氮化硼复相陶瓷侧封板低温热压烧结方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种氮化硼复相陶瓷侧封板烧结方法。
【背景技术】
[0002]六方氮化硼陶瓷材料，具有高温自润滑作用、热膨胀系数低、热导率高、抗热震性能好、高温化学稳定性良好、对凝固物的剥离性好、与熔融金属不浸润等优点，是先进陶瓷材料家族中重要的一员，可广泛应用于航空航天、高温承载、防热透波、金属冶炼以及高温摩擦磨损等关键工程领域。但氮化硼具有高熔点、共价键强和自扩散系数低等物理特性，以及在烧结过程中易形成卡片房结构，即使施加外力也很难将其破坏。采用一般的常规热压烧结工艺，需在1800?2000°C，20?40MPa的高温热压条件下才能将其烧结致密，增加了氮化硼陶瓷材料的制备成本，阻碍了氮化硼材料在工程领域的广泛应用。此外，高温烧结也会导致材料的晶粒长大和力学性能降低。
[0003]尽管传统低熔点添加剂能够促进氮化硼复相陶瓷材料烧结致密化，提高室温力学性能，但原始低熔点烧结助剂的大量残留导致热机械性能受到显著的影响，高温抗弯强度和抗热蠕变性能明显降低。采用反应热压和自蔓燃烧结技术能够在较低的烧结温度下制备氮化硼复相陶瓷材料，但原材料体系、反应物颗粒尺寸、制备工艺参数等因素对材料的组织结构和性能影响较大，材料性能稳定性和可重复性降低，难以满足实际工程应用对材料使用性能稳定的要求。因而，制备大尺寸氮化硼复相陶瓷材料更倾向于采用传统的热压烧结工艺，但如何有效发挥低熔点相助烧作用以及避免其对高温性能不良影响的矛盾一直是困扰人们的难题。
【发明内容】
[0004]本发明为了解决现有氮化硼复相陶瓷制备中烧结温度高和低熔点烧结助剂过分残留，导致力学性能降低的问题，提供了一种氮化硼复相陶瓷侧封板低温热压烧结方法。
[0005]氮化硼复相陶瓷侧封板低温热压烧结方法如下:
[0006]—、将含硼化合物、过渡金属氧化物和碳化硅按照摩尔比3?6: (3?8):5的比例混合后加入分散介质中，球磨10?48小时后，在80°C?100°C温度下真空干燥10?48h，然后将干燥后的混合粉末球磨破碎过200目筛，得到混合均匀的复合烧结助剂粉末；
[0007]二、将复合烧结助剂粉末与氮化硼粉末按照体积比为(10?25): (75?90)的比例加入分散介质中，球磨24小时后，在100°C?150°C温度下干燥24h，然后将干燥后的混合粉末过200目标准筛，得到混合均匀的氮化硼基复合粉末；
[0008]三、将氮化硼基复合粉末装入热压模具中，采用以下三个阶段进行烧结:
[0009]阶段一、采用真空度小于20Pa真空气氛或采用氮气气氛保护、氮气压力为0.8MPa?L OMPa、升温速率为10?20°C /min的条件下，在800°C?1000°C开始施加压力，在 1200°C ?1300 °C 时加压至 30MPa ?80MPa。
[0010]阶段二、采用真空气氛，真空度小于20Pa，以10?20°C /min的条件升温至1300°C?1400°C ;在1300°C?1400°C温度条件下，施加压力至80MPa?lOOMPa，并保温保压0.5?5小时；
[0011]阶段三、以15?20°C /min的降温速率降温至室温，并同时卸载压力，即得氮化硼复相陶瓷侧封板；
[0012]步骤一中所述含硼化合物为三氧化二硼、硼酸、偏硼酸或三氧化二硼的水合物；
[0013]步骤一中所述过渡金属氧化物为二氧化钛、二氧化错、二氧化給及二氧化钼中的一种或者两种的组合。
[0014]本发明所提出的氮化硼复相陶瓷超低温热压烧结制备方法，可有效控制和利用原位固相化学反应所提供的化学反应驱动力和烧结驱动力，有利降低了氮化硼复相陶瓷的烧结温度，抑制生成的物相的颗粒大小与分布不均匀及气孔和局部组织偏聚等缺陷，所制备的材料晶粒细小，具有优异的综合力学性能。此外，由于烧结温度可降低在1400°C以下，可采用其他高熔点金属模具代替传统的石墨模具，提高了模具的使用寿命和降低了模具成本，进而降低了氮化硼复相陶瓷材料的整体制备成本，提高了市场竞争力和扩展了应用范围。
