轻质高强碳化硅窑具及其制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种轻质高强碳化硅窑具及其制造方法。采用不同粒度的碳化硅粉体为主要原料，利用水溶性酚醛树脂作为粘结剂，硼酸作为烧结助剂，纤维素为粘结剂，并加入润滑剂、聚乙二醇来调节泥料硬度，通过真空练泥、陈腐和挤出成型获得不同截面形状的窑具素坯。素坯经过干燥、固化和高温烧结，获得轻质高强碳化硅窑具。该制造方法工艺简单，成本低廉，生产效率高。采用该方法制造的碳化硅窑具素坯强度高，长度达4000mm以上，烧结后产品密度适中，强度达到300MPa以上，并且热导率高，抗热震性能好，耐高温达1500℃以上。利用该方法制造的碳化硅窑具如方梁、立柱、辊棒、棚板等，能够广泛应用于各种高温隧道窑、辊道窑、梭式窑等。
【专利说明】
轻质高强碳化硅窑具及其制造方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种碳化硅陶瓷的制备方法，更确切地说涉及挤出成型工艺制备低成本轻质高强碳化硅窑具。属于工程陶瓷材料技术领域。
【背景技术】
[0002]碳化硅陶瓷具有优良的常温和高温力学性能，良好的抗氧化和抗热震性能，在高温工况下能够长期应用，被广泛应用于各种工业窑炉的窑具作为支撑部件，如辊道窑、隧道窑和梭式窑等。
[0003]在实际应用中，碳化硅窑具包括三大类:反应烧结、无压烧结和重结晶烧结。三者的根本区别在于烧结体系不同。反应烧结采用含有一定气孔率的碳化硅素坯，在高温下与金属硅发生反应，在1600-1800°C液相或气相反应，烧结后材料约含有15wt%左右的游离硅。无压烧结是采用亚微米级碳化硅微粉，添加一定的烧结助剂，在1800-2200°C下进行固相或液相烧结，得到晶粒细小的高致密度材料。重结晶是采用粗细颗粒级配的碳化硅粉体，不添加任何烧结助剂，在2200-2400°C高温烧结，材料约含有10%左右气孔率。烧结工艺和性能的差异造成三种窑具在使用过程中具有区别。反应烧结窑具由于成本较低，应用比较广泛，但使用温度一般在1250°C以下，重结晶窑具使用温度可达1500°C，但两者的高温下强度较低，一般不超过250MPa，因此，实际应用中壁厚往往较厚，使得窑具重量大大增加，实际生产中能耗偏高。无压窑具集合了高强度和耐高温的特点，使用温度达1500 °C，强度在350MPa以上，壁厚可以做到前者的一半，大大降低了窑具重量，但传统的生产工艺造成其生产成本较高，限制了其广泛应用。
[0004]目前挤出成型制备出了无压碳化硅陶瓷，已经在工业换热领域中得到应用，但在实际窑具应用还存在着最大难点:成本高。其一是无压烧结必须采用亚微米级碳化硅粉体，本身要经过超细化、高纯化处理，成本比较高。另一方面，由于所添加烧结助剂含量比较低，必须采用液相混合、喷雾造粒的工艺进行均匀化处理，才能发挥烧结助剂的特点，制造成本进一步升高。要满足窑具应用，必须开发一种低成本制造工艺，同时制造的窑具必须满足轻质尚强的性能特点。
【发明内容】
[0005]针对上述现有技术状况，本发明的目的是提供一种低成本轻质高强碳化硅陶瓷窑具的制造方法，本发明采用如下技术方案:
[0006]—种低成本轻质高强碳化硅窑具制造方法，包括以下步骤:
[0007]包括以下步骤:
[0008](I)粉体配料:
[0009]碳化硅微粉1、碳化硅微粉I1、碳化硅微粉III和纤维素强力搅拌混合均匀，得到混合粉体。
[0010](2)液体配料
[0011]将水溶性酚醛树脂、硼酸、聚乙二醇、油酸、甘油和去离子水经强力搅拌混合均匀，得到混合溶液。
[0012]⑶混料
[0013]将步骤(I)得到的混合粉体和步骤(2)得到的混合液体进行强力搅拌得到混合物料；
