本发明涉及一种用于淀粉分离机的高性能sic/w金属陶瓷复合喷嘴及其制备方法，属于陶瓷复合材料领域。
背景技术：
对于淀粉分离机的分离喷嘴，需要一定的耐腐蚀、耐磨损、强度、韧性和长的使用寿命。因此，在选喷嘴时，其制造材料不仅应具有优良的耐磨损性能，还应该具有优良的抗振动性能和较长的使用寿命。现在的淀粉加工多选用的国外进口设备，这些设备中的喷嘴均采用整块合金制备，价格昂贵。部分国内厂家对这些喷嘴进行改造，将喷嘴改为不锈钢外壳镶嵌合金喷嘴。虽然降低了部分成本，但是结构并未改变，寿命低、能耗高仍是这类喷嘴的主要问题。
碳化硅陶瓷因自身具有优异的耐磨损、耐腐蚀性能而成为最有竞争力的陶瓷喷嘴材料，其使用寿命是合金的2～3倍，普通钢材的10～100倍。目前，碳化硅陶瓷喷嘴多采用反应烧结方式，但是，反应烧结碳化硅陶瓷中固有的约20％甚至更高的游离硅，使得这种材料的耐磨损、耐冲刷和耐腐蚀性受到影响，导致反应烧结碳化硅陶瓷喷嘴使用寿命较短。
中国专利文献cn104628390a(申请号为201510042663.4)公开一种耐磨损碳化硅陶瓷基复合材料及其制备方法。该发明采用模压成型，产品压制时密度不均匀，烧结过程中易造成开裂、变形等，产品成品率低。中国专利文献cn105755344a(申请号201610111138.8)提供一种碳化硅金属陶瓷复合材料及其制备方法，其中金属钨及铬的加入量较大，成本较高，且产品的烧结温度为2100～2300℃，能耗较高。中国专利文献cn102373357a(申请号为201010260203.6)公开了一种金属陶瓷组合物，其中组分加入了钨粉、铁粉、铬粉等金属粉末，虽然这些金属粉末的加入降低了熔点，但是成本较高，且使金属陶瓷耐温性明显降低。另外，该金属陶瓷组合物中还添加了煤焦油，煤焦油中含有大量的苯、甲苯、二甲苯以及氮、硫等，对人体有害，污染环境，不宜用于食品设备。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明提供一种用于淀粉分离机的高性能sic/w金属陶瓷复合喷嘴及其制备方法。该喷嘴适用于淀粉分离机，质量轻，体积、密度相对合金喷嘴大大降低，节约能源；耐磨性、耐腐蚀性高，力学性能强，提高了喷嘴的使用效果，延长了喷嘴的使用寿命，从而保证了淀粉分离机运转的稳定性。
本发明的技术方案为：
一种高性能sic/w金属陶瓷复合喷嘴，所述金属陶瓷复合喷嘴的材料体积密度为3.05g/cm3～3.76g/cm3，用碳化硅喂料颗粒为原料经注射成型、烧结制得；
所述的碳化硅喂料颗粒原料是由以下质量百分比的组分组成：碳化硅微粉60～80％，碳化硼1～5％，二硼化钛1～5％、钨0.5～5％，炭黑1～5％，石墨1～5％、石蜡5～15％、高密度聚乙烯2～6％、乙烯-醋酸乙烯共聚物2～6％、硬脂酸1～3％，各组分质量百分比之和为100％；
根据本发明优选的，所述的碳化硅微粉的平均粒径为3～55μm，进一步优选，平均粒径为3～45μm。该粒径的碳化硅微粉有利于形成较多的毛细管孔道，利于烧结过程中si的均匀渗进。
本发明优选的，所述的碳化硅喂料颗粒原料是由以下质量百分比的组分组成：碳化硅微粉65％～75％、碳化硼3～5％，二硼化钛1～3％、钨1～3％，炭黑2～4％、石墨2～4％、石蜡8～12％、高密度聚乙烯2～5％、乙烯-醋酸乙烯共聚物2～5％、硬脂酸粘1～2％，各组分质量百分比之和为100％。
本发明的石蜡、高密度聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物和硬脂酸共同组成有机添加剂。
