低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管的微波烧结制备方法
【专利摘要】低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管的微波烧结制备方法，首先，取氮化硅粉与添加剂置于球磨机湿法球磨，得到料浆，料浆干燥、造粒、置于模具中压制成型，得到升液管坯体；然后，将坯体置于烧结腔内进行微波烧结，得到高纯氮化硅陶瓷升液管；所述烧结腔由刚玉莫来石圆管与石墨圆管交叉叠置构成，上、下端口各设有一石墨圆板。本发明利用微波具有的特殊波段与氮化硅复合材料耦合产生热量，材料的介质损耗使其以材料整体加热的方式加热，利用优化的微波烧结结构与低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管结构特点相匹配，使微波的利用率和效率极大化，具有烧结质量好、成品率高、烧结温度低、烧结时间短、烧结能耗低等优势。
【专利说明】低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管的微波烧结制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种无机非金属材料制品的微波烧结制备方法，特别是涉及一种低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管的微波烧结制备方法。属于大型氮化硅陶瓷烧结及微波加热【技术领域】。
【背景技术】
[0002]氮化硅陶瓷材料是一种用途非常广泛的新型陶瓷材料，它凭借优异的耐高温、耐腐蚀、绝缘、抗热震性能，在许多工业领域及家用领域具有非常重要的应用。
[0003]升液管是指在低压铸造时将密封坩埚内的液态金属导入铸型的管道，主要作用是导流和补缩。作为浇注系统中的重要组元，它应保证液态金属在上升过程中流动平稳，不致引起液态金属的氧化和吸气，从而保证铸件质量。因此升液管在低压铸造工艺中起着至关重要的作用。低压铸造过程中，升液管对铸件质量具有决定性意义，是低压铸造机上的关键部件，工作时，下端置于低压铸造机密闭的保温炉中(温度700°C~9 00°C )，上端连接低压铸造机模具腔，熔融金属液通过压力作用沿升液管上升进入模具腔里，完成周期性的铸造，实现自动化与连续化。要求升液管不仅要耐高温、抗热震、耐金属熔液腐蚀及良好的气密性，而且要具有长期抗热冲击疲劳性。
[0004]国内升液管有很多是用铸铁制造的，由于高温下铁与熔融金属熔液发生反应，易污染金属液，影响铸件产品的质量，且铸铁升液管使用寿命短(I~3天)，更换费时费力，严重影响生产效率。还有的升液管是用钛酸铝陶瓷材料或Si3N4反应结合SiC陶瓷材料或反应烧结Si3N4陶瓷材料，其抗高温氧化性能、抗热震性能、耐腐蚀性能较铸铁升液管有较大的提升，但由于致密度不高，未能达到理想的材料性能，其陶瓷材料内气孔率较高，较长时间使用时仍会出现漏气、被侵蚀等现象，造成铸件产品质量下降，需停机更换，其寿命不稳定(3~30天)。国外如日本、德国多采用纯度较高的氮化硅陶瓷升液管，具有使用寿命长(I年左右)、耐侵蚀、不污染金属液等优点，而极大地提高铸件产品的质量和生产效率。但由于传统技术生产氮化硅陶瓷时为了避免1600°C以上烧结氮化硅材料时的挥发，通常采用气压烧结炉或热压烧结炉，且必须添加大量添加剂产生液相从而促进烧结，而氮化硅陶瓷升液管尺寸大、形状不规则，在传统技术里面也只能用气压烧结炉制备，相应尺寸烧结腔的气压烧结炉设备成本非常昂贵，且烧结成本非常高、效率低，大量添加剂的加入使材料的氮化硅纯度大幅下降，一般在90%左右，材料远未能达到理想性能及应用寿命。
[0005]所以，开发高纯氮化硅陶瓷升液管的关键制备技术意义重大。
[0006]微波是一种频率在300MHz~300KMHz的电磁波，作为一种非通信的能源，在工业、化学、医疗、新材料、高新技术等许多领域得到广泛应用。微波加热的基本原理:介质材料由极性分子和非极性分子组成，在交变电磁场作用下，极性分子从原来的随机分布状态变为有序排列，并不断运动和相互摩擦产生热量，从而使介质温度从内部升高，到达加热的目的。