[0014](4)真空练泥
[0015]将步骤(3)得到的混合物料在真空练泥机中练泥3-5遍，得到泥料；
[0016](5)陈腐
[0017]将步骤(4)得到的泥料在密封空间中陈腐2-4天，温度保持在20_30°C;
[0018](6)挤出成型
[0019]将步骤(5)得到的泥料在真空挤出机成型一定截面形状和长度的窑具素坯；
[0020](7)阴干
[0021]将管材素坯转移到恒温恒湿间中进行阴干2-3天，温度控制在30-50°C，室温控制在40-60 %。
[0022](8)固化
[0023]将阴干后的窑具素坯在烘箱中进行固化，固化温度控制在100-120°C，保温时间为2小时。
[0024](8)高温烧结
[0025]将固化后的管材素坯在高温石墨电阻中高温烧结，保温时间为2小时，得到碳化硅窑具。
[0026]所述碳化硅微粉I的重量百分比含量为50-60%、碳化硅微粉II的重量百分比含量为25-35%的碳化硅微粉II，碳化硅微粉III的重量百分比含量为5-25%。
[0027]所述碳化硅微粉I的粒度为0.4-0.6μπι，碳化硅微粉II的粒度为4_6μπι，碳化硅微粉II的粒度为9-11μηι;
[0028]所述纤维素的重量为所述混合粉体重量的3-6%(较佳为5% )。
[0029]所述水溶性酚醛树脂树脂的重量为所述混合粉体重量的5-10%(较佳为8%)，硼酸重量为所述混合粉体重量的4-10% (较佳为6%)，聚乙二醇重量为所述混合粉体重量的2-4% (较佳为3% )，油酸重量为所述混合粉体重量的2-4% (较佳为3% )，甘油重量为所述混合粉体重量的0.5-1.5% (较佳为1.0% )，去离子水重量为所述混合粉体重量的13-18%(较佳为15%)。
[0030]所述烧结温度为2180-225(TC (较佳为2220Γ)。
[0031 ]根据任一所述的制造方法获得的低成本高强轻质碳化硅窑具。
[0032]与已有的碳化硅窑具制造方法比较，本发明具有以下明显的优点:
[0033](I)采用了液相碳源和硼源作为烧结助剂，液相混合的方法使得分散更为均匀，有效提高了材料的室温和高温强度。
[0034](2)采用了新的烧结助剂引入方法，不再采用喷雾造粒工艺，大幅降低了原材料处理成本。
[0035](3)采用了颗粒级配的方式，改变了原有常压烧结碳化硅材料的配方，引入部分成本低廉的碳化硅原料，大幅降低了原材料成本。
[0036]本发明的第二目的提供一种轻质高强碳化硅窑具，相比传统的反应烧结、重结晶和常压烧结窑具，具有以下优势:
[0037](I)密度适中，约3.05?3.lOg/cm3，室温和高温强度高，达300MPa以上，综合性能优异，最高使用温度可达1500°C。
[0038](2)具有5%左右的封闭气孔，抗热震性能优异，能够承受800 °C以内的空气加热和冷却。
[0039](3)制造成本大幅降低，综合成本仅为传统常压烧结窑具的1/3，性价比远高于反应烧结和重结晶窑具。
[0040]采用不同粒度的碳化硅粉体为主要原料，利用水溶性酚醛树脂作为粘结剂，硼酸作为烧结助剂，纤维素为粘结剂，并加入润滑剂、聚乙二醇来调节泥料硬度，通过真空练泥、陈腐和挤出成型获得不同截面形状的窑具素坯。素坯经过干燥、固化和高温烧结，获得轻质高强碳化硅窑具。该制造方法工艺简单，成本低廉，生产效率高。采用该方法制造的碳化硅窑具素坯强度高，长度达4000mm以上，烧结后产品密度适中，强度达到300MPa以上，并且热导率高，抗热震性能好，耐高温达1500°C以上。利用该方法制造的碳化硅窑具如方梁、立柱、辊棒、棚板等，能够广泛应用于各种高温隧道窑、辊道窑、梭式窑等。
【具体实施方式】
[0041 ] 实施例1
