2mm扩张到6mm)，改进后喷嘴的耐冲蚀性得到了提高，喷嘴的使用寿命有所延长。
对比例1：
一种耐高温冲刷的B4C陶瓷喷嘴，其原料以重量份计由以下组分构成：99份亚微米级B4C 粉末、0.5份纳米级立方相BN粉末与0.5份助烧剂。本对比例中粉末具体特性与实施例1相同。
上述耐高温冲刷的B4C陶瓷喷嘴的制备方法包括以下步骤：
(1)混粉：称取B4C粉、BN粉、Al2O3粉按照三种粉末的质量比：99：0.5：0.5称取相应质量待用；将称量好的粉体统一放入500mL聚氨酯球磨罐中，再加入原料总量1.5-2.0倍的氧化锆球和一定量的无水乙醇后密封罐体，使用滚筒球磨机进行物料混合，滚筒转速为300r/min，混合时间5-6h，随后取出浆料，使用干燥箱烘干后研磨并过200目筛得到混合粉末。
(2)压制：使用等静压方式对混合粉末进行压制成型，使用聚乙烯软管、不锈钢芯棒及软木塞进行试样压制，装粉后放入等静压机，控制压制压力为200MPa，升压速率为4MPa/s，保压60s后自然泄压。
(3)压力烧结：使用压力烧结炉进行压力烧结，热压压力为30MPa，升温速率为5℃/min，烧结温度为2100℃，烧结时间为2h，随炉降温即可，即得到本对比例中的B4C陶瓷喷嘴。
本对比例中的耐高温冲刷的B4C陶瓷喷嘴的致密度高达98.8％。在1700℃雾化喷射试验中，使用20min后，喷嘴孔径扩张明显，孔径扩张值为1.5mm(由4.2mm扩张到5.7mm)，对比改进前喷嘴的孔径扩张了1.8mm(由4.2mm扩张到6mm)，改进后喷嘴的耐冲蚀性得到了提高，喷嘴的使用寿命有所延长，但延长不明显。
对比例2：
一种耐高温冲刷的B4C陶瓷喷嘴，其原料以重量份计由以下组分构成：94.5份亚微米级B4C 粉末、5份纳米级立方相BN粉末与0.5份助烧剂。本对比例中粉末具体特性与实施例1相同。
上述耐高温冲刷的B4C陶瓷喷嘴的制备方法包括以下步骤：
(1)混粉：称取B4C粉、BN粉、Al2O3粉按照三种粉末的质量比：94.5：5：0.5称取相应质量待用；将称量好的粉体统一放入500mL聚氨酯球磨罐中，再加入原料总量1.5-2.0倍的氧化锆球和一定量的无水乙醇后密封罐体，使用滚筒球磨机进行物料混合，滚筒转速为300r/min，混合时间5-6h，随后取出浆料，使用干燥箱烘干后研磨并过200目筛得到混合粉末。
(2)压制：使用等静压方式对混合粉末进行压制成型，使用聚乙烯软管、不锈钢芯棒及软木塞进行试样压制，装粉后放入等静压机，控制压制压力为200MPa，升压速率为4MPa/s，保压60s后自然泄压。
(3)压力烧结：使用压力烧结炉进行压力烧结，热压压力为30MPa，升温速率为5℃/min，烧结温度为2100℃，烧结时间为2h，随炉降温即可，即得到本对比例中的B4C陶瓷喷嘴。
本对比例中的耐高温冲刷的B4C陶瓷喷嘴的致密度为93.2％。在1700℃雾化喷射试验中，使用20min后，喷嘴孔径扩张明显，孔径扩张值为2.1mm(由4.2mm扩张到6.3mm)，对比改进前喷嘴的孔径扩张了1.8mm(由4.2mm扩张到6mm)，改进后的喷嘴的耐冲蚀性没有得到改善。

Claims (7)

1.一种耐高温冲刷的B4C陶瓷喷嘴，其特征在于，所述B4C陶瓷喷嘴的原料以重量份计包括以下组分：96.5-98.5份亚微米级B4C粉末、1-3份纳米级立方相BN粉末与0.5份助烧剂；
所述助烧剂为Al2O3粉，所述Al2O3粉的粉末粒径为3-10μm；
所述亚微米级B4C粉末的粒径为620-810nm，所述纳米级立方相BN粉末的粒径为45-71nm。
2.根据权利要求1所述的B4C陶瓷喷嘴，其特征在于，所述亚微米级B4C粉末的粒径为695-700nm，所述纳米级立方相BN粉末的粒径为50-52nm。
3.一种如权利要求1-2中任一项所述的耐高温冲刷的B4C陶瓷喷嘴的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将亚微米级B4C粉末、纳米级立方相BN粉末与助烧剂球磨混合均匀得到混合粉末；
（2）使用等静压方式对步骤（1）中的混合粉末进行压制成型，再热压烧结即得到上述B4C陶瓷喷嘴。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，球磨在滚筒球磨机中进行，球磨时加入的氧化锆球的质量为原料粉末总质量的1.5-2.0倍。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，滚筒球磨机的转速为250-450r/min，球磨时间为5-6h。
6.根据权利要求3-5中任一项所述的制备方法，其特征在于，等静压方式压制成型时，使用聚乙烯软管、不锈钢芯棒及软木塞对混合粉末进行压制，装粉后放入等静压机，压制压力为200MPa，升压速率为4MPa/s，保压60s后自然泄压。
7.根据权利要求3-5中任一项所述的制备方法，其特征在于，热压烧结在压力烧结炉中进行，并控制热压压力为25-35MPa，升温速率为4-6℃/min，烧结温度为2000-2300℃，烧结时间为1-3h，随炉降温。
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