CN114478014A - 碳化硅陶瓷材料、陶瓷模具及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种碳化硅陶瓷材料、陶瓷模具及其制备方法，碳化硅陶瓷材料包括：碳化硅微粉75‑90％、粘结剂2‑5％及烧结助剂5‑20％；其中，所述碳化硅微粉的累计粒度分布百分数达到50％时所对应的粒径为0.2‑1.0μm。陶瓷模具的制备方法包括：按预设的质量比例将碳化硅陶瓷材料的各项原料进行研磨；混合研磨后的所述原料，形成粉料；利用预设的模具对所述粉料进行预压成型，形成坯料；将所述坯料进行烧制形成所述陶瓷模具。通过采用碳化硅作为主要原料，碳化硅的硬度远较石墨高，耐磨损性能好，同时，碳化硅的C‑Si键能较大，在高温情况下，相比石墨更难氧化，减少了因为氧化及脱落产生的麻点，有效提高模具寿命，减少后期维护带来的成本投入。

Description

碳化硅陶瓷材料、陶瓷模具及其制备方法

技术领域

本申请涉及模具技术领域，具体涉及一种碳化硅陶瓷材料、陶瓷模具及其制备方法。

背景技术

3D玻璃成型主要采用热弯工艺实现，将切割好的玻璃放在上下弧形模具之间，在热弯机内通过几段工位依次加热到一定温度使玻璃软化，在一定压力下软化玻璃逐渐和模具贴合，再通过保压、逐步降温的方式将其冷却，从而得到具有曲面造型的3D玻璃。目前常规热弯模具材料为石墨材料，石墨具有耐高温、导热性好、耐腐蚀、成本低、易加工的特点，温度越高时，其性质反而越硬，这样就不会存在变形的问题，可以保证最大限度的精密程度；同时，石墨模具本身不与玻璃浸润，能保证玻璃产品本身的表面质量。

现有的石墨模具，对于常规的小角度两面弯曲玻璃产品，其模具寿命可达1000次以上，但随着3D曲面玻璃产品造型越来越复杂，加工难度相应提高，对产品成型所用模具的要求也更严苛，因为石墨本身易氧化、硬度低、不耐磨损，往往模具使用数百甚至数十次，即产生严重的氧化掉粉现象，从而使得产品表面模印和麻点缺陷较重，需要及时对模具进行维护抛光，而抛光难度和成本较大。

