-SiC复合材料的复合烧结助剂的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种BN复合材料的制造技术。一种BN-ZrO2-SiC复合材料的复合烧结助剂，包括Al2O3微粉、CaCO3细粉和SiO2微粉，Al2O3微粉1-4%，CaCO3细粉1-3%，SiO2微粉1-3%；该复合烧结助剂用于BN复合材料，该复合材料中BN含量30-70%，ZrO2含量20-60%，SiC含量5-30%，烧结助剂含量2-10%。所述三个烧结助剂在高温下形成Al2O3-CaCO3-SiO2低熔点相。本发明的复合烧结助剂采用Al2O3微粉、CaCO3细粉和SiO2微粉来热压烧结生产BN复合材料，能达到良好的助烧结作用，使材料气孔率低、强度高，综合性能优良。
【专利说明】-种BN_Zr02_S iC复合材料的复合烧结助剂
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种BN复合材料的制造技术，尤其涉及一种BN-ZrO2-SiC复合材料的 复合烧结助剂。
【背景技术】
[0002] BN (氮化硼）有4种晶型，其中六方BN(h-BN)是常压稳定相，所以一般采用h-BN 原料生产BN陶瓷。六方氮化硼（h-BN)具有低的热膨胀系数、高的热导率和优良的抗热震 性。将六方氮化硼与其它陶瓷材料复合，可以提高其抗热震性，并能改善材料的断裂应变。 BN复合材料有BN-ZrO2复合材料、BN-AlN复合材料、BN-赛隆复合材料、BN-ZrO2-SiC复合 材料、BN-AlN-Si 3N4复合材料等。烧结后的氮化硼复合材料具有良好的机械加工性能，且精 度很高。
[0003] 氮化硼（h-BN)是一种类似于石墨的层状结构，每层由B、N原子相间排列成六角环 状网络，层内原子之间共价键结合，是一种烧结活性较差的材料，很难获得致密的BN陶瓷 材料。所以，一般采用高温下加压烧结的热压烧结方法，并添加一定的烧结助剂，才能获得 致密的BN烧结体。据文献资料，在进行热压烧结BN陶瓷的过程中，主要通过加入Β 203、Υ203 、Si3N4 XaCO3等作为烧结助剂，以促进h-BN层间的粘结作用，提高陶瓷材料的致密性，改 善材料的烧结性能。B 2O3熔点低，在低温下就产生液相，对BN材料具有良好的助烧结作用， 但B2O 3吸湿性非常强，加入较多B2O3会使BN材料容易吸潮形成硼酸，高温烘烤过程中由于 硼酸的分解，容易造成产品表面起泡。另外，如果加入较多的B 2O3烧结剂，不但材料的高温 抗折强度难以提高，而且抗侵蚀性会受到影响。Y2O 3是陶瓷材料的良好烧结助剂，但价格昂 贵。Si3N4的助烧结作用没有前二者好，且价格较贵。CaCO 3虽然价格不贵，但对BN材料的 助烧结作用效果一般。由于BN难以烧结，选择合适的烧结助剂是BN复合材料取得良好性 能的关键。
[0004] 近年来，短流程的薄带连铸技术得到了很大发展。薄带连铸的核心是，一对相向旋 转的铸辊和一对侧封板形成连铸的熔池，分配水口将钢水注入熔池，薄带从相向旋转的铸 辊拉出，形成几毫米的薄带产品。铸辊、侧封板和布流器(分配水口）是薄带连铸的三大件， 直接关系到薄带连铸工艺的顺行和薄带产品的质量。根据这样的使用条件，侧封板必须具 有优越的抗热震性、良好的耐磨性、足够的常温和高温强度和良好的抗钢水冲刷和侵蚀性。 基于如此苛刻的使用要求，侧封板较多采用含BN的陶瓷材料。导液管是喷射成形工艺中 的关键部件，犹如连铸水口，是一种功能耐火材料。工作时，导液管烘烤至200°C，浇入温度 1600°C以上的钢水。整个喷射成形在真空保护气氛的密闭容器中进行。导液管本身没有烘 烤条件，中间包烘烤后，接受中间包的传热，导液管的温度才达到200°C，因此导液管受到强 烈的热震作用。在压力下钢水通过导液管高速喷出，导液管受到钢水的强烈冲刷作用，同时 导液管外侧受到高速气流的冲刷。因此，不仅要求导液管抗热震性好，又要求强度高，抗钢 水冲刷，扩孔小。