[0007]高纯氮化硅在室温时不吸收微波能，近乎微波透明物质，难以单纯依靠自身的介电损耗来加热，氮化硅陶瓷的介电损耗不但很低而且随温度变化不大，其导热性也非良好，在快速升温中，样品开裂打弧或局部过热等现象将不可避免的出现。而且低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管体积大、长径比大、表面积大、散热面积大且不均匀，在微波环境下也非常容易产生不均匀而导致产品变形、开裂。特别是如低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管这种长径比非常大且重达几十千克的产品，几乎被认为是不可能应用于微波烧结的产品。
[0008]至今为止，未见微波烧结技术应用到大型高纯氮化硅陶瓷产品的烧结生产的报道。
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管的微波烧结制备方法；本发明提供的方法具有烧结环境气氛要求低、烧结进程快、烧结温度较低、烧结时间短、能耗低的优点，烧结制品的致密度高、质量好。
[0010]本发明低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管的微波烧结制备方法，包括下述步骤:
[0011]第一步:制坯
[0012]取粒度D5tl为0.5 μ m~1.0 μ m的氮化硅粉与粒度D5tl为0.5 μ m~1.0 μ m的添加剂置于球磨机湿法球磨，分散均匀，得到料浆，料浆干燥、造粒后，置于升液管模具中压制成型，得到升液管坯体；
[0013]第二步:烧结
[0014]将升液管坯体置于烧结腔内，然后，整体置于下进料式微波钟罩窑内进行烧结，得到高纯氮化硅陶瓷升液管；所述烧结腔由刚玉莫来石圆管与石墨圆管交叉叠置构成，上、下端口各设有一石墨圆板。
[0015]本发明低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管的微波烧结制备方法，下端口石墨板与升液管坯之间设有垫烧粉或垫烧环。
[0016]本发明低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管的微波烧结制备方法，所述垫烧粉或垫烧环的材料与升液管坯体材料相同。
[0017]本发明低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管的微波烧结制备方法，所述添加剂占氮化硅粉质量的0.5%~2%。
[0018]本发明低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管的微波烧结制备方法，所述添加剂为吸收微波性能优越的物质，具体选自氧化硼、硼酸、氧化锂、氢氧化锂、碳酸锂、钇铝酸锂中的一种或几种的组合。
[0019]本发明低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管的微波烧结制备方法，所述氮化硅粉的纯度99%。
[0020]本发明低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管的微波烧结制备方法，所述料浆干燥采用喷雾干燥塔进行。
[0021]本发明低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管的微波烧结制备方法，所述料浆干燥后造粒成粒度D5tl为50 μ m~70 μ m的微粒。
[0022]本发明低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管的微波烧结制备方法，所述下进料式微波钟罩窑的主体结构为圆柱形微波辐射腔，所述微波辐射腔由氧化铝纤维圆筒构成；在圆柱形微波辐射腔竖直方向的腔壁上，按螺旋式上升布置有微波源，微波源个数为20~40个。
[0023]本发明低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管的微波烧结制备方法，每个微波源的功率均为1500W无级可调。
