CN114478023A - 一种烧嘴套用复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种烧嘴套用复合材料及其制备方法，属于陶瓷材料技术领域，按质量百分比计由以下成分制成：氮化硅粉70~85%、碳粉5~13%、烧结助剂10~17%，其余为不可避免的杂质。采用冷等静压成型方法将制备好的混合料压成预制坯，将预制坯在真空气氛中进行反应得到反应坯料，最后再对反应坯料高温烧结得到烧嘴套用氮化硅‑碳化硅复合材料，其密度为3.21~3.36g/cm³，室温抗弯强度400~600MPa，1300℃高温抗弯强度达到320~500MPa，使用寿命显著提高，达到10个月以上，而且制备工艺简单，适合批量化生产。

Description

一种烧嘴套用复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及陶瓷材料技术领域，特别涉及一种烧嘴套用复合材料及其制备方法。

背景技术

烧嘴套在工作过程中所处的大多为高温、高压等恶劣环境，所输送的物质化学性质比较活跃，容易发生化学反应，故而对材质的要求较为苛刻。目前常用的烧嘴套材料为反应烧结碳化硅材料，但由于有大量的游离硅存在，使用温度不高于1350℃，使用寿命为3个月左右，最高的使用寿命也只有6个月，而频繁更换烧嘴套会影响生产和能耗指标。CN214332689U、CN203754658U等专利均从烧嘴套设计角度进行改制，但提高烧嘴套的使用寿命有限，因此，如何从材料设计角度，提高烧嘴套本身的使用寿命成为关键点。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本申请旨在提供一种烧嘴套用复合材料及其制备方法，解决烧嘴套使用寿命短的问题，能够更好的满足使用需求。

第一方面，本申请提供一种烧嘴套用复合材料，按质量百分比计主要由以下原料制成：氮化硅粉70~85%、碳粉5~13%、烧结助剂10~17%。

根据本申请实施例提供的技术方案，按质量百分比计，烧结助剂包括以下成分：氧化铝粉3.5~10%、氧化钇粉5~13%、碳化硼粉0.1~0.5%，其中各成分百分比含量为各成分质量占烧嘴套用复合材料所有原料总质量的百分比。

根据本申请实施例提供的技术方案，氮化硅粉的粒度为0.5~2μm、碳粉的粒度为1~3μm、氧化铝粉的粒度为0.1~0.8μm，氧化钇粉的粒度为0.1~0.5μm、碳化硼粉的粒度为2~4μm。

第二方面，本申请提供一种烧嘴套用复合材料制备方法，包括以下步骤：

混合碳粉、氮化硅粉、烧结助剂，经球磨、抽滤、烘干后，得到混合料；

对混合料进行冷等静压成型，得到预制坯；

在真空气氛下加热预制坯并保温，使氮化硅粉与碳粉反应生成碳化硅，得到反应坯料；其中氮化硅粉过量；

对反应坯料进行高温烧结，反应坯料中生成的碳化硅与原料中过量的氮化硅进一步反应，得到烧嘴套用氮化硅-碳化硅复合材料。

具体的，传统的烧嘴套材料大多采用碳化硅与碳粉混合制成预制坯，然后对预制坯进行渗硅处理并高温烧结制成；在高温下液态硅在毛细管力作用下渗入到预制坯中，与预制坯中的碳粉反应生成碳化硅，并原位结合预制坯中原位配入的碳化硅微粉颗粒，但渗入的硅不能完全反应，仍会有一部分残余硅残留在最后的材料中，以游离硅的形式存在于烧嘴套材料中，而大量游离硅的存在降低了烧嘴套的使用寿命。

为了消除游离硅并提高材料密度和强度，从而提高使用寿命，本申请从材料设计角度出发，从根本上消除产生游离硅的途径，采用碳粉与氮化硅粉在高温下发生扩散化学反应，形成碳化硅，这样会形成一部分碳化硅与氮化硅的复合化合物，还有一部分碳化硅包裹着氮化硅颗粒，形成的碳化硅在氮化硅颗粒中的分布更加均匀，高温烧结后与氮化硅结合得更加紧密。通过碳与氮化硅反应，最终形成的氮化硅-碳化硅复合陶瓷材料具有化学结合和物理结合两种结合方式，强度高而且无游离硅，从而显著提升烧嘴套使用寿命。