[0005] 现有专利分析。美国专利US2002/0104640A1公开了陶瓷板中加入Al的专利。认 为含有9%以上Al的双辊薄带连铸用陶瓷板，其常温弯曲强度不低于120MPa，1000°C时的 弯曲强度651〇^以上，硬度（办)50?350，常温?10001：的热传导率81八111，1()以下，热冲 击耐受指数R'800W/m以上，与钢水的浸润性(接触角Θ) 120°以上。加入Al是为了提高 侧封板抗不锈钢的侵蚀能力。利用这种陶瓷板构成的侧封板，可以长时间连续铸造不锈钢 钢水。
[0006] 日本专利JP8080170认为，用于浇铸钢、不锈钢的侧封板应该由赛隆陶瓷 (SIAL0NVBN为基体的材料组成。赛隆陶瓷的化学成分为Si 6-zAlz0zN8-Z，其中Z的范围为 2?4。BN的含量为0.5?50%。这样的陶瓷板具有良好的耐侵蚀、耐剥落性能。
[0007] 日本专利JP8164452的侧封板材料，除上述成份外，还加入了 A1N，即由赛隆陶 瓷-BN-A1N。赛隆陶瓷化学成分SifrzAlzOzN8-Z中的Z值为2?4, BN的含量为0. 5?59%， AlN的含量为1?10%。
[0008] 日本专利JP8243689的侧封板材料加入了 Mo,即由赛隆陶瓷-BN-Mo基材料组成。 赛龙陶瓷的化学成分SifrzAlzOzN8-Z中的Z值为2?4, BN为0. 5?50%，Mo的含量仍然 为1?10%。
[0009] 日本专利JP3999993公开了薄带连铸侧封用陶瓷板，该陶瓷板的构成是，以REAG 相10-90体积％，Sialon相5-50体积％，BN相5-50体积％为特征的双辊薄带连铸用侧封 陶瓷板。提到采用非晶质相0-20体积％，对于非晶质相的构成元素，稀土类元素、Al、Si、0、 N元素较好，不可避免会含有一些不纯物。
[0010] 美国专利US4885264公开了热压烧结BN、ZrO2和SiC复合材料，用于水平连铸分 离环。只提到混合时采用临时结合剂，未谈到采用什么样的烧结助剂。
[0011] 美国专利US6667263B1公开了热压烧结BN、赛隆复合材料，用于薄带连铸侧封板。 烧结助剂采用MgC^P Y2O3。
[0012] 美国专利US2005/0288168A1公开的陶瓷复合材料为：10-40%莫来石、35-5%Α1Ν和 20%的BN。加入5%以下的烧结助剂，采用民0 3、0&0、1%0、0602、￥203、硼酸、硅酸盐复合物、铝 酸钙水泥、高龄土、耐火玻璃料、酚醛树脂、呋喃树脂、浙青、以及它们的混合物。
[0013] 中国专利CN102173792 "一种用于薄带连铸侧封板的陶瓷复合材料及其制备方 法"，陶瓷材料按体积分数由20-70%的氧化锆、20-70%的氮化硼和2-30%的添加剂组成。提 出添加剂为氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、金属单质、无机物单质中的一种或其中几种的 组合。其特征在于氧化物为氧化硅、氧化铝、氧化硼、氧化钛、氧化钇、氧化镱、氧化镧中的一 种或其中几种的组合；碳化物为碳化硅、碳化硼、碳化钛、碳化锆中的一种或其中几种的组 合；氮化物为氮化硅、氮化铝、氮化钛、氮化锆中的一种或其中几种的组合；硼化物我硼化 钛、硼化锆、硼化铪、硼化镧中的一种或其中几种的组合；金属单质为铝、钛、锆中的一种或 其中几种的组合；无机物单质为单质硼、单质硅、单质碳、单质硫中的一种或其中几种的组 合。上述添加剂就是烧结助剂，但这样的添加剂组成非常笼统不具体，且添加量范围很大， 让人觉得摸不着头脑。