根据本发明优选的，所述碳化硼的平均粒径为2～50μm。
根据本发明优选的，所述二硼化钛的平均粒径为2～10μm。
根据本发明优选的，所述钨的平均粒径为3～5μm。
根据本发明优选的，所述炭黑的平均粒径为1～2μm。
根据本发明优选的，所述高密度聚乙烯分子量在40000～300000万，密度为0.95～0.97g/cm3，熔体指数为5～10，熔解温度为130～160℃。
根据本发明优选的，所述的碳化硅喂料颗粒是按如下方法制备得到：
按配比，取碳化硅微粉、碳化硼、二硼化钛、钨、炭黑、石墨和硬脂酸加入水中，水的加入量为碳化硅微粉、碳化硼、二硼化钛、钨、炭黑、石墨和硬脂酸总量的1～3倍，以碳化硅球为研磨介质进行球磨8～12h，球磨后得混合浆料，待混合浆料干燥后研磨20～40min，然后过40～60目筛进行筛分，得到改性陶瓷粉，向改性陶瓷粉中加入石蜡、高密度聚乙烯和乙烯醋酸乙烯共聚物，混合搅拌均匀后在双螺杆挤出机内于温度130～150℃下混炼30～190min，冷却固化、切割造粒，制得长度为2mm～5mm，直径为1～2mm的碳化硅喂料颗粒。
根据本发明，一种高性能sic/w金属陶瓷复合喷嘴的制备方法，包括步骤如下：
(1)注射成型：将所述的碳化硅喂料颗粒加入注塑成型机内，在注射压力80-120mpa、注射温度160～180℃的条件下注射成型，制得sic/w金属陶瓷复合喷嘴坯体；
(2)干燥：将步骤(1)得到的喷嘴坯体于40～80℃下干燥10～20小时；
(3)脱脂：采用两步脱脂法，先将干燥后的的喷嘴坯体置于温度为40～60℃的有机溶剂中浸泡6-10h进行初步脱脂，初步脱脂后的坯体干燥处理，然后移入n2气氛中进行热脱脂，所述热脱脂温度为300～500℃，脱脂时间为2060min；
(4)修坯：将经步骤(3)脱脂后的喷嘴坯体进行修整，得修整后喷嘴坯体；
(5)烧结：将修整的多喷嘴坯体置于真空反应烧结炉中，下面铺金属硅粒，硅粒的用量为喷嘴坯体质量的0.5～1.5倍，升温至1450～1650℃进行烧结60～180min，烧结过程中通入氮气作为保护气体，自然降温，得高性能sic/w金属陶瓷复合喷嘴。
根据本发明优选的，步骤(1)中，注射成型压力为100～120mpa，注射成型温度为165～175℃。
根据本发明优选的，步骤(2)中，喷嘴坯体干燥温度优选40～50℃，干燥时间为15-20h。
根据本发明优选的，步骤(3)中，所述的有机溶剂为正庚烷，初步脱脂温度为40～50℃，浸泡时间为6～8小时；热脱脂温度为400～450℃，升温速率为3～15℃/min，保温时间为30-40min。
进一步优选的，热脱脂升温速率为5～12℃/min。
根据本发明优选的，步骤(5)中，烧结温度为1500-1650℃，烧结时间为90～120min，升温速率为2～40℃/min。
进一步优选的，烧结升温速率20～30℃。
本发明所述方法制得的sic/w金属陶瓷复合喷嘴材料的体积密度为3.05g/cm3～3.76g/cm3，耐磨性是合金的2～3倍。