根据本申请实施例提供的技术方案，用酒精混合碳粉、氮化硅粉、烧结助剂，并采用氮化硅球进行球磨。

根据本申请实施例提供的技术方案，冷等静压成型包括以下步骤：

将混合料装入软胶膜；

加压至200～250MPa；

保压10～18min，得到相对密度为50~60%的预制坯。

根据本申请实施例提供的技术方案，预制坯的加热温度为1500~1650℃，保温时间为1~3h。

根据本申请实施例提供的技术方案，球磨时间为24~36h。

根据本申请实施例提供的技术方案，反应坯料的烧结温度为1700～1900℃，保温时间为1～2h。

综上，本申请公开有一种烧嘴套用复合材料及其制备方法，基于上述方案产生的有益效果是，通过材料设计及配比，采用冷等静压成型方法将制备好的混合料压成预制坯，然后将预制坯在真空气氛中进行反应得到反应坯料，最后在真空气氛中再对反应坯料进行高温烧结得到烧嘴套用氮化硅-碳化硅复合材料。本申请克服了常规烧嘴套材料内存在残余游离硅的问题，提高了烧嘴套的使用寿命。经检测，采用本申请制备的烧嘴套用氮化硅-碳化硅复合材料的密度为3.21~3.36g/cm³，室温抗弯强度400~600MPa，1300℃抗弯强度为320~500MPa，使用寿命达到10个月以上，而且制备工艺简单、适合批量生产。

本申请还具有以下优点：

（1）所使用的碳粉、氮化硅粉、氧化钇粉、氧化铝粉和碳化硼粉均为常规粒度，易于在市场中购买；

（2）制备工艺为粉末冶金工艺，简单易于操作；

（3）制备的烧嘴套用氮化硅-碳化硅复合材料，成分中无对环境有害元素，不会造成环境污染。

附图说明

图1为本申请烧嘴套用氮化硅-碳化硅复合材料制备工艺流程图。

图2为本申请实施例1烧嘴套用氮化硅-碳化硅复合材料200倍的微观组织图。

具体实施方式

下面结合实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。对本领域技术人员，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。下面结合实施例来详细说明本申请。

实施例1

一种烧嘴套用氮化硅-碳化硅复合材料，按质量百分比计主要由以下原料制成：粒度为0.5~2μm的氮化硅粉70%、粒度为1~3μm的碳粉13%、烧结助剂17%，其余为不可避免的杂质。其中烧结助剂按质量百分比计包括以下成分：粒度为0.1~0.8μm的氧化铝粉3.5%、粒度为0.1~0.5μm的氧化钇粉13%、粒度为2~4μm的碳化硼0.5%，其余为不可避免的杂质。以上各成分百分比含量为各成分质量占烧嘴套用氮化硅-碳化硅复合材料所有原料总质量的百分比。

如图1所示，烧嘴套用氮化硅-碳化硅复合材料的制备过程包括以下步骤：

原料配制：

按比例取氮化硅粉（Si₃N₄）、碳粉（C）、氧化铝粉（Al₂O₃）、氧化钇粉（Y₂O₃）、碳化硼（B₄C）放入混料罐中，得到预混料，然后加入酒精和磨球进行球磨24h，然后经抽滤、烘干后，得到混合料，磨球为氮化硅球，磨球与预混料的比例为3:1；

冷等静压成型：

将混合料装入软胶膜内，放入冷等静压机中压制成型，冷等静压压力为200MPa，保压时间为10min，得到相对密度50%的预制坯；

真空反应：

将预制坯放入烧结炉内，在真空气氛下反应，反应温度为1500℃，保温时间为1h，得到反应坯料；

高温烧结：

保持烧结炉内的真空气氛，将温度加热至1700℃对反应坯料进行高温烧结，保温1h，得到用于加工制作烧嘴套用氮化硅-碳化硅复合材料。

经测试，烧嘴套用氮化硅-碳化硅复合材料密度为3.21g/cm³，室温抗弯强度为400MPa，1300℃高温抗弯强度为320MPa，其微观组织如图2所示，从图中可以看出，内部无空隙等缺陷。经实际使用测试，采用氮化硅-碳化硅复合材料制备的烧嘴套使用寿命达到10~12个月。