发明内容

鉴于此，本申请提供一种碳化硅陶瓷材料及陶瓷模具的制备方法，以解决现有的石墨模具高温下易氧化、不耐磨损导致增加维护成本的问题。

本申请的第一方面，提供的一种碳化硅陶瓷材料，包括：

碳化硅微粉75-90％、粘结剂2-5％及烧结助剂5-20％；

其中，所述碳化硅微粉的累计粒度分布百分数达到50％时所对应的粒径为0.2-1.0μm。

可选的，所述粘结剂包括有机物纤维素、环氧树脂或膨润土中的至少一种。

可选的，所述烧结助剂包括三氧化二铝、长石粉、硅微粉、碳微粉、碳化硼、无水乙醇或二硼化钛中的至少一种。

第二方面，提供一种陶瓷模具的制备方法，包括：

按预设的质量比例将如上述任一项所述的碳化硅陶瓷材料的各项原料进行研磨；

混合研磨后的所述原料，形成粉料；

利用预设的模具对所述粉料进行预压成型，形成坯料；

将所述坯料进行烧制形成所述陶瓷模具。

可选的，所述按预设的质量比例将碳化硅陶瓷材料的各项原料进行研磨，包括：

取预设的质量比例的所述原料，分别将各原料与碳化硅磨球加入球磨机进行球磨，其中，所述碳化硅磨球的重量是对应原料的重量的两倍。

可选的，所述混合干磨后的所述原料，形成粉料，包括：

按所述比例混合研磨后的所有原料，加入蒸馏水或无水乙醇，其中，所述蒸馏水或无水乙醇重量与所有原料总重量相等；

加入碳化硅磨球，利用行星式球磨机对所述原料进行球磨，形成浆体，其中，所述碳化硅磨球的重量为所有原料总重量的两倍；

将所述浆体进行干燥，形成粉体；

将所述粉体进行过筛，形成所述粉料。

可选的，所述利用行星式球磨机对所述原料进行球磨，包括：

所述原料在行星式球磨机中以360r/min球磨3-5小时。

可选的，所述将所述浆体进行干燥，包括：

将所述浆体放置于烘箱中，以40-60℃干燥2h。

可选的，所述过筛采用60-80目筛网。

可选的，所述利用预设的模具对所述粉料进行预压成型，形成坯料，包括：

将所述粉料加入所述模具中，通过模具加压至50-200MPa，保压60-150s，形成所述坯料。

可选的，所述将所述坯料进行烧制形成所述陶瓷模具，包括：

将所述坯料从室温升温至500℃并保温20-40min，然后继续升温至1300-1600℃并保压3h，形成所述陶瓷模具。

第三方面，提供一种陶瓷模具，包括碳化硅，质量比例大于75％。

本申请上述碳化硅陶瓷材料及陶瓷模具的制备方法，通过采用碳化硅作为主要原料，碳化硅的硬度远较石墨高，耐磨损性能好，同时，碳化硅的C-Si键能较大，在高温情况下，相比石墨更难氧化，相对于石墨模具，利用碳化硅作为主要原料的陶瓷模具减少了因为氧化及脱落产生的麻点，有效提高模具寿命，减少后期维护带来的成本投入。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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为本申请实施例提供的陶瓷模具的制备方法的流程示意图；

图2为本申请实施例提供的混合原料的流程示意图；

图3为本申请实施例提供的陶瓷模具的制备方法的工艺流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而非全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。在不冲突的情况下，下述各个实施例及其技术特征可以相互组合。

本申请提供一种碳化硅陶瓷材料，包括碳化硅微粉、粘结剂和烧结助剂，按质量比例分别为：碳化硅微粉75-90％、粘结剂2-5％和烧结助剂5-20％。其中，碳化硅微粉的粒度分布D50为0.2-1.0μm，纯度为99％，粒度分布D50表示一个样品的累计粒度分布百分数达到50％时所对应的粒径，即粒径大于该数值的颗粒占50％，小于该数值的颗粒也占50％，D50也叫中位径或中值粒径，例如碳化硅微粉粒度分布D50为0.2μm时，表示碳化硅微粉中粒径大于0.2μm的颗粒占50％，小于0.2μm的颗粒占50％。碳化硅微粉的粒度分布直接影响烧结后的坯体密度和粘度等性能要求，当微粉粒度过大时，在烧结温度范围内无法获得良好致密的胚体，在后续加工过程中胚体中间微孔缺陷容易被暴露，从而影响模具表面质量。

具体地，采用具备下表特性的碳化硅微粉。

理论物性	SiC
		分子量	40.07
颜色状态	无色、黑色、墨绿色、黄色等
		理论密度g/cm3	3.16-3.2
熔点℃	3000
		沸点℃	3500
热导率W/m·k	0.3
		热膨胀系数×10-6/℃	5.2

粘结剂的作用主要在于增加生坯的强度，并不参与烧结反应。加入适量的粘结剂，可以在预压成型时增加坯体的密度，原因是粘结剂能增加碳化硅粉末的塑性，降低颗粒挤压过程中的摩擦力，使小颗粒更易填充到大颗粒的间隙中，从而排出气孔，增大致密度。而粘结剂的添加量也不宜过多，因为粘结剂中均含有不同比例的水分，当生坯干燥过程中，水分的挥发也易导致坯体残留孔隙。在一些实施方式中，粘结剂包括有机物纤维素、环氧树脂或膨润土中的至少一种，在另一些实施方式中，粘结剂的主体为有机物纤维素，也可采用环氧树脂、膨润土等一种或几种进行替代。

