一种β-SiC增韧B₄C陶瓷烧结技术的制作方法

专利名称：一种β-SiC增韧B₄C陶瓷烧结技术的制作方法
技术领域：
本发明属无机非金属材料固相烧结领域，涉及烧结B4C陶瓷技术，尤其涉及一种 β-SiC增韧B4C陶瓷烧结技术。
背景技术：
B4C是一种人工合成的无机非金属材料，B4C的制备方法是用过量的碳还原硼酐而得，其反应式为2B203+7C = B4C+6C0,因其显著特点是非常坚硬，其显微硬度约50000MPa， 在自然界中仅次于金刚石(80000-100000MPa)，金刚石的新莫氏硬度为15，碳化硼的新莫氏硬度为14，具有极高的耐磨性，甚至超过了类金属碳化物和以它为基硬质合金的耐磨性， 所以被广泛应用于机械、电子、信息、国防、军事、航空、航天等各工业和科研领域。以碳化硼为原料，经真空热压烧结制取的碳化硼陶瓷制品如喷砂嘴、密封环、喷管、轴承、泥浆泵柱塞、研杵和飞机、舰船、装甲、车辆、防弹衣、火箭发射架等的陶瓷防护涂层，作为一种新型材料，以其特有的高熔点、高硬度、高弹性模量、耐磨力强、自润性好等特点而被各行业各领域所认可。
然而任何事物都具有其相互矛盾的两重性，正是因为它的高熔点，相应带来了它生产制作环节的难控制和高成本；正是因为它的高硬度，相应又带来了它的高脆性和低断裂韧性，从而出现了产品的可加工性差，装卡紧固、切割磨削加工中容易出现宏观缺损，废品率高，特殊形状不易获得等不足。近年来虽然通过超细原料的制备选择和生产工艺参数的多方改进尝试，也有在烧结过程中添加硼铝炭助剂的，但仍未满足高精密轴承、航空航天航海、国防军事等机械部件的应用需求，目前亟待需要解决的是如何提高此种超硬碳化硼陶瓷制品的断裂韧性，改善可加工性能，提高成品率，降低生产加工成本，扩大服役领域。

发明内容
为了解决以上所述现有技术缺憾，本发明提供了一种β -SiC增韧B4C陶瓷烧结技术，它是通过如下技术方案实现的
1、采用复合材料，在单质B4C材料中添加β-SiC，配料比例为B4C :85-90 %， β -SiC :10-15% ；
2、实施步骤及工艺控制参数
1)将预选比例的β-SiC与5%的树脂结合剂入砂磨机研磨，料砂比3 2，研磨时间大于12小时；
2)将砂磨所得浆料与预选比例的B4C和5 8%的有机添加剂入球磨机研磨，料球比4 1，研磨时间8-12小时；
3)将球磨后所得粘稠浆料喷雾干燥、密封分装腐化72小时；
4)将腐化好的原料经合金模具机压成型，成型压力500-1000kg/cm2 ；
5)将成型素坯与石墨模具、附件组装，找平，入炉定位烧结，炉内真空度为 IO0-IO-1Pao
烧结温控机制为室温一600°C，升温速率10°C /min，保温30min ；600 — 900°C 升温速率 10 °C /min,保温 30min ；900 — 1500 °C 升温速率 10 °C /min,保温 30min ； 1500 — 2150°C升温速率10°C /min，保温45min ；自然冷却到安全温度后出炉。热压机制为 OP — 15% P 5min, 15% P — 30% P 7min,30% P — 45% P 9min,45% P — 60% P llmin, 60% P ^ 75% P 13min,75% P ^ 90% P 15min,90% P ^ 100% P 15min，保压 3min。
本发明β -SiC增韧B4C陶瓷烧结技术的理论依据是SiC本身具有良好的力学性能和物理性能，而且与B4C的性能十分接近，包括比强度、比模量、高硬度，良好的抗腐蚀性和抗热冲击性，低密度和低热膨胀系数，在元素周期表中Si的位置与B、C毗邻，因此性能上十分相似，根据相似相容原理，SiC的存在会改善和优化B4C陶瓷的烧结扩散和烧结过程。 混合研磨后的β-SiC和B4C混合料经电子显微镜观测，清晰可见小比例的β-SiC微粒均勻分布在B4C微粒周边间隙之间，恰好添充了 B4C粉末的自然堆积间隙，达到了混合后的最高堆积密度和震实密度。
另外由于β -SiC是SiC的一种低温晶型，达到一定烧结温度后会发生晶型转变， 即由β-SiC转化为α-SiC，正是因这种过程的出现，会大大增加B4C陶瓷的烧结动力，促进晶格蠕动，气孔关闭，产品致密化过程加快；在晶型转化过程中挥发和游离出来的Si可以与B4C陶瓷中游离C发生合成反应生成SiC陶瓷，同时游离出来的C又可以与B4C陶瓷中的部分游离B和BnC (η > 4)化合物发生反应生成B4C组分，经高温热压后变成B4C陶瓷，实现 β-SiC增韧B4C陶瓷烧结的目的。值得注意的是本发明烧结温度比现有技术降低了 100°C， 所以要控制好烧结温度，以避免B4C共晶液相和二次结晶的出现，在二次结晶出现之前开始减压和降温。
依据本发明制得的B4C陶瓷与单质B4C陶瓷对比
产品密度由2. 5g/cm3 提高到 2. 65-2. 70g/cm3 ；
断裂韧性Kic 由 3-3. 5 提高到5-5. 5MPa. yfm ；
烧结温度降低100°C ；
产品加工进刀量可增加到0. 15mm，提高加工效率50% ；
产品加工成品率由85 90%提高到88 92% ；
节能、降耗、提高烧结炉使用寿命等综合效益非常显著。