[0024]本发明低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管的微波烧结制备方法，烧结工艺参数为:微波频率为2.45GHz，通入氮气保护气氛，烧结腔内气压为正压200Pa~lOOOPa，升温速率为2~10°C /min，烧结温度为1550°C~1600°C，保温0.5~4小时后，随炉冷却至500°C以下出炉空冷。
[0025]本发明低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管的微波烧结制备方法，所述升液管模具为橡胶膜。
[0026]本发明低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管的微波烧结制备方法，所述压制成型采用冷等静压机进行，成型压力为10MPa~150Mpa。
[0027]本发明低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管的微波烧结制备方法，升液管坯体经过机加工后置于下进料式微波钟罩窑内进行烧结。
[0028]本发明低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管的微波烧结制备方法，烧结得到的高纯氮化硅陶瓷升液管采用金刚石刀具进行磨削加工。
[0029]本发明低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管的微波烧结制备方法，烧结得到的高纯氮化硅陶瓷升液管中氮化硅含量> 99%。
[0030]本发明低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管的微波烧结制备方法，所述升液管坯体的长度为600mm~1500mm,内径为50mm~200mm,外径为60mm~250mm,法兰外径为10mm ~300mmo
[0031]本发明低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管的微波烧结制备方法，所述氧化铝纤维圆筒的耐火度为1700°C，密度〈0.8g/cm3;刚玉莫来石圆管中含有4%~6%的重结晶碳化娃材料，圆管厚度为5mm~15mm,高度为50mm~10mm ;石墨圆管厚度为5mm~15mm,高度为50mm~10mm ;石墨圆板的直径与升液管还体的法兰外径尺寸一致,厚度为5mm~15mm。
[0032]采用上述技术方案的低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管的微波烧结制备方法，其基本工作原理是:利用微波具有的特殊波段与材料的基本结构耦合产生热量，材料的介质损耗使其以材料整体加热的方式加热。其具体原理及有益效果如下:
[0033]由于高纯氮化硅在室温时不吸收微波能，近乎微波透明物质，难以单纯依靠自身的介电损耗来加热，氮化硅陶瓷的介电损耗不但很低而且随温度变化不大，其导热性也非良好，在快速升温中，样品开裂打弧或局部过热等现象将不可避免的出现，本发明采用了加入少量吸收微波性能优越添加剂的方法，如氧化硼、硼酸、氧化锂、氢氧化锂、碳酸锂、钇铝酸锂的一种或几种的组合，添加剂均匀弥散于高纯氮化硅坯体内部，极大的改善了氮化硅陶瓷的微波吸收能力，陶瓷体整体性加热增强，加热温度均匀性得以显著提高，同时这些添加剂加入后，高温下生产液相，使高纯氮化硅陶瓷的烧结温度得到有效降低，在1550°C~1600°C便实现了致密烧结，加入的这些少量添加剂在陶瓷烧结致密后或以嵌入晶格的方式存在或挥发排除，不残留在陶瓷体内，致密陶瓷体中氮化硅的含量达到99%以上，保证了陶瓷体内的高纯氮化硅含量，保证了高纯氮化硅陶瓷升液管的优良特性。
[0034]由于升液管产品体积大、长径比大、表面积大、散热面积大且不均匀，针对这种产品的特点，本发明采用了下进料式微波钟罩窑，其主体结构为圆柱形微波辐射腔及螺旋式上升的微波源布置，对升液管产品的上下、前后、左右进行均匀加热，最大化的实现设备对升液管产品加热的均匀性，对于高纯氮化硅陶瓷升液管的高质量烧结效果显著。