烧结助剂的添加主要降低物料体系在烧结过程中的粘度，促进液相的流动，加速碳化硅粉末的移动已经其他氧化物的溶解与沉淀过程，从而使得烧结体的致密度及力学性能显著提高；同时，加入碳粉及碳化硼等烧结助剂可增大烧结体的导热系数，加入三氧化二铝可增大烧结体的热膨胀系数，使得该材料更适用于做热弯模具。但上述烧结材料并非越多越好，因烧结助剂的熔点一般较低，高温烧结过程中易挥发，不利于致密度的提升；而且，氧化物烧结剂在烧结过程中常为液相，在烧结结束后作为玻璃相存在于晶界，使得强度降低。在一些实施方式中，烧结助剂包括三氧化二铝、长石粉、硅微粉、碳微粉、碳化硼、无水乙醇或二硼化钛中的至少一种。

基于同样的发明构思，本申请还提供一种陶瓷模具的制备方法，如图1所示，包括：

S10、按预设的质量比例将碳化硅陶瓷材料的各项原料进行研磨；

具体的，取预设的质量比例的各项原料，碳化硅陶瓷材料的各项原料比例如上述任一项所述，例如取粒径D50为0.2μm的碳化硅微粉90千克，2千克的有机物纤维素(粘结剂)和8千克长石粉(烧结助剂)，即质量比例分别为90％、2％、8％。分别将各项原料与碳化硅磨球加入球磨机进行球磨，加入的碳化硅磨球的重量为对应原料的重量的两倍，例如碳化硅微粉90千克即加入180千克碳化硅磨球，有机物纤维素2千克加入4千克碳化硅磨球，8千克长石粉加入16千克碳化硅磨球，球磨的时间可以根据选用材料性质以及所需的粒径进行调整，例如10小时，但不限于此；当需要原料粒径更小时，可以增加球磨的时间，例如调整为15小时。对原料分别进行研磨之后，得到研磨后的各项原料。

在本实施例中，碳化硅微粉的质量比例为90％、粘结剂的质量比例为2％、烧结助剂的质量比例为8％，碳化硅微粉的粒度分布D50为0.2μm，在另一些实施方式中，碳化硅微粉的质量比例可以为75％、78％、80％、83％、85％、87％、88％、90％等；粘结剂的质量比例可以为2.5％、3％、4％、5％等；烧结助剂的质量比例可以为5％、7％、8％、10％、12％、15％、18％、20％等；碳化硅微粉的粒度分布D50可以为0.2μm、0.3、μm、0.5μm、0.7μm、0.8μm、1.0μm等，例如采用碳化硅微粉87％、粘结剂3％、烧结助剂10％、碳化硅微粉的粒度分布D50为0.3μm。

在本实施方式中，粘结剂选用有机物纤维素，烧结助剂选用长石粉，在另一些实施方式中，粘结剂可以选用环氧树脂或膨润土中的至少一种进行替换，烧结助剂可以选用三氧化二铝、硅微粉、碳微粉、碳化硼、无水乙醇或二硼化钛中的至少一种进行替换。

S20、混合研磨后的所述原料，形成粉料；

本实施方式中，采用湿混法混合原料，具体的，将所有研磨后的原料加入到行星式球磨机中，并加入蒸馏水或无水乙醇，蒸馏水或无水乙醇的重量与所有原料总重量相等，例如碳化硅微粉90千克，2千克的有机物纤维素和8千克长石粉，总重量为100千克，则加入100千克的蒸馏水或无水乙醇；然后加入碳化硅磨球，碳化硅磨球的重量为所有原料总重量的两倍，例如碳化硅微粉90千克，2千克的有机物纤维素和8千克长石粉，总重量为100千克，则加入200千克的碳化硅磨球；利用行星式球磨机对所有原料进行球磨并混合，形成浆体，然后将浆体进行干燥后过筛，得到粉料。在另一些实施方式中，也可以将原料直接混合，通过搅拌机等方式进行搅拌使原料充分混合。