[0042]将50Kg的D50为0.42μπι的碳化硅粉体、25Kg的D50为4.3μπι的碳化硅粉体、25Kg的D50为9.1ym的碳化娃粉体共10Kg，和3Kg的纤维素在强力搅拌机中混合均勾得到混合粉体。将5Kg的水溶性性酚醛树脂、4Kg的硼酸，2Kg的聚乙二醇、2Kg的油酸、0.5Kg的甘油加入到13Kg的去离子水中，加入球磨机搅拌均匀，得到混合液体。而后将混合液体加入混合粉体中，继续在强力搅拌机中混合，得到混合物料。而后在真空练泥机中练泥3遍，得到泥料。泥料在20°C经密闭陈腐2天，在真空挤出成型机挤出口径为10mm，壁厚为1.0mm，长度为100mm的窑具素坯。将素坯转移到室内阴干2天，温度和适度控制在30°C和40%。将阴干后的窑具素坯在烘箱中100°C固化处理，保温2小时。固化后的窑具素坯经加工在高温石墨电阻中2180 °C高温烧结，保温时间为2小时。通过该制造工艺得到的碳化硅陶瓷管材密度为3.04g/cm3，室温抗弯强度为302MPa，热导率为85W/m.K。1200 °C的抗弯强度达到315MPa，热导率为66W/m.K。该管材应用于1350°C隧道窑的小型日用瓷的横梁，耐高温和耐热震效果良好。
[0043]实施例2
[0044]将50Kg的D50为0.42μπι的碳化硅粉体、30Kg的D50为4.3μπι的碳化硅粉体、20Kg的D50为10.2μηι的碳化娃粉体共I OOKg，和3Kg的纤维素在强力搅拌机中混合均勾得到混合粉体。将8Kg的水溶性性酚醛树脂、1Kg的硼酸，4Kg的聚乙二醇、3Kg的油酸、1.5Kg的甘油加入到ISKg的去离子水中，加入球磨机搅拌均匀，得到混合液体。而后将混合液体加入混合粉体中，继续在强力搅拌机中混合，得到混合物料。而后在真空练泥机中练泥5遍，得到泥料。泥料在30°(:经密闭陈腐3天，在真空挤出成型机挤出口径为50*50111111，壁厚为4.0111111，长度为3000mm的窑具素坯。将素坯转移到室内阴干2天，温度和适度控制在30 °C和50%。将阴干后的窑具素坯在烘箱中IlOtC固化处理，保温2小时。固化后的窑具素坯经加工后在高温石墨电阻中2250°C高温烧结，保温时间为2小时。通过该制造工艺得到的碳化硅陶瓷管材密度为3.07g/cm3，室温抗弯强度为332MPa，热导率为96W/m.K。1200 °C的抗弯强度达到345MPa，热导率为73W/m.K。该管材应用于1380°C梭式窑的横梁和立柱，耐高温和耐热震效果良好。
[0045]实施例3
[0046]将50Kg的D50为0.42μπι的碳化硅粉体、35Kg的D50为4.3μπι的碳化硅粉体、15Kg的D50为10.8μηι的碳化娃粉体共I OOKg，和3Kg的纤维素在强力搅拌机中混合均勾得到混合粉体。将1Kg的水溶性性酚醛树脂、6Kg的硼酸，3Kg的聚乙二醇、4Kg的油酸、1.0Kg的甘油加入到15Kg的去离子水中，加入球磨机搅拌均匀，得到混合液体。而后将混合液体加入混合粉体中，继续在强力搅拌机中混合，得到混合物料。而后在真空练泥机中练泥4遍，得到泥料。泥料在30°C经密闭陈腐4天，在真空挤出成型机挤出口径为30mm，壁厚为5.0mm，长度为2000mm的窑具素坯。将素坯转移到室内阴干3天，温度和适度控制在30°C和60%。将阴干后的窑具素坯在烘箱中120 °C固化处理，保温2小时。固化后的窑具素坯经加工后在高温石墨电阻中2220°C高温烧结，保温时间为2小时。通过该制造工艺得到的碳化硅陶瓷管材密度为3.05g/cm3，室温抗弯强度为343MPa，热导率为90W/m.K。1200 °C的抗弯强度达到338MPa，热导率为70ff/m.K ο该管材应用于1500 V辊道窑的中等日用瓷的辊棒，耐高温和耐热震效果良好。
[0047]实施例4
