CN1528708A - 陶瓷材料及利用陶瓷材料制作旋转喷头的工艺 - Google Patents

Abstract

一种陶瓷材料及利用陶瓷材料制作旋转喷头的工艺，属于铝熔体纯净化处理领域。陶瓷材料组分及其重量百分比为：碳化硅：45－70％，硅粉：25－53％，助烧剂即氧化锆+氧化铝：2－5％。方法为：将碳化硅和硅粉采用凝胶注模工艺成型，先配制单体预混溶液；将碳化硅粉、硅粉以及助烧剂加入单体预混溶液中，混合得到稳定的浆料；将浆料除泡；在除泡后的浆料中加入引发剂、催化剂；将浆料注入旋转喷头金属模具中，保温，陶瓷悬浮体转变成旋转喷头素坯，完全干燥之后将素坯进行机加工，再同时进行烧结和氮化即可。本发明陶瓷材料具有抗高温氧化性好、抗热震性好、抗渣侵蚀能力强、强度高和耐磨损的特点，本发明制作工艺简单，对铝及铝合金熔体产生的污染小。

Description

陶瓷材料及利用陶瓷材料制作旋转喷头的工艺

技术领域

本发明涉及的是一种陶瓷材料及利用陶瓷材料制备旋转喷头的工艺，特别是一种氮化硅结合碳化硅陶瓷材料及用该材料制作铝或铝合金熔体除氢净化用旋转喷头的制作工艺，属于铝熔体纯净化处理领域。

背景技术

铝及铝合金在熔炼过程中易从空气中吸氢，特别是在有水蒸汽或还原气氛的炉气中，铸锭在结晶时形成气孔和疏松的倾向很大。所以应尽可能减少铝及铝合金熔体中的氢含量。旋转喷吹技术是目前使用最为广泛的除气方法之一。它主要是通过转头将惰性气体吹到熔体中，高速旋转的转头对气泡的破碎作用来控制气泡的大小和分布，而熔体中的氢则被吸附到惰性气泡中随气泡一同上浮到铝熔体表面排出。用于铝及铝合金熔体除氢的旋转喷头在对熔体进行除气处理时，必须伸入熔体内部并处于旋转状态，而且是间歇式使用的。由于铝及铝合金的熔体温度高，且对旋转喷头有一定的磨损作用，所以对旋转喷头的材质有较高的要求，其必须满足：耐高温、耐腐蚀、耐磨、抗热震性能好且不污染铝及铝合金熔体等。目前，大多采用石墨作为旋转喷头的材质，其在工业应用中存在的问题是使用寿命短，易在与空气、渣层接触的地方磨损、剥落，出现“颈缩”现象，即转子的直径在磨损和剥落处越来越小，直至断裂报废。其产生“颈缩”现象的原因是由于高温氧化、渣层的冲刷侵蚀以及热应力的共同作用造成的。

经文献检索发现，大连理工大学的杨长贺等人在《特种铸造及有色合金》1999年第2期7-9页上发表的“铝熔体净化用石墨转子涂料的研究”，及在《轻合金加工技术》1998年第1期4-7页上发表的“石墨转子的损坏机理与延长其使用寿命的措施”，该两篇文章对旋转喷头在铝及铝合金熔体除氢净化过程中的损坏机理进行了阐述，并提出了利用涂层保护法提高旋转喷头寿命的方法，但是尽管涂层可以有效防止石墨转子的高温氧化和提高其耐磨性，但由于涂层和石墨基体的热膨胀系数不同，所以旋转喷头在使用过程中容易剥落，须定期修补，从而加大了生产成本，影响了生产效率，且剥落的涂层对铝熔体也造成了污染。

发明内容

本发明为了克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种陶瓷材料及利用陶瓷材料制作旋转喷头的工艺，使用该材料制作的旋转喷头具有耐高温、耐侵蚀、抗氧化能力强、机械强度高、抗热震性能好且不污染铝及铝合金熔体的优点，降低了成本，提高了生产效率。

本发明是通过以下技术方案来实现，本发明陶瓷材料为氮化硅结合碳化硅，以碳化硅粉为骨料，以硅粉氮化所得氮化硅为粘结相，以氧化锆和氧化铝这两种陶瓷粉体作为助烧剂，各个组分的重量百分比为：碳化硅：45-70％，硅粉：25-53％，助烧剂即氧化锆+氧化铝：2-5％。

所述的碳化硅粉体的粒径范围为5μm-5mm，硅粉的平均粒径为100μm，助烧剂氧化铝的平均粒径为0.5μm，助烧剂氧化锆平均粒径为100μm。

本发明利用上述陶瓷材料制作旋转喷头的工艺，具体步骤为：

(1)将碳化硅和硅粉采用凝胶注模工艺成型，需先配制单体预混溶液，过程为：将丙烯酰胺、聚甲基丙烯酰胺、25％重量百分比的四甲基氢氧化胺水溶液加入水中，充分溶解得到无色透明的稳定单体预混溶液，溶液中各成分的重量百分比比例：丙烯酰胺/聚甲基丙烯酰胺/25％重量百分比的四甲基氢氧化胺水溶液/水为13.4.％/0.66％/4％/82％。