实施例2

一种烧嘴套用氮化硅-碳化硅复合材料，按质量百分比计主要由以下原料制成：粒度为0.5~2μm的氮化硅粉85%、粒度为1~3μm的碳粉5%、烧结助剂10%，其余为不可避免的杂质。其中烧结助剂按质量百分比计包括以下成分：粒度为0.1~0.8μm的氧化铝粉4.9%、粒度为0.1~0.5μm的氧化钇粉5%、粒度为2~4μm的碳化硼0.1%，其余为不可避免的杂质。以上各成分百分比含量为各成分质量占烧嘴套用氮化硅-碳化硅复合材料所有原料总质量的百分比。

如图1所示，烧嘴套用氮化硅-碳化硅复合材料的制备过程包括以下步骤：

原料配制：

按比例取氮化硅粉（Si₃N₄）、碳粉（C）、氧化铝粉（Al₂O₃）、氧化钇粉（Y₂O₃）、碳化硼（B₄C）放入混料罐中，得到预混料，然后加入酒精和磨球进行球磨36h，然后经抽滤、烘干后，得到混合料，磨球为氮化硅球，磨球与预混料的比例为3:1；

冷等静压成型：

将混合料装入软胶膜内，放入冷等静压机中压制成型，冷等静压压力为250MPa，保压时间为18min，得到相对密度60%的预制坯；

真空反应：

将预制坯放入烧结炉内，在真空气氛下反应，反应温度为1650℃，保温时间为3h，得到反应坯料；

高温烧结：

保持烧结炉内的真空气氛，将温度加热至1900℃对反应坯料进行高温烧结，保温2h，得到用于加工制作烧嘴套用氮化硅-碳化硅复合材料。

经测试，烧嘴套用氮化硅-碳化硅复合材料密度为3.36g/cm³，室温抗弯强度为600MPa，1300℃高温抗弯强度为500MPa，其微观组织与实施例1相似，不再重复列示。经实际使用测试，采用氮化硅-碳化硅复合材料制备的烧嘴套使用寿命达到11~13个月。

实施例3

一种烧嘴套用氮化硅-碳化硅复合材料，按质量百分比计主要由以下原料制成：粒度为0.5~2μm的氮化硅粉75%、粒度为1~3μm的碳粉10%、烧结助剂15%，其余为不可避免的杂质。其中烧结助剂按质量百分比计包括以下成分：粒度为0.1~0.8μm的氧化铝粉4.7%、粒度为0.1~0.5μm的氧化钇粉10%、粒度为2~4μm的碳化硼0.3%，其余为不可避免的杂质。以上各成分百分比含量为各成分质量占烧嘴套用氮化硅-碳化硅复合材料所有原料总质量的百分比。

如图1所示，烧嘴套用氮化硅-碳化硅复合材料的制备过程包括以下步骤：

原料配制：

按比例取氮化硅粉（Si₃N₄）、碳粉（C）、氧化铝粉（Al₂O₃）、氧化钇粉（Y₂O₃）、碳化硼（B₄C）放入混料罐中，得到预混料，然后加入酒精和磨球进行球磨30h，然后经抽滤、烘干后，得到混合料，磨球为氮化硅球，磨球与预混料的比例为3:1；