S30、利用预设的模具对所述粉料进行预压成型，形成坯料；

本实施方式中采用冷预压成型的方式，将得到的粉料加入到预设的模具中，通过模具加压至50-200MPa，并保压60-150s，使粉料在模具中成型，形成坯料。预设的模具选用本领域中用于将粉料挤压成型的成型模，模具的形状可以根据工艺需求进行调整，在此不作限定。

S40、将所述坯料进行烧制形成所述陶瓷模具。

将预压得到的坯料放入高温炉内，从室温升温至500℃，保温20-40min，然后再升温至1300-1600℃进行烧结，保压3小时，自然冷却后获得热弯成型用陶瓷模具。升温的速度可以根据实际应用场景进行调整，在此不作限定，例如以10℃/min的速度从室温升至500℃进行预烧，保温后以18℃/min的速度升至1300-1600℃进行烧结。在一些实施方式中，为了减少因为温度骤变导致坯料开裂，可以适当降低升温速度；为了加快坯料烧结效率，可以适当提高升温速度。

上述实施例通过碳化硅陶瓷材料及陶瓷模具的制备方法，通过采用碳化硅作为主要原料，碳化硅的硬度远较石墨高，耐磨损性能好，同时，碳化硅的C-Si键能较大，在高温情况下，相比石墨更难氧化，相对于石墨模具，利用碳化硅作为主要原料的陶瓷模具减少了因为氧化及脱落产生的麻点，有效提高模具寿命，减少后期维护带来的成本投入。此外，碳化硅采用无压烧结的方式，在烧制时不额外加压，使得烧结得到的热弯成型用陶瓷模具具有良好的各向异性的热膨胀系数，能满足更高温度下的使用要求。

如图2所示，在一些实施方式中，S20、混合研磨后的所述原料，形成粉料，具体包括：

S21、按所述比例混合研磨后的所有原料，加入蒸馏水或无水乙醇，其中，所述蒸馏水或无水乙醇重量与所有原料总重量相等；

S22、加入碳化硅磨球，利用行星式球磨机对所述原料进行球磨，形成浆体，其中，所述碳化硅磨球的重量为所有原料总重量的两倍；

将所有原料加入到行星式球磨机中，然后加入所有原料总重量的两倍的蒸馏水或无水乙醇，以及加入所有原料总重量的两倍碳化硅磨球，利用行星式球磨机以360r/min球磨3-5小时，形成浆体。

S23、将所述浆体进行干燥，形成粉体；

将混合后得到的浆体放置于烘箱中，以以40-60℃干燥2h以上，以去除混合时加入的蒸馏水或无水乙醇，形成粉体。

S24、将所述粉体进行过筛，形成所述粉料；

将干燥后的粉体利用60-80目的筛网松散造粒，形成粉料以用于预压和烧结。

在一个具体的实施例中，如图3所示，陶瓷模具的制备方法包括如下几个步骤：

配料：取预设的质量比例的所述原料，分别将各原料与碳化硅磨球加入球磨机进行球磨，其中，所述碳化硅磨球的重量是对应原料的重量的两倍；

混料：采用湿混法进行混料，按照配方设计好比例后，加入与原料总重量相等的蒸馏水或无水乙醇，以及2倍重量的碳化硅磨球，在行星式球磨机上以360r/min球磨3-5h，将获得的浆体放置于烘箱中，以40-60℃干燥约2h，得到粉体；最后用60-80目的筛网松散造粒，获得粉料；

预压成型：将混料好的粉体放入预先设计好的模具内，通过模具加压50-200MPa的压力，保压60-150s，从而得到一定粘接力的坯料；

烧结：将坯料放入高温炉内，从室温缓缓升温至500℃左右，防止温度骤变导致的开裂，在500℃下保温20-40min后，再升温至1300-1600℃之间烧结并保压3h，获得致密的烧结成品。