[0035]微波加热与传统加热不同，外表的散热明显比内部的散热大得多，这样产生的温度差，足可以使散热面积大的升液管坯体开裂，所以，如何平衡微波场内物料的内外温差也是微波烧结中的至关重要的一环，本发明采用将刚玉莫来石圆管与石墨圆管采用交叉叠置的方式组合在一起构成烧结腔，通过控制刚玉莫来石圆管与石墨圆管的高度尺寸为50mm~100mm，与微波频率为2.45GHz的微波波长产生相互作用，利用刚玉莫来石圆管对微波良好的通透性，以及石墨圆管对微波良好的反射性，使进入烧结腔中的微波在圆管内来回反射，使微波迅速被圆管内的升液管坯体大量吸收并转化为热能，不但高效的利用了微波加热，而且平衡了微波场内升液管的内外温差，进行了重要的温度补偿，提高了微波的利用率，达到高效节能的效果。另外，石墨圆板分别设置在升液管坯体的上下两端，上、下两块石墨圆板在升液管坯体两端形成镜面效应，对微波产生反射作用，将馈入的微波在上下两块石墨圆板“镜子”的作用下快速来回反射，最后完全被升液管坯体所吸收转化为热能，进一步提闻了微波的利用率，达到闻效节能的效果。
[0036]在低温段，氮化硅陶瓷坯体吸收微波能力差，含碳化硅的刚玉莫来石圆管表现出优秀的微波吸收能力，均匀有效的进行坯体辅热；当温度升高，含有吸收微波性能优越的添加剂的高纯氮化硅陶瓷的微波吸收能力大幅增强，这时含重结晶碳化硅的刚玉莫来石圆管本身的微波吸收能力并无明显变化，有效保障了高纯氮化硅陶瓷坯体的微波吸收量；高温时，氮化硅陶瓷升液管坯体的散热明显增加，这时吸收微波稳定但热导率较差的含碳化硅的刚玉莫来石圆管适时的充当了隔热保温、温度补偿的重要角色，有效的降低了高纯氮化硅陶瓷升液管产品的内外温差，实现高纯氮化硅陶瓷升液管的高质量烧结制备。
[0037]垫烧粉或垫烧环的材料与升液管坯体材料相同，有润滑及同步收缩的效果，可以防止氮化硅陶瓷升液管因重力大在收缩时产生的变形。
[0038]本发明利用设计的氮化硅配方、微波烧结设备、微波烧结结构与低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管的结构特点相匹配，加热结构的优化使微波的利用率和效率极大化，真正的使低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管产品以一种“体加热的方式”整体均匀加热至一定的温度，通以保护气氛，保温一定时间，实现致密烧结。
[0039]本发明的其它有益效果是，微波烧结是利用微波加热对材料进行烧结，它同传统的加热方式不同，传统的加热是依靠发热将热能通过对流、传导或辐射方法传递至被加热物质而达到某一温度，热量从外向内传递，烧结时间长，能耗高；而微波烧结是利用微波具有的特殊波段与材料的基本结构耦合而产生热量，材料的介质损耗使其材料整体加热的一种加热方式，产品内外同时加热烧结，因而具有降低烧结温度、缩短保温时间、改善烧结条件、能耗低等一系列优势。由于微波加热的高效率，比传统烧结方法省电30~70%，大大降低了生产成本，而且应用的工业微波炉结构简单，自动化运行，易于维护。将有效降低陶瓷材料生产成本，推广使用高纯氮化硅陶瓷升液管，替代进口，打破垄断，使低压铸造行业成本降低，不用频繁的更换生产部件，铸件质量提高，市场竞争力增加。
[0040]综上所述，本发明是一种能加快烧结进程、在较低的温度、较短的时间内，在常压氮气氛下高效率、高质量的烧结制备出致密的低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管的微波烧结制备方法，具有升温速度快、烧结温度低、保温时间短、烧结性能较好、节约能源、生产效率高的特点，适合大规模生产。
【专利附图】
【附图说明】
[0041]图1低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管的微波烧结结构。
[0042]图2高纯氮化硅陶瓷升液管的XRD检测图谱。
[0043]图1中，1-氧化铝纤维圆筒，3-刚玉莫来石圆管，4-石墨圆管，5-升液管坯体，2、7-石墨圆板，6-垫烧粉或垫烧环。