冷等静压成型：

将混合料装入软胶膜内，放入冷等静压机中压制成型，冷等静压压力为220MPa，保压时间为15min，得到相对密度55%的预制坯；

真空反应：

将预制坯放入烧结炉内，在真空气氛下反应，反应温度为1600℃，保温时间为2h，得到反应坯料；

高温烧结：

保持烧结炉内的真空气氛，将温度加热至1800℃对反应坯料进行高温烧结，保温1.5h，得到用于加工制作烧嘴套用氮化硅-碳化硅复合材料。

经检测，烧嘴套用氮化硅-碳化硅复合材料密度为3.30g/cm³，室温抗弯强度为550MPa，1300℃高温抗弯强度为480MPa，其微观组织与实施例1相似，不再重复列示。经实际使用测试，采用氮化硅-碳化硅复合材料制备的烧嘴套使用寿命达到10~12个月。

实施例4

一种烧嘴套用氮化硅-碳化硅复合材料，按质量百分比计主要由以下原料制成：粒度为0.5~2μm的氮化硅粉80%、粒度为1~3μm的碳粉7%、烧结助剂13%，其余为不可避免的杂质。其中烧结助剂按质量百分比计包括以下成分：粒度为0.1~0.8μm的氧化铝粉5.8%、粒度为0.1~0.5μm的氧化钇粉7%、粒度为2~4μm的碳化硼0.2%，其余为不可避免的杂质。以上各成分百分比含量为各成分质量占烧嘴套用氮化硅-碳化硅复合材料所有原料总质量的百分比。

如图1所示，烧嘴套用氮化硅-碳化硅复合材料的制备过程包括以下步骤：

原料配制：

按比例取氮化硅粉（Si₃N₄）、碳粉（C）、氧化铝粉（Al₂O₃）、氧化钇粉（Y₂O₃）、碳化硼（B₄C）放入混料罐中，得到预混料，然后加入酒精和磨球进行球磨28h，然后经抽滤、烘干后，得到混合料，磨球为氮化硅球，磨球与预混料的比例为3:1；

冷等静压成型：

将混合料装入软胶膜内，放入冷等静压机中压制成型，冷等静压压力为240MPa，保压时间为13min，得到相对密度54%的预制坯；

真空反应：

将预制坯放入烧结炉内，在真空气氛下反应，反应温度为1620℃，保温时间为2.5h，得到反应坯料；

高温烧结：

保持烧结炉内的真空气氛，将温度加热至1850℃对反应坯料进行高温烧结，保温1.5h，得到用于加工制作烧嘴套用氮化硅-碳化硅复合材料。

经测试，烧嘴套用氮化硅-碳化硅复合材料密度为3.34g/cm³，室温抗弯强度为580MPa，1300℃高温抗弯强度为450MPa，其微观组织与实施例1相似，不再重复列示。经实际使用测试，采用氮化硅-碳化硅复合材料制备的烧嘴套使用寿命达到11~12个月。

实施例5

一种烧嘴套用氮化硅-碳化硅复合材料，按质量百分比计主要由以下原料制成：粒度为0.5~2μm的氮化硅粉78%、粒度为1~3μm的碳粉6%、烧结助剂16%，其余为不可避免的杂质。其中烧结助剂按质量百分比计包括以下成分：粒度为0.1~0.8μm的氧化铝粉3.6%、粒度为0.1~0.5μm的氧化钇粉12%、粒度为2~4μm的碳化硼0.4%，其余为不可避免的杂质。以上各成分百分比含量为各成分质量占烧嘴套用氮化硅-碳化硅复合材料所有原料总质量的百分比。

如图1所示，烧嘴套用氮化硅-碳化硅复合材料的制备过程包括以下步骤：

原料配制：

按比例取氮化硅粉（Si₃N₄）、碳粉（C）、氧化铝粉（Al₂O₃）、氧化钇粉（Y₂O₃）、碳化硼（B₄C）放入混料罐中，得到预混料，然后加入酒精和磨球进行球磨30h，然后经抽滤、烘干后，得到混合料，磨球为氮化硅球，磨球与预混料的比例为3:1；