基于同样的发明构思，本申请还提供一种热弯成型用陶瓷模具，包括碳化硅，热弯成型用陶瓷模具中碳化硅的质量比例大于75％。

尽管已经相对于一个或多个实现方式示出并描述了本申请，但是本领域技术人员基于对本说明书和附图的阅读和理解将会想到等价变型和修改。本申请包括所有这样的修改和变型，并且仅由所附权利要求的范围限制。特别地关于由上述组件执行的各种功能，用于描述这样的组件的术语旨在对应于执行所述组件的指定功能(例如其在功能上是等价的)的任意组件(除非另外指示)，即使在结构上与执行本文所示的本说明书的示范性实现方式中的功能的公开结构不等同。

即，以上所述仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，例如各实施例之间技术特征的相互结合，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

另外，在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。另外，对于特性相同或相似的结构元件，本申请可采用相同或者不相同的标号进行标识。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，“示例性”一词是用来表示“用作例子、例证或说明”。本申请中被描述为“示例性”的任何一个实施例不一定被解释为比其它实施例更加优选或更加具优势。为了使本领域任何技术人员能够实现和使用本申请，本申请给出了以上描述。在以上描述中，为了解释的目的而列出了各个细节。应当明白的是，本领域普通技术人员可以认识到，在不使用这些特定细节的情况下也可以实现本申请。在其它实施例中，不会对公知的结构和过程进行详细阐述，以避免不必要的细节使本申请的描述变得晦涩。因此，本申请并非旨在限于所示的实施例，而是与符合本申请所公开的原理和特征的最广范围相一致。

Claims (12)

1.一种碳化硅陶瓷材料，其特征在于，包括：

碳化硅微粉75-90％、粘结剂2-5％及烧结助剂5-20％；

其中，所述碳化硅微粉的累计粒度分布百分数达到50％时所对应的粒径为0.2-1.0μm。

2.根据权利要求1所述的碳化硅陶瓷材料，其特征在于，所述粘结剂包括有机物纤维素、环氧树脂或膨润土中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的碳化硅陶瓷材料，其特征在于，所述烧结助剂包括三氧化二铝、长石粉、硅微粉、碳微粉、碳化硼、无水乙醇或二硼化钛中的至少一种。

4.一种陶瓷模具的制备方法，其特征在于，包括：

按预设的质量比例将如权利要求1-3任一项所述的碳化硅陶瓷材料的各项原料进行研磨；

混合研磨后的所述原料，形成粉料；

利用预设的模具对所述粉料进行预压成型，形成坯料；

将所述坯料进行烧制形成所述陶瓷模具。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述按预设的质量比例将碳化硅陶瓷材料的各项原料进行研磨，包括：

取预设的质量比例的所述原料，分别将各原料与碳化硅磨球加入球磨机进行球磨，其中，所述碳化硅磨球的重量是对应原料的重量的两倍。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述混合干磨后的所述原料，形成粉料，包括：

按所述比例混合研磨后的所有原料，加入蒸馏水或无水乙醇，其中，所述蒸馏水或无水乙醇重量与所有原料总重量相等；

加入碳化硅磨球，利用行星式球磨机对所述原料进行球磨，形成浆体，其中，所述碳化硅磨球的重量为所有原料总重量的两倍；

将所述浆体进行干燥，形成粉体；

将所述粉体进行过筛，形成所述粉料。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述利用行星式球磨机对所述原料进行球磨，包括：

所述原料在行星式球磨机中以360r/min球磨3-5小时。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述将所述浆体进行干燥，包括：

将所述浆体放置于烘箱中，以40-60℃干燥2h。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述过筛采用60-80目筛网。

10.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述利用预设的模具对所述粉料进行预压成型，形成坯料，包括：

将所述粉料加入所述模具中，通过模具加压至50-200MPa，保压60-150s，形成所述坯料。

11.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述将所述坯料进行烧制形成所述陶瓷模具，包括：

将所述坯料从室温升温至500℃并保温20-40min，然后继续升温至1300-1600℃并保压3h，形成所述陶瓷模具。

12.一种陶瓷模具，其特征在于，包括碳化硅，质量比例大于75％。

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