具体实施例方式
通过下面对实施例的描述，将更有助于公众理解本发明，但不能也不应当将申请人所给出的具体实施例视为对本发明技术方案的限制，它可以是本发明技术方案中的任意组合。
具体实施例一本实施例原料组分由B4C 85 90%，β -SiC 10-15%构成。
具体实施例二 本实施例原料组分由B4C 88%, β -SiC 12%构成。
具体实施例三本实施例原料组分由B4C 86%, β -SiC 14%构成。
具体实施例四本发明实施步骤及工艺控制参数如下
1)将预选比例10 15%的β -SiC与5%重量比的树脂结合剂入砂磨机研磨，料砂比例3 2，研磨时间大于12小时；
2)将砂磨所得浆料与预选比例85-90%的B4C和5_8%的有机添加剂入球磨机研磨，料球比4 1，研磨时间8-12小时；
3)将球磨后所得粘稠浆料喷雾干燥、密封分装腐化72小时；
4)将腐化好的原料经合金模具机压成型，成型压力500-1000kg/cm2 ；
5)将成型素坯与石墨模具、附件组装，找平，入炉定位烧结，炉内真空度为 IO0-IO-1Pao
烧结温控机制为室温一600°C，升温速率10°C /min,保温30min ；600 — 900°C 升温速率 10 °C /min,保温 30min ；900 — 1500 °C 升温速率 10 °C /min,保温 30min ； 1500 — 2150°C升温速率10°C /min，保温45min ；自然冷却到安全温度后出炉。热压机制为 OP — 15% P 5min, 15% P — 30% P 7min,30% P — 45% P 9min,45% P — 60% P llmin, 60% P ^ 75% P 13min,75% P ^ 90% P 15min,90% P ^ 100% P 15min，保压 3min。
具体实施例五本实施例与具体实施例四不同的是，步骤1)中将预选比例12%的 β -SiC与5%重量比的树脂结合剂入砂磨机研磨，步骤2)中将砂磨所得浆料与预选比例 88 %的B4C和5-8 %的有机添加剂入球磨机研磨，其它与具体实施例四相同。
当然，本发明还可以有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下， 熟悉本领域的技术人员可以根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种β-SiC增韧B4C陶瓷烧结技术，其特征在于采用复合材料，在单质B4C材料中添加β -SiC0
2.根据权利要求1所述β-SiC增韧B4C陶瓷烧结技术中β-SiC的添加比例为 10-15%。
3.根据权利要求1所述β-SiC增韧B4C陶瓷烧结技术中β-SiC的添加比例为12%0
4.一种β-SiC增韧B4C陶瓷烧结技术的实施步骤及工艺控制参数，其特征在于1)将预选比例的β-SiC与5%树脂结合剂入砂磨机研磨，料砂比3 2，研磨时间大于12小时；2)将砂磨所得浆料与预选比例的B4C和5 8%的有机添加剂入球磨机研磨，料球比 4 1，研磨时间8-12小时；3)将球磨所得粘稠浆料喷雾干燥、密封分装、腐化72小时；4)将腐化好的原料经合金模具机压成型，成型压力500-1000kg/cm2；5)将成型素坯与石墨模具、附件组装，找平，入炉定位烧结，炉内真空度为lOMO—Ta。 烧结温控机制为室温一600°C，升温速率10°C /min，保温30min ；600 — 900°C升温速率 10°C /min，保温 30min ；900 — 1500°C升温速率 10°C /min，保温 30min ； 1500 — 2150°C 升温速率10°C /min，保温45min ；自然冷却到安全温度后出炉。热压机制为0P - 15% P 5min, 15% P ^ 30% P 7min,30% P ^ 45% P9min,45% P ^ 60% P llmin,60% P ^ 75% P 13min,75% P ^ 90% P 15min,90% P ^ 100% P 15min，保压 3min。
全文摘要
本发明提供一种β-SiC增韧B4C陶瓷烧结技术，它是通过如下技术方案实现的1、采用复合材料，在单质B4C材料中添加β-SiC，配料比例为B4C85-90％，β-SiC10～15％；2、实施步骤如下1)将β-SiC与结合剂入砂磨机研磨；2)将砂磨所得浆料与B4C和添加剂入球磨机研磨；3)将球磨所得粘稠浆料喷雾干燥、密封分装腐化；4)将腐化好的原料经合金模具机压成型；5)将成型素坯与石墨模具、附件组装，找平，入炉定位烧结，烧结所得即为增韧B4C陶瓷。本发明不仪增加B4C陶瓷韧性，改善可加工性能，提高加工效率和正品率，同时降低烧结温度，节约能源，提高烧结炉使用寿命，可带来显著经济效益。
文档编号C04B35/622GK102531604SQ201110439169
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月26日 优先权日2011年12月26日
发明者张忠岐, 魏德军 申请人:迁安市乐达特种陶瓷制品有限公司, 魏德军