(2)将碳化硅粉、硅粉以及助烧剂氧化锆+氧化铝加入步骤(1)得到的单体预混溶液中，然后采用球磨方式进行混合，得到稳定的浆料。其中，单体预混溶液的用量占粉体总量20％重量百分比。

(3)将步骤(2)中得到的浆料在室温条件下真空除泡，除泡时间为10～30分钟。

(4)将步骤(3)中得到的除泡后的浆料中加入过硫酸铵作为引发剂，同时加入催化剂N，N，N’，N’四甲基乙二胺。相对除泡后的浆料，引发剂的加入量为0.5％重量百分比，催化剂的加入量为0.2％重量百分比。

(5)将步骤(4)中得到的浆料注入旋转喷头金属模具中，然后置于60～80℃的保温箱或烘箱中，保温5～60分钟，浆料中的单体分子聚合成为凝胶网络，从而使陶瓷悬浮体转变成旋转喷头素坯；将素坯脱模，之后在湿度为85％以上空气中于室温干燥24～96小时，再确保其完全干燥；之后将素坯进行机加工，以提高旋转喷头喷管的螺纹精度。

(6)将步骤(5)中所得的经加工后的素坯在氮气炉中同时进行烧结和氮化，烧结气氛为氮气，烧结温度为1450～1600℃，烧结时间为10天，得到氮化硅结合碳化硅的旋转喷头，由于凝胶注模工艺为一种近净尺寸的成型工艺，故所得的陶瓷烧结体较好地保持了素坯的形状和尺寸。

本发明具有实质性的特点和显著进步，氮化硅结合碳化硅陶瓷材料具有抗高温氧化性好、抗热震性好、抗渣侵蚀能力强、强度高和耐磨损的特点，与传统的石墨喷头相比，其制作工艺简单，大大提高了使用寿命，对铝及铝合金熔体产生的污染小。采用的成型工艺为一种新型的陶瓷近净尺寸成型工艺，该工艺的显著特点是可以成型复杂形状的素坯，且素坯的机械强度适于机械加工，素坯在烧结后保持了原来的形状和尺寸，所以该工艺制备的旋转喷头的喷口与螺纹都可以精密控制，烧结体不必进一步机加工，降低了生产难度，节约了生产成本和时间。本发明的材料选择和配方为铝及铝合金熔体的除氢净化用旋转喷头开辟了新的材料，由于材料本身所具备的优点，可使喷头的使用寿命超过石墨旋转喷头的数倍，可大大提高生产效率，降低生产成本，具有良好的市场前景和商业价值。

具体实施方式

结合具体的实施例对本发明作进一步说明：

以下各实施例中采用的单体预混溶液成分及其重量百分比为：丙烯酰胺/聚甲基丙烯酰胺/重量百分比为25％四甲基氢氧化胺水溶液/水为13.4％/0.66％/4％/82％。

实施例1

浆料配方：50μm碳化硅：4000克；5μm碳化硅：500克；硅粉：5300克；0.5μm氧化铝：130克；100μm氧化锆：70克；单体预混溶液：2000克。

将上述成分采用球磨混合8小时，得到稳定的碳化硅/硅浆料，然后将浆料在室温和真空条件下除泡10分钟，再加入60克引发剂过硫酸胺和24克催化剂四甲基乙二胺，然后将加入引发剂和分散剂的浆料注入旋转喷头金属模具中，在60℃下60分钟发生完成凝胶化，脱模后将素坯在湿度为85％的干燥箱中室温下干燥24小时，之后将喷管上的螺纹进行精加工，再将加工好的素坯在1450℃下于氮气气氛下氮化烧结10天，烧结体随炉冷却后，得到结构均匀，表面光洁，尺寸形状完好的氮化硅结合碳化硅旋转喷头，但其抗热震性能较差。

实施例2

浆料配方：0.5mm碳化硅：500克；50μm碳化硅：5000克；5μm碳化硅：500克；硅：4600克；0.5μm氧化铝：250克；100μm氧化锆：150克；单体预混溶液：2000克。

将上述成分采用球磨混合10小时，得到稳定的碳化硅/硅浆料，然后将浆料在室温和真空条件下除泡20分钟，再加入60克重量百分比的引发剂过硫酸胺和24克重量百分比的催化剂四甲基乙二胺，然后将加入引发剂和分散剂的浆料注入旋转喷头金属模具中，在75℃下25分钟发生完成凝胶化，脱模后将素坯在湿度为90％的干燥箱中室温下干燥48小时，之后将喷管上的螺纹进行精加工，再将加工好的素坯在1550℃下于氮气气氛下氮化烧结10天，烧结体随炉冷却后，得到结构均匀，表面光洁，尺寸形状完好的氮化硅结合碳化硅旋转喷头。其抗热震性能较好。