[0014] 综合上述专利文献的烧结助剂，有些专利文献加入金属，一个专利文献具体采用 MgO和Y2O3，其它专利文献要么笼统地交待一下，要么未提及。
【发明内容】
[0015] 本发明的目的在于提供一种BN-ZrO2-SiC复合材料的复合烧结助剂，该复合烧结 助剂采用Al 2O3微粉、CaCO3细粉和SiO2微粉来热压烧结生产BN复合材料，能达到良好的助 烧结作用，使材料气孔率低、强度高，综合性能优良。
[0016] 为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案： 一种BN-ZrO2-SiC复合材料的复合烧结助剂，包括Al2O3微粉、CaCO 3细粉和SiO2微粉， Al2O3微粉1-4%，CaCO3细粉1-3%，SiO2微粉1-3% ;该复合烧结助剂用于BN复合材料，该复 合材料中BN含量30-70%，ZrO2含量20-60%，SiC含量5-30%，烧结助剂含量2-10%。
[0017] 所述Al2O3微粉采用纯度99%以上的超微粉，平均粒度小于5Mm。
[0018] 所述CaCO3采用纯度99%以上，粒度小于320目的细粉。
[0019] 所述SiO2微粉的纯度94%以上，平均粒度小于lMm。
[0020] 所述三个烧结助剂在高温下形成Al2O3-CaO-SiO 2低熔点相。
[0021] 本发明的复合烧结助剂采用Al2O3微粉、CaCO 3细粉和SiO2微粉来热压烧结生产BN 复合材料，采用的复合烧结助剂与现有技术不同。在克服现有烧结助剂缺点的同时，能达到 良好的助烧结作用，使材料气孔率低、强度高，综合性能优良。BN复合材料具有优越抗热震 性的同时，具有良好的耐磨性和抗侵蚀性。BN复合材料可用于薄带连铸侧封板、喷射成形导 液管等连铸功能耐火材料。
[0022] 本发明的复合烧结助剂制成的BN复合材料，该BN复合材料主要是BN、ZrO2和 SiC的复合材料。BN的优点是，导热系数高，线膨胀系数小，抗热震性好，是一种高温固体润 滑剂，BN产品易于加工，熔点较高，与熔融金属呈现化学惰性，缺点是原料成本高，难烧结。 ZrO2具有高硬度，高强度，高韧性，极高的耐磨性及耐化学腐蚀性等优良的物化性能，具有 十分优良的抗钢水和渣的侵蚀性，具有较好的抗热震性。将两者结合在一起的BN-ZrO 2复 合材料，同时加入一些SiC，使材料具有优良的抗热震性、抗侵蚀性、耐磨性和易加工性，可 适用于薄带连铸侧封板、喷射成形导液管和连铸功能耐火材料等使用条件非常苛刻的耐高 温部位。
[0023] BN陶瓷的制造工艺有热压烧结、化学气相沉积法和热解法等。采用热压烧结工艺 可以获得接近理论密度、气孔率接近零的烧结体，容易得到细晶粒的组织和具有良好力学 性能的广品。