本发明通过碳化硅、碳化硼、二硼化钛、炭黑、石墨、硬脂酸和有机添加剂之间的特定配比，经过浆料干燥、研磨和筛分得到喂料颗粒，再经注射成型得到sic/w金属陶瓷复合喷嘴坯体，真空条件下烧结，制得的sic/w陶瓷材料中b4c、tib2、w均匀分布于反应烧结sic陶瓷材料基体中。本发明的方法确保了工艺简单、生产效率高、成本低。高密度聚乙烯和乙烯-醋酸乙烯共聚物能显著提高物料的流动性，得到的坯体密度均匀、干燥后坯体强度大，所得致密化的陶瓷材料性能更加均匀一致。同时，本发明的方法确保了反应烧结过程中金属硅与碳在高温(1400℃以上)、真空条件下反应生成β-sic相和b12(c,si,b)3，生成的β-sic、b12(c,si,b)3与喷嘴坯体中原有的α-sic、钨相结合，tib2在高温渗硅过程中均匀分散在游离的硅中形成固溶强化si，最终得到高性能的sic/w复合陶瓷材料，碳化硼和二硼化钛共同提高了产品的耐磨性和韧性，综合提高了陶瓷的力学性能，石墨减小注射成型过程的摩擦力，高密度聚乙烯(分子量在40000-300000万)和乙烯-醋酸乙烯共聚物这两种粘结剂适用范围广、具有良好的流动性，注射过程中易控制，烧结温度为1500℃-1700℃，烧结温度较低，节能高效；因此本发明的碳化硅、碳化硼、二硼化钛、炭黑、石墨、硬脂酸和有机添加剂组成的喂料颗粒相互作用大大提高了喷嘴的耐磨性和力学性能，并且体积密度相对合金喷嘴大大降低，节约了能源、提高了喷嘴的使用寿命。
本发明通过添加高密度聚乙烯和乙烯-醋酸乙烯共聚物增加了物料的流动性，注射成型后坯体强度高，不易变形或开裂。
本发明的碳化硅喂料颗粒配方既能降低反应烧结碳化硅-钨陶瓷中的游离硅含量和体积密度，又能提高材料的耐磨性和力学性能。
本发明的有益效果
1、本发明的复合喷嘴，采用碳化硅喂料颗粒为制备原料，碳化硅喂料中通过引入二硼化钛和碳化硼作为增强粒子，使碳化硼与碳化硅之间形成桥联、二硼化钛在高温渗硅过程中均匀分散在残留si中形成固溶强化si，减少了游离硅含量，提高金属陶瓷的耐磨性和力学性能，大大提高了喷嘴的使用寿命。
2、本发明采用碳化硅喂料颗粒作为制备原料，配合本发明的方法，经注射成型、干燥、脱脂、修坯、烧结，制得的sic/w金属陶瓷复合喷嘴，该方法生产效率高、成本低，可以连续化生产。
3、本发明采用碳化硅喂料颗粒作为制备原料，选用注射成型制的sic/w金属陶瓷复合喷嘴代替原合金喷嘴，成本明显降低，制得的喷嘴密度、硬度、耐磨性能均匀统一。
4、本发明制备出的sic/w金属陶瓷复合喷嘴密度在3.76g/cm3以下，质量轻且高致密度，耐磨性能好，用于淀粉分离机，节约了能源，延长喷嘴的使用寿命，从而保证了淀粉分离机运转的稳定性。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。
实施例中采用的原料碳化硅微粉、碳化硼、二硼化钛、钨、炭黑、石墨、石蜡、高密度聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、硬脂酸均为常规市售产品。
实施例中的双螺杆挤出机为常规市售设备，注射成型机，购自佛山市南海区迈驰机械制造有限公司，型号drv4-55t。
真空反应烧结炉，购自沈阳沈真真空技术有限责任公司，型号为vqs系列高温真空烧结炉。
实施例1
一种高性能sic/w金属陶瓷复合喷嘴，采用碳化硅喂料颗粒为原料注射成型、烧结制得；所述的碳化硅喂料颗粒原料是由以下质量百分比的组分组成：碳化硅微粉72％、碳化硼3％、二硼化钛3％、钨1％、炭黑2％、石墨1％、石蜡10％，高密度聚乙烯5％、乙烯醋酸乙烯共聚物2％、硬脂酸1％。
碳化硅喂料颗粒是按如下方法制备得到：
按比例，取碳化硅微粉、碳化硼、二硼化钛、钨、炭黑、石墨和硬脂酸混合均匀后加入到水中，水的加入量为碳化硅、碳化硼、二硼化钛、钨、炭黑、石墨和硬脂酸总量的2～3倍，以碳化硅球为研磨介质，球磨10～12h；球磨后得混合浆料，待混合浆料干燥后研磨30min，然后过40～60目筛进行筛分，得到改性陶瓷粉；向改性后的陶瓷粉体中加入石蜡、高密度聚乙烯和乙烯-醋酸乙烯共聚物并搅拌均匀后，在双螺杆挤出机内于140～150℃混炼60～90min，冷却固化、切割造粒，制得长度为2mm～3mm，直径约为1mm的碳化硅喂料颗粒。