[0044]从附图2的高纯氮化硅陶瓷升液管的XRD检测图谱可以看出:高纯氮化硅陶瓷升液管内的氮化硅含量> 99%，可以有效发挥氮化硅陶瓷材料的理想性能。
【具体实施方式】
[0045]参见附图1，将高纯氮化硅粉与少量添加剂一起装入球磨机湿法球磨后得到流动性良好的料浆，经过喷雾干燥塔干燥造粒，造粒后的粒度D5tl为50 μ m~70 μ m，然后，置于橡胶模中，在冷等静压机内高压成型，成型压力为10MPa~150MPa，将成型好的升液管坯体
(5)放在机床上进行修整后，放入下进料式微波钟罩窑内进行微波烧结，坯体下放置有与升液管坯体材料相同的垫烧粉或垫烧环(6)，微波烧结结构由氧化铝纤维圆筒(I)、刚玉莫来石圆管(3)、石墨圆管(4)以及石墨圆板(2) (7)构成。微波烧结频率为2.45GHz，通入高纯氮气氛，保持微正压200Pa~lOOOPa，微波烧结温度为1550°C~1600°C，升温速率为2V /min~10°C /min，保温时间为0.5小时~4小时，随炉冷却，至500°C以下开炉取出，取出的致密陶瓷体根据升液管图纸尺寸，利用金刚石刀具进行磨削加工，最终得到低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管。
[0046]添加剂为吸收微波性能优越的物质，其添加量占氮化硅粉质量的0.5%~2%，为氧化硼、硼酸、氧化锂、氢氧化锂、碳酸锂、钇铝酸锂的一种或几种的组合，且高温烧结之后添加剂不残留在致密陶瓷体内，致密陶瓷体中氮化硅的含量达到99%以上。
[0047]升液管还体(5)的长度为600_~1500mm,内径为50_~200mm,外径为60_~250mm,法兰外径为10mm~300mm。
[0048]下进料式微波钟罩窑的主体结构为圆柱形微波辐射腔及螺旋式上升的微波源布置，微波源个数为20~40个，每个微波源均为工业微波源，功率均为1500W无级可调。
[0049]氧化铝纤维圆筒(I)的耐火度为1700°C，密度〈0.8g/cm3 ;刚玉莫来石圆管(3)中含有4%~6%的重结晶碳化娃材料，圆管厚度为5mm~15mm,高度为50mm~10mm ;石墨圆管⑷厚度为5mm~15mm,高度为50mm~10mm ;石墨圆板⑵、(7)直径尺寸与升液管还体的法兰外径尺寸一致，厚度为5mm~15mm,且上石墨圆板⑵直接压在升液管还体上，升液管坯体放置在下石墨圆板(7)上，两者之间放置垫烧粉或垫烧环(6)。
[0050]下面结合实施例对本发明作进一步说明。
[0051 ] 本发明实施例中，高纯氮化硅粉的纯度> 99 % ;高纯氮化硅粉的
[0052]粒度D50为0.5-1 μ m，添加剂的粒度D50为0.5-1 μ m。
[0053]实施例1:
[0054]将高纯氮化硅粉与占高纯氮化硅粉质量0.5%的氧化硼一起装入球磨机湿法球磨，得到的料浆经过喷雾干燥塔干燥造粒至D5tl为50 μ m~70 μ m的微粒，置于橡胶模中，在冷等静压机内高压成型，成型压力为lOOMPa，将成型好的升液管坯体放在机床上进行修整，修整后的尺寸为长度600mm,内径尺寸为50mm,外径尺寸为60mm,法兰外径为100mm,然后将修整后的升液管坯体放入下进料式微波钟罩窑内进行微波烧结，坯体下放置同种材料的垫烧粉，微波烧结结构由氧化铝纤维圆筒、刚玉莫来石圆管、石墨圆管以及石墨圆板构成，其中氧化铝纤维圆筒耐火度为1700°C，密度为0.7g/cm3 ;刚玉莫来石圆管中含有4%的重结晶碳化娃材料，圆管厚度为5mm,高度为50mm ;石墨圆管厚度为5mm,高度为50mm ;石墨圆板直径为100mm，厚度为5mm。微波钟罩窑共有20个工业微波源，总功率为30KW，微波烧结频率为2.45GHz，通入高纯氮气氛，保持微正压200Pa，微波烧结温度为1550°C，升温速率为10°C /min，保温时间为0.5小时，随炉冷却，至480°C开炉取出，取出的致密陶瓷体根据升液管图纸尺寸，利用金刚石刀具进行磨削加工，最终得到低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管。经检测，制得的低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管的密度为3.18g/cm3，抗弯强度为550MPa，5kg气压下的气密性检测合格，表面光洁度高，颜色均匀，不变形，低压铝铸造中使用寿命大于12个月，其XRD检测图谱如图2所示，从图2可以看出，材料中氮化硅的含量达到 99%。