[0015]本发明所制备的氮化硼复相陶瓷侧封板的致密度可达到96%以上，氮化硼复相陶瓷材料使具有优异的综合力学性能和热机械性能，并且具有良好的抗热震性能和耐摩擦磨损性能。侧封板经过1000°C热震温差热震后没有裂纹产生，经过8(KTC热震温差热循环热震20次不存在断裂现象，与结晶辊具有良好的摩擦磨损相容性，相互摩擦系数小于0.3，具有良好的抗钢水侵蚀性能，在1600摄氏度侵蚀条件下，侵蚀40分钟，侵蚀深度小于700 μ m，所制备氮化硼复相陶瓷侧封板经工况测试满足薄带连铸侧封的服役性能需求。
【具体实施方式】
[0016]本发明技术方案不局限于以下所列举【具体实施方式】，还包括各【具体实施方式】间的任意组合。
[0017]【具体实施方式】一:本实施方式氮化硼复相陶瓷侧封板低温热压烧结方法如下:
[0018]—、将含硼化合物、过渡金属氧化物和碳化硅按照摩尔比3?6: (3?8):5的比例混合后加入分散介质中，球磨10?48小时后，在80°C?100°C温度下真空干燥10?48h，然后将干燥后的混合粉末球磨破碎过200目筛，得到混合均匀的复合烧结助剂粉末；
[0019]二、将复合烧结助剂粉末与氮化硼粉末按照体积比为(10?25): (75?90)的比例加入分散介质中，球磨24小时后，在100°C?150°C温度下干燥24h，然后将干燥后的混合粉末过200目标准筛，得到混合均匀的氮化硼基复合粉末；
[0020]三、将氮化硼基复合粉末装入热压模具中，采用以下三个阶段进行烧结:
[0021]阶段一、采用真空度小于20Pa真空气氛或采用氮气气氛保护、氮气压力为0.8MPa?L OMPa、升温速率为10?20°C /min的条件下，在800°C?1000°C开始施加压力，在 1200°C ?1300 °C 时加压至 30MPa ?80MPa。
[0022]阶段二、采用真空气氛，真空度小于20Pa，以10?20°C /min的条件升温至1300°C?1400°C ;在1300°C?1400°C温度条件下，施加压力至80MPa?lOOMPa，并保温保压0.5?5小时；
[0023]阶段三、以15?20°C /min的降温速率降温至室温，并同时卸载压力，即得氮化硼复相陶瓷侧封板；
[0024]步骤一中所述含硼化合物为三氧化二硼、硼酸、偏硼酸或三氧化二硼的水合物；
[0025]步骤一中所述过渡金属氧化物为二氧化钛、二氧化错、二氧化給及二氧化钼中的一种或者两种的组合。
[0026]本实施方式中所述过渡金属氧化物为组合物时，各成分间为任意比。
[0027]【具体实施方式】二:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是步骤一中所述的分散介质为乙醇含量为55?95%的乙醇水溶液或者无水乙醇。其它与【具体实施方式】一相同。
[0028]【具体实施方式】三:本实施方式与【具体实施方式】一或二之一不同的是步骤一中将含硼化合物、过渡金属氧化物和碳化硅按照摩尔比3:3:5的比例混合后加入分散介质中。其它与【具体实施方式】一或二之一相同。
[0029]【具体实施方式】四:本实施方式与【具体实施方式】一至三之一不同的是步骤一中在90°C温度下真空干燥28h。其它与【具体实施方式】一至三之一相同。
[0030]【具体实施方式】五:本实施方式与【具体实施方式】一至四之一不同的是步骤二中将复合烧结助剂粉末与氮化硼粉末按照体积比为15:85的比例加入分散介质中。其它与【具体实施方式】一至四之一相同。
[0031]【具体实施方式】六:本实施方式与【具体实施方式】一至五之一不同的是步骤三中阶段一、采用氮气气氛保护、氮气压力为0.8MPa、升温速率为12°C /min的条件下，在800°C开始施加