冷等静压成型：

将混合料装入软胶膜内，放入冷等静压机中压制成型，冷等静压压力为230MPa，保压时间为14min，得到相对密度58%的预制坯；

真空反应：

将预制坯放入烧结炉内，在真空气氛下反应，反应温度为1580℃，保温时间为2h，得到反应坯料；

高温烧结：

保持烧结炉内的真空气氛，将温度加热至1750℃对反应坯料进行高温烧结，保温2h，得到用于加工制作烧嘴套用氮化硅-碳化硅复合材料。

经检测，密度为3.28g/cm³，室温抗弯强度为520MPa，1300℃高温抗弯强度为400MPa，其微观组织与实施例1相似，不再重复列示。经实际使用测试，采用氮化硅-碳化硅复合材料制备的烧嘴套使用寿命达到11~13个月。

综合以上实施例可以看出，本申请提供一种烧嘴套用复合材料及其制备方法，通过重新设计材料及配比，采用冷等静压成型方法将制备好的混合料压成预制坯，然后将预制坯在真空气氛中进行反应得到反应坯料，使碳粉与氮化硅粉在高温下发生扩散化学反应，形成碳化硅，最后再对反应坯料进行高温烧结得到烧嘴套用氮化硅-碳化硅复合材料。本申请从材料设计角度出发，从根本上消除了制备过程产生游离硅的途径，克服了常规烧嘴套材料内存在残余游离硅的问题，提高了烧嘴套的使用寿命。本申请制备出的烧嘴套用氮化硅-碳化硅复合材料经测试，密度为3.21~3.36g/cm³，室温抗弯强度400~600MPa，1300℃抗弯强度为320~500MPa，使用寿命达到10个月以上，而且制备工艺简单、适合批量生产，能够更好的满足烧嘴套的使用需求。

本申请的上述实施例仅仅是为清楚地说明本申请所作的举例，而并非是对本申请的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本申请的技术方案所引申出的显而易见的变化或者变动仍处于本申请的保护范围之列。

Claims (9)

1.一种烧嘴套用复合材料，其特征在于，按质量百分比计主要由以下原料制成：氮化硅粉70~85%、碳粉5~13%、烧结助剂10~17%。

2.根据权利要求1所述的一种烧嘴套用复合材料，其特征在于，按质量百分比计，所述烧结助剂包括以下成分：氧化铝粉3.5~10%、氧化钇粉5~13%、碳化硼粉0.1~0.5%，其中各成分百分比含量为各成分质量占烧嘴套用复合材料所有原料总质量的百分比。

3.根据权利要求2所述的一种烧嘴套用复合材料，其特征在于，所述氮化硅粉的粒度为0.5~2μm、所述碳粉的粒度为1~3μm、所述氧化铝粉的粒度为0.1~0.8μm、所述氧化钇粉的粒度为0.1~0.5μm、所述碳化硼粉的粒度为2~4μm。

4.一种如权利要求1-3任一所述的烧嘴套用复合材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

混合碳粉、氮化硅粉、烧结助剂，经球磨、抽滤、烘干后，得到混合料；

对所述混合料进行冷等静压成型，得到预制坯；

在真空气氛下加热所述预制坯并保温，使氮化硅粉与碳粉反应生成碳化硅，得到反应坯料；其中氮化硅粉过量；

对所述反应坯料进行高温烧结，所述反应坯料中生成的碳化硅与原料中过量的氮化硅进一步反应，得到烧嘴套用氮化硅-碳化硅复合材料。

5.根据权利要求4所述的一种烧嘴套用复合材料制备方法，其特征在于，用酒精混合碳粉、氮化硅粉、烧结助剂，并采用氮化硅球进行球磨。

6.根据权利要求4所述的一种烧嘴套用复合材料制备方法，其特征在于，所述冷等静压成型包括以下步骤：

将所述混合料装入软胶膜；

加压至200～250MPa；

保压10～18min，得到相对密度为50~60%的所述预制坯。

7.根据权利要求4所述的一种烧嘴套用复合材料制备方法，其特征在于，所述预制坯的加热温度为1500~1650℃，保温时间为1~3h。

8.根据权利要求5所述的一种烧嘴套用复合材料制备方法，其特征在于，球磨时间为24~36h。

9.根据权利要求7所述的一种烧嘴套用复合材料制备方法，其特征在于，高温烧结所述反应坯料的温度为1700～1900℃，保温时间为1～2h。

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