[0055]实施例2:
[0056]将高纯氮化硅粉与占高纯氮化硅粉质量1.0%的氢氧化锂一起装入球磨机湿法球磨，得到的料浆经过喷雾干燥塔干燥造粒至D5tl为50 μ m~70 μ m的微粒，置于橡胶模中，在冷等静压机内高压成型，成型压力为120MPa，将成型好的升液管坯体放在机床上进行修整，修整后的尺寸为长度900mm,内径尺寸为100mm,外径尺寸为130mm,法兰外径为180mm,然后将修整后的升液管坯体放入下进料式微波钟罩窑内进行微波烧结，坯体下放置同种材料的垫烧环，微波烧结结构由氧化铝纤维圆筒、刚玉莫来石圆管、石墨圆管以及石墨圆板构成，其中氧化铝纤维圆筒耐火度为1700°C，密度为0.6g/cm3;刚玉莫来石圆管中含有5%的重结晶碳化娃材料，圆管厚度为8mm,高度为65mm ;石墨圆管厚度为8mm,高度为65mm ;石墨圆板直径为180mm，厚度为8mm。微波钟罩窑共有28个工业微波源，总功率为42KW，微波烧结频率为2.45GHz，通入高纯氮气氛，保持微正压500Pa，微波烧结温度为1580°C，升温速率为8°C /min，保温时间为2小时，随炉冷却，至500°C开炉取出，取出的致密陶瓷体根据升液管图纸尺寸，利用金刚石刀具进行磨削加工，最终得到低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管。经检测，制得的低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管的密度为3.17g/cm3，抗弯强度为625MPa，5kg气压下的气密性检测合格，表面光洁度高，颜色均匀，不变形，低压铝合金铸造中使用寿命大于12个月，材料中氮化硅的含量达到99.2%。
[0057]实施例3:
[0058]将高纯氮化硅粉与占高纯氮化硅粉质量1.5%的碳酸锂一起装入球磨机湿法球磨，得到的料浆经过喷雾干燥塔干燥造粒至D5tl为50 μ m~70 μ m的微粒，置于橡胶模中，在冷等静压机内高压成型，成型压力为150MPa，将成型好的升液管坯体放在机床上进行修整，修整后的尺寸为长度1200mm,内径尺寸为150mm,外径尺寸为180mm,法兰外径为220mm,然后将修整后的升液管坯体放入下进料式微波钟罩窑内进行微波烧结，坯体下放置有同种材料的垫烧粉，微波烧结结构由氧化铝纤维圆筒、刚玉莫来石圆管、石墨圆管以及石墨圆板构成，其中氧化铝纤维圆筒耐火度为1700°C，密度为0.7g/cm3 ;刚玉莫来石圆管中含有6%的重结晶碳化娃材料，圆管厚度为12mm,高度为80mm ;石墨圆管厚度为12mm,高度为80mm ;石墨圆板直径为220mm，厚度为12mm。微波钟罩窑共有36个工业微波源，总功率为54KW，微波烧结频率为2.45GHz，通入高纯氮气氛，保持微正压800Pa，微波烧结温度为1600°C，升温速率为5°C /min，保温时间为3小时，随炉冷却，至500°C以下开炉取出，取出的致密陶瓷体根据升液管图纸尺寸，利用金刚石刀具进行磨削加工，最终得到低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管。经检测，制得的低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管的密度为3.19g/cm3，抗弯强度为750MPa，5kg气压下的气密性检测合格，表面光洁度高，颜色均匀，不变形，低压铝镁合金铸造中使用寿命大于12个月，材料中氮化硅的含量达到99.3%。
[0059]实施例4:
[0060]将高纯氮化硅粉与占高纯氮化硅粉质量2.0 %的钇铝酸锂一起装入球磨机湿法球磨，得到的料浆经过喷雾干燥塔干燥造粒至D5tl为50 μ m~70 μ m的微粒，置于橡胶模中，在冷等静压机内高压成型，成型压力为150MPa，将成型好的升液管坯体放在机床上进行修整，修整后的尺寸为长度1500mm,内径尺寸为200mm,外径尺寸为250mm,法兰外径为300mm,然后将修整后的升液管坯体放入下进料式微波钟罩窑内进行微波烧结，如图1所示放置，坯体下放置有同种材料的垫烧粉，微波烧结结构由氧化铝纤维圆筒、刚玉莫来石圆管、石墨圆管以及石墨圆板构成，其中氧化铝纤维圆筒耐火度为1700°C，密度为0.6g/cm3;刚玉莫来石圆管中含有5%的重结晶碳化娃材料，圆管厚度为15mm,高度为10mm ;石墨圆管厚度为15mm,高度为10mm ;石墨圆板直径为300mm，厚度为15mm。微波钟罩窑共有40个工业微波源，总功率为60KW，微波烧结频率为2.45GHz，通入高纯氮气氛，保持微正压lOOOPa，微波烧结温度为1600°C，升温速率为2V /min，保温时间为4小时，随炉冷却，至500°C以下开炉取出，取出的致密陶瓷体根据升液管图纸尺寸，利用金刚石刀具进行磨削加工，最终得到低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管。经检测，制得的低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管的密度为3.20g/cm3,抗弯强度为780MPa，5kg气压下的气密性检测合格，表面光洁度高，颜色均匀，不变形，低压铝铸造中使用寿命大于12个月，材料中氮化硅的含量达到99.1 %。
[0061]实施例5:
[0062]高纯氮化硅粉与占高纯氮化硅粉质量1.5%的氧化硼与氢氧化锂一起装入球磨机湿法球磨，得到的料浆经过喷雾干燥塔干燥造粒至D5tl为50 μ m~70 μ m的微粒，置于橡胶模中，在冷等静压机内高压成型，成型压力为150MPa，将成型好的升液管坯体放在机床上进行修整，修整后的尺寸为长度1200mm，内径尺寸为150mm，外径尺寸为180mm，法兰外径为220mm，然后将修整后的升液管坯体放入下进料式微波钟罩窑内进行微波烧结，如图1所示放置，坯体下放置有同种材料的垫烧粉，微波烧结结构由氧化铝纤维板、刚玉莫来石圆匣钵、高纯石墨圆匣钵以及高纯石墨圆板构成，其中氧化铝纤维圆筒耐火度为1700°C，密度为0.7g/cm3 ;刚玉莫来石圆管中含有6%的重结晶碳化娃材料,圆管厚度为12mm,高度为80mm ;石墨圆管厚度为12mm,高度为80mm ;石墨圆板直径为220mm,厚度为12mm。微波钟罩窑共有36个工业微波源，总功率为54KW，微波烧结频率为2.45GHz，通入高纯氮气氛，保持微正压800Pa，微波烧结温度为1600°C，升温速率为5°C /min，保温时间为3小时，随炉冷却，至500°C以下开炉取出，取出的致密陶瓷体根据升液管图纸尺寸，利用金刚石刀具进行磨削加工，最终得到低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管。经检测，制得的低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管的密度为3.19g/cm3，抗弯强度为748MPa，5kg气压下的气密性检测合格，表面光洁度高，颜色均匀，不变形，低压铝合金铸造中使用寿命大于12个月，材料中氮化硅的含量达到99.5%。
【权利要求】
1.低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管的微波烧结制备方法，包括下述步骤: 第一步:制坯 取氮化硅粉与添加剂置于球磨机湿法球磨，分散均匀，得到料浆，料浆干燥、造粒后，置于升液管模具中压制成型，得到升液管坯体； 第二步:烧结 将升液管坯体置于烧结腔内，然后，整体置于下进料式微波钟罩窑内进行烧结，得到高纯氮化硅陶瓷升液管；所述烧结腔由刚玉莫来石圆管与石墨圆管交叉叠置构成，上、下端口各设有一石墨圆板。
2.根据权利要求1所述的低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管的微波烧结制备方法，其特征在于:下端口石墨板与升液管坯之间设有垫烧粉或垫烧环；所述垫烧粉或垫烧环的材料与升液管还体材料相同。