实施例3

浆料配方：1-5mm碳化硅：500克；0.5mm碳化硅：500克；50μm碳化硅：5000克；5μm碳化硅：1000克；硅粉：2500克；0.5μm氧化铝：300克；100μm氧化锆：200克；单体预混溶液：2000克。

将上述成分采用球磨混合18小时，得到稳定的碳化硅/硅浆料，然后将浆料在室温和真空条件下除泡30分钟，再加入60克引发剂过硫酸胺和24克催化剂四甲基乙二胺，然后将加入引发剂和分散剂的浆料注入旋转喷头金属模具中，在80℃下5分钟发生完成凝胶化，脱模后将素坯在湿度为90％的干燥箱中室温下干燥96小时，之后将喷管上的螺纹进行精加工，再将加工好的素坯在1600℃下于氮气气氛下氮化烧结10天，烧结体随炉冷却后，得到结构均匀，尺寸形状完好的氮化硅结合碳化硅旋转喷头，其表面相对实施例1和2的旋转喷头较粗糙，但其抗热震性能比上述两例的好。

Claims (8)

1、一种陶瓷材料，其特征在于，陶瓷材料为氮化硅结合碳化硅，以碳化硅为骨料，以硅粉氮化所得氮化硅为粘结相，以氧化锆和氧化铝作为助烧剂，各个组分的重量百分比为：碳化硅：45-70％，硅粉：25-53％，助烧剂即氧化锆+氧化铝：2-5％。

2、根据权利要求1所述的陶瓷材料，其特征是，所述的碳化硅粉体的粒径范围为1μm-5mm，硅粉的平均粒径为100μm，助烧剂氧化铝粉体的平均粒径为0.5μm，助烧剂氧化锆的平均粒径为100μm。

3、一种利用陶瓷材料制作旋转喷头的工艺，其特征在于，具体步骤为：

(1)将碳化硅和硅粉采用凝胶注模工艺成型，先配制单体预混溶液，配制单体预混溶液过程为：将丙烯酰胺、聚甲基丙烯酰胺、25％重量百分比的四甲基氢氧化胺水溶液加入水中，充分溶解得到无色透明的稳定单体预混溶液，溶液中各成分的重量百分比比例：丙烯酰胺/聚甲基丙烯酰胺/25％重量百分比的四甲基氢氧化胺水溶液/水为13.4.％/0.66％/4％/82％；

(2)将碳化硅粉、硅粉以及助烧剂氧化锆、氧化铝加入步骤(1)得到的单体预混溶液中，然后采用球磨方式进行混合，得到稳定的浆料；

(3)将步骤(2)中得到的浆料在室温和真空条件下除泡；

(4)在步骤(3)中得到的除泡后的浆料中加入过硫酸铵作为引发剂，同时加入催化剂N，N，N’，N’四甲基乙二胺；

(5)将步骤(4)中的浆料注入旋转喷头金属模具中，然后置于保温箱或烘箱中保温，浆料中的单体分子聚合成为凝胶网络，陶瓷悬浮体转变成旋转喷头素坯，将素坯脱模之后在空气中干燥，完全干燥之后将素坯进行机加工；

(6)将步骤(5)中所得的经加工后的素坯在氮气炉中同时进行烧结和氮化，得到氮化硅结合碳化硅的旋转喷头。

4、根据权利要求3所述的利用陶瓷材料制作旋转喷头的工艺，其特征是，步骤(2)中，单体预混溶液的用量占粉体总量20％重量百分比。

5、根据权利要求3所述的利用陶瓷材料制作旋转喷头的工艺，其特征是，步骤(3)中，真空除泡在室温下进行，除泡时间为10～30分钟。

6、根据权利要求3所述的利用陶瓷材料制作旋转喷头的工艺，其特征是，步骤(4)中，相对除泡后的浆料，引发剂的加入量为0.5％重量百分比，催化剂的加入量为0.2％重量百分比。

7、根据权利要求3所述的利用陶瓷材料制作旋转喷头的工艺，其特征是，步骤(5)中，浆料注入旋转喷头金属模具中，置于60～80℃的保温箱或烘箱中，保温5～60分钟，将素坯脱模之后，在湿度为85％以上空气中于室温干燥24～96小时。

8、根据权利要求3所述的利用陶瓷材料制作旋转喷头的工艺，其特征是，步骤(6)中，烧结气氛为氮气，烧结温度为1450～1600℃，烧结时间为10天。