高性能sic/w金属陶瓷复合喷嘴的制备步骤如下：
(1)注射成型：将碳化硅喂料颗粒加入drv4-55t型注射成型机内，在注射压力100mpa、注射温度170℃的条件下注射成型，制得sic/w金属陶瓷复合喷嘴坯体；
(2)干燥：将得到的喷嘴坯体于50℃下干燥12小时；
(3)脱脂：采用两步脱脂法，第一步为初步脱脂：先将干燥后的的喷嘴坯体先置于温度为40℃的正庚烷中浸泡10h进行初步脱脂；第二步为热脱脂：初步脱脂后的坯体干燥处理，然后移入管式炉内在n2气氛中以8℃/min的升温速率升温至400℃进行热脱脂30min；
(4)修坯：将脱脂后的喷嘴坯体修整，得修整后喷嘴坯体。
(5)烧结：将修整后的喷嘴坯体置于真空反应烧结炉中，下面铺金属硅粒，硅粒的用量为喷嘴坯体质量的1.2倍，以20℃/min的升温速率升温至1600℃进行烧结60min，烧结过程中通入氮气作为保护气体，自然降温，得高性能sic/w金属陶瓷复合喷嘴。
制得的喷嘴的材料密度为3.064g/cm3，耐磨性为0.91，寿命为合金喷嘴的2倍。
实施例2
同实施例1所述的高性能sic/w金属陶瓷复合喷嘴，不同之处在于，所述的碳化硅喂料颗粒原料是由以下质量百分比的组分组成：碳化硅微粉70％、碳化硼4％、二硼化钛1％、炭黑3％、石墨3％、钨2％、石蜡8％，高密度聚乙烯4％、乙烯醋酸乙烯共聚物3％、硬脂酸2％。
碳化硅喂料颗粒按实施例1所述的方法制得。
高性能sic/w金属陶瓷复合喷嘴的制备步骤如下：
(1)注射成型：将碳化硅喂料颗粒加入drv4-55t型注射成型机内，在注射压力110mpa、注射温度180℃的条件下注射成型，制得sic/w金属陶瓷复合喷嘴坯体；
(2)干燥：将得到的喷嘴坯体于40℃下干燥20小时；
(3)脱脂：采用两步脱脂法，第一步为初步脱脂：先将干燥后的的喷嘴坯体先置于温度为50℃的正庚烷中浸泡12h进行初步脱脂；第二步为热脱脂：初步脱脂后的坯体干燥处理，然后移入管式炉内在n2气氛中以10℃/min的升温速率升温至450℃进行热脱脂20min；
(4)修坯：将脱脂后的喷嘴坯体修整，得修整后喷嘴坯体。
(5)烧结：将修整后的喷嘴坯体置于真空反应烧结炉中，下面铺金属硅粒，硅粒的用量为喷嘴坯体质量的1.5倍，以15℃/min的升温速率升温至1650℃进行烧结50min，烧结过程中通入氮气作为保护气体，自然降温，得高性能sic/w金属陶瓷复合喷嘴。
制得的喷嘴的材料密度为3.23g/cm3，耐磨性为0.88，使用寿命为合金喷嘴的2.5倍。
实施例3
同实施例1所述的高性能sic/w金属陶瓷复合喷嘴，不同之处在于，所述的碳化硅喂料颗粒原料是由以下质量百分比的组分组成：碳化硅微粉65％、碳化硼5％、二硼化钛2％、钨1.5％、炭黑4％、石墨3％、石蜡9％，高密度聚乙烯5％、乙烯醋酸乙烯共聚物4％、硬脂酸1.5％。
碳化硅喂料颗粒按实施例1所述的方法制得。
高性能sic/w金属陶瓷复合喷嘴的制备步骤如下：
(1)注射成型：将碳化硅喂料颗粒加入drv4-55t型注射成型机内，在注射压力100mpa、注射温度170℃的条件下注射成型，制得sic/w金属陶瓷复合喷嘴坯体；
(2)干燥：将得到的喷嘴坯体于45℃下干燥18小时；