3.根据权利要求1所述的低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管的微波烧结制备方法，其特征在于:所述添加剂占氮 化硅粉质量的0.5%~2 %，所述添加剂的粒度D5tl为0.5 μ m~L O μ m。
4.根据权利要求3所述的低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管的微波烧结制备方法，其特征在于:所述添加剂为吸收微波性能优越的物质，具体选自氧化硼、硼酸、氧化锂、氢氧化锂、碳酸锂、钇铝酸锂中的一种或几种的组合。
5.根据权利要求1所述的低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管的微波烧结制备方法，其特征在于:所述氮化硅粉的纯度≥99%，粒度D5tl为0.5μπι~Ι.Ομπι。
6.根据权利要求1所述的低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管的微波烧结制备方法，其特征在于:所述料浆干燥采用喷雾干燥塔进行，所述料浆干燥后造粒成粒度D5tl为50 μ m~70 μ m的微粒。
7.根据权利要求1所述的低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管的微波烧结制备方法，其特征在于:所述下进料式微波钟罩窑的主体结构为圆柱形微波辐射腔，所述微波辐射腔由氧化铝纤维圆筒构成；在圆柱形微波辐射腔竖直方向的腔壁上，按螺旋式上升布置有微波源，微波源个数为20~40个，每个微波源的功率均为1500W无级可调。
8.根据权利要求1所述的低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管的微波烧结制备方法，其特征在于:烧结工艺参数为:微波频率为2.45GHz，通入氮气保护气氛，烧结腔内气压为正压200Pa~lOOOPa，升温速率为2~10°C /min，烧结温度为1550°C~1600°C，保温0.5~4小时后，随炉冷却至500°C以下出炉空冷。
9.根据权利要求1所述的低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管的微波烧结制备方法，其特征在于:所述升液管模具为橡胶模。
10.根据权利要求1所述的低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管的微波烧结制备方法，其特征在于:所述压制成型采用冷等静压机进行，成型压力为10MPa~150Mpa。
11.根据权利要求1所述的低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管的微波烧结制备方法，其特征在于:升液管坯体经过机加工后置于下进料式微波钟罩窑内进行烧结。
12.根据权利要求1所述的低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管的微波烧结制备方法，其特征在于:烧结得到的高纯氮化硅陶瓷升液管采用金刚石刀具进行磨削加工。
13.根据权利要求1所述的低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管的微波烧结制备方法，其特征在于:所述氧化铝纤维圆筒的耐火度为1700°C，密度〈0.8g/cm3 ;刚玉莫来石圆管中含有4%~6%的重结晶碳化硅材料。
14.根据权利要求1-13任意一项所述的低压铸造用高纯氮化硅陶瓷升液管的微波烧结制备方法，其特征在于: 烧结得到的高纯氮化硅陶瓷升液管中氮化硅含量> 99%。
【文档编号】C04B35/64GK104163640SQ201410349995
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年7月22日 优先权日:2014年7月22日
【发明者】曾小锋, 李勇全 申请人:衡阳凯新陶瓷科技有限公司