[0024] 为了使BN复合材料达到良好的热压烧结效果，本发明采用Al2O3微粉、CaCO 3细粉 和SiO2微粉复合烧结助剂。Al2O3微粉采用纯度99%以上的超微粉，平均粒度小于5Mm。CaCO 3 采用纯度99%以上，粒度小于320目的细粉。SiO2微粉是在冶炼硅铁合金和工业硅时产生 的SiO 2以及Si气体与空气中的氧气迅速氧化并冷凝而形成的一种超细硅质粉体材料。采 用纯度94%以上的硅微粉，具有很高的活性和很小的粒度，平均粒度小于lMm。SiO 2微粉在 600°C开始出现液相，可在较低温度促进材料的烧结，Al2O3微粉虽然熔点很高，但微粉细微， 比表面积大，活性高，高温下表现出良好的助烧结作用。CaCO 3细粉900°C以上分解形成CaO， CaO对BN和ZrO2具有一定的助烧结作用。同时，三个烧结助剂在高温下形成Al2O 3-CaO-SiO2 低熔点相，最低共熔点是1300°C，进一步促进烧结。Al2O3微粉、CaCO3细粉和SiO 2微粉在陶 瓷、耐火材料行业普遍应用，来源广泛，价格不高。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
[0026] 本发明实施例的主原料采用六方BN，ZrO2, SiC。BN使材料具有优良的抗热震性， ZrO2改善材料的抗侵蚀性，SiC改善材料的耐磨性。烧结助剂采用Al2O3微粉(纯度99. 5%， 粒度2Mm)、CaCO3细粉(纯度99%，粒度500目）和SiO2微粉(纯度96%，粒度0. 8Mm)复合助 齐U。各原料比例（重量百分比)，BN含量30-70%，ZrO2含量20-60%，SiC含量5-30%，烧结助剂 含量2-10%。原料按配比称量后，进行球磨混合。磨球采用刚玉球，磨球与原料之比为2:1。 球磨混合时间不少于40h。混合后的原料装入石墨模具，在氮气气氛下进行热压烧结。烧成 温度1650-1800°C，压力13-25MPa。热压炉冷却后产品脱模，上下表面磨平后切割成产品的 大致形状，然后进一步精加工成符合尺寸要求的产品，最后真空包装。
[0027] 下表列出了本发明实施例主原料和烧结助剂的比例及其BN复合材料的性能。其 中，材料配比均为重量百分比。可以看出，实施例都取得了良好的综合性能，比较例采用传 统的单一烧结助剂，性能较差，其中B2试样内部有黑心，说明没有完全烧结。
[0028] 本发明的实施例和比较例
【权利要求】
1. 一种BN-Zr02-SiC复合材料的复合烧结助剂，其特征是：包括A1 203微粉、CaC03细 粉和Si02微粉，A1203微粉1-4%，CaC03细粉1-3%，Si0 2微粉1-3% ;该复合烧结助剂用于BN 复合材料，该复合材料中BN含量30-70%，Zr02含量20-60%，SiC含量5-30%，烧结助剂含量 2-10%。
2. 根据权利要求1所述的BN-Zr02-SiC复合材料的复合烧结助剂，其特征是：所述 A1203微粉采用纯度99%以上的超微粉，平均粒度小于5Mm。
3. 根据权利要求1所述的BN-Zr02-SiC复合材料的复合烧结助剂，其特征是：所述 CaC03采用纯度99%以上，粒度小于320目的细粉。
4. 根据权利要求1所述的BN-Zr02-SiC复合材料的复合烧结助剂，其特征是：所述Si02微粉的纯度94%以上，平均粒度小于lMm。
5. 根据权利要求1所述的BN-Zr02-SiC复合材料的复合烧结助剂，其特征是：所述三个 烧结助剂在高温下形成Al203-Ca0-Si02低熔点相。
【文档编号】C04B35/63GK104446512SQ201310435315
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2013年9月24日 优先权日:2013年9月24日
【发明者】姚金甫, 叶长宏, 于艳, 吴建春, 方园, 王峰 申请人:宝山钢铁股份有限公司