(3)脱脂：采用两步脱脂法，第一步为初步脱脂：先将干燥后的的喷嘴坯体先置于温度为50℃的正庚烷中浸泡10h进行初步脱脂；第二步为热脱脂：初步脱脂后的坯体干燥处理，然后移入管式炉内在n2气氛中以5℃/min的升温速率升温至350℃进行热脱脂50min；
(4)修坯：将脱脂后的喷嘴坯体修整，得修整后喷嘴坯体。
(5)烧结：将修整后的喷嘴坯体置于真空反应烧结炉中，下面铺金属硅粒，硅粒的用量为喷嘴坯体质量的0.8倍，以18℃/min的升温速率升温至1630℃进行烧结90min，烧结过程中通入氮气作为保护气体，自然降温，得高性能sic/w金属陶瓷复合喷嘴。
制得的喷嘴的材料密度为3.194g/cm3，耐磨性为0.90，使用寿命为合金喷嘴的2.4倍。
对比例1
一种sic/w金属陶瓷复合喷嘴，如实施例1所述，所不同的是，碳化硅喂料颗粒原料是由以下质量百分比的组分组成：
碳化硅微粉73％、碳化硼2％、二硼化钛4％、钨1％、炭黑2％、石蜡10％，高密度聚乙烯4.4％、乙烯醋酸乙烯共聚物2％、硬脂酸1.6％。
对比例2
一种sic/w金属陶瓷复合喷嘴，如实施例1所述，所不同的是，碳化硅喂料颗粒原料是由以下质量百分比的组分组成：
碳化硅微粉78％、钨1％、炭黑2％、石蜡10％、石墨1％、高密度聚乙烯4.4％、乙烯醋酸乙烯共聚物2％、硬脂酸1.6％。
对比例3
一种sic/w金属陶瓷复合喷嘴的制备方法，如实施例1所述，所不同的是，步骤(5)烧结，烧结过程中未引入硅，烧结温度1350℃，保温80min，烧结过程中通入n2作为保护气体，自然降温后得到sic/w金属陶瓷复合喷嘴，制得的喷嘴用于实验例进行对比。
实验例密度、耐磨性、成本以及生产效率对比
将本发明实施例1-3的sic/w金属陶瓷复合喷嘴与对比例1-3的喷嘴以及进口合金喷嘴、不锈钢外壳镶嵌合金喷嘴进行密度、耐磨性、成本以及生产效率对比，对比结果如下表1所示。
耐磨性能：按照国家标准《gb/t18301-2012》规定的方法进行测定。
表1喷嘴的密度、耐磨性、成本以及生产效率对比
＊表中进口合金喷嘴购自德国；不锈钢外壳镶嵌合金喷嘴为国内常规市售产品。
从上表1中可以看出，从产品密度、耐磨性能上对比，本发明制得的sic/w金属陶瓷复合喷嘴与对比例1-2相比，无论在产品密度、密度均匀性还是耐磨性都远远高于对比例1-2的，对比例1的产品虽然致密度较高，但产品耐磨性差，这是由于碳化硅喂料颗粒原料中没有石墨的加入，物料流动性差，烧结前坯体密度不均匀，导致产品整体的耐磨性差，对比例2由于没有碳化硼、二硼化钛的加入，得到的产品游离硅含量较高，产品的密度及耐磨性都不理想，合金喷嘴及不锈钢外壳镶嵌合金喷嘴密度过大，太过沉重，设备运行中能耗高。
从成本及生产效率上对比，进口合金喷嘴及不锈钢外壳镶嵌合金喷嘴的成本要远远高于本发明实施例1-3的方法制得的sic/w金属陶瓷复合喷嘴，对比例3虽然相对合金喷嘴及不锈钢外壳镶嵌合金喷嘴成本低，但该方法由于烧结过程中没有硅的引入，致密度及耐磨性方面远远不如本发明的，产品使用过程中容易开裂，因此本发明的方法得到的sic/w金属陶瓷复合喷嘴成本低、生产效率高。
综上，本发明采用碳化硅喂料颗粒为原料经注射成型、烧结制得sic/w金属陶瓷复合喷嘴，得到的坯体密度均匀、干燥后坯体强度大，所得致密化的陶瓷材料性能更加均匀一致，减少了游离硅含量，提高金属陶瓷的耐磨性和力学性能，大大提高了喷嘴的使用寿命，并且在保证高耐磨性的情况下，成本更低、生产效率更高，更有利于大规模生产，节能、高效，为高性能sic/w金属陶瓷复合喷嘴。