[0048]将55Kg的D50为0.48μπι的碳化硅粉体、25Kg的D50为5.0μπι的碳化硅粉体、20Kg的D50为9.1ym的碳化娃粉体共10Kg，和5Kg的纤维素在强力搅拌机中混合均勾得到混合粉体。将5Kg的水溶性性酚醛树脂、4Kg的硼酸，2Kg的聚乙二醇、2Kg的油酸、0.5Kg的甘油加入到13Kg的去离子水中，加入球磨机搅拌均匀，得到混合液体。而后将混合液体加入混合粉体中，继续在强力搅拌机中混合，得到混合物料。而后在真空练泥机中练泥3遍，得到泥料。泥料在20°(:经密闭陈腐2天，在真空挤出成型机挤出口径为80*60111111，壁厚为5.0111111，长度为4500mm的窑具素坯。将素坯转移到室内阴干3天，温度和适度控制在40 °C和40%。将阴干后的窑具素坯在烘箱中10tC固化处理，保温2小时。固化后的窑具素坯经加工在高温石墨电阻中2180°C高温烧结，保温时间为2小时。通过该制造工艺得到的碳化硅陶瓷管材密度为3.05g/cm3，室温抗弯强度为308MPa，热导率为84W/m.K。1200 °C的抗弯强度达305MPa，热导率为65W/m.K。该管材应用于1320°C隧道窑的大型日用瓷的横梁和立柱，耐高温和耐热震效果良好。
[0049]实施例5
[0050]将55Kg的D50为0.48μπι的碳化硅粉体、30Kg的D50为5.0μπι的碳化硅粉体、15Kg的D50为10.2μηι的碳化娃粉体共I OOKg，和5Kg的纤维素在强力搅拌机中混合均勾得到混合粉体。将8Kg的水溶性性酚醛树脂、1Kg的硼酸，4Kg的聚乙二醇、3Kg的油酸、1.5Kg的甘油加入到ISKg的去离子水中，加入球磨机搅拌均匀，得到混合液体。而后将混合液体加入混合粉体中，继续在强力搅拌机中混合，得到混合物料。而后在真空练泥机中练泥5遍，得到泥料。泥料在30°(:经密闭陈腐3天，在真空挤出成型机挤出口径为20*20111111，壁厚为2.0111111，长度为1500mm的窑具素坯。将素坯转移到室内阴干2天，温度和适度控制在30 °C和40%。将阴干后的窑具素坯在烘箱中IlOtC固化处理，保温2小时。固化后的窑具素坯经加工后在高温石墨电阻中2250°C高温烧结，保温时间为2小时。通过该制造工艺得到的碳化硅陶瓷管材密度为3.10g/cm3，室温抗弯强度为356MPa，热导率为102W/m.K。1200 °C的抗弯强度达到345MPa，热导率为89W/m.K ο该管材应用于1380 V梭式窑的横梁，耐高温和耐热震效果良好。[0051 ] 实施例6
[0052]将55Kg的D50为0.48μπι的碳化硅粉体、35Kg的D50为5.0μπι的碳化硅粉体、1Kg的D50为10.8μηι的碳化娃粉体共I OOKg，和5Kg的纤维素在强力搅拌机中混合均勾得到混合粉体。将1Kg的水溶性性酚醛树脂、6Kg的硼酸，3Kg的聚乙二醇、4Kg的油酸、1.0Kg的甘油加入到15Kg的去离子水中，加入球磨机搅拌均匀，得到混合液体。而后将混合液体加入混合粉体中，继续在强力搅拌机中混合，得到混合物料。而后在真空练泥机中练泥4遍，得到泥料。泥料在30°(:经密闭陈腐4天，在真空挤出成型机挤出口径为50*50111111，壁厚为4.0111111，长度为3500mm的窑具素坯。将素坯转移到室内阴干2天，温度和适度控制在40 °C和50%。将阴干后的窑具素坯在烘箱中120°C固化处理，保温2小时。固化后的窑具素坯经加工后在高温石墨电阻中2220°C高温烧结，保温时间为2小时。通过该制造工艺得到的碳化硅陶瓷管材密度为3.07g/cm3，室温抗弯强度为345MPa，热导率为98W/m.K。1200°C的抗弯强度达到339MPa，热导率为79W/m.K。该管材应用于1450°C辊道窑的中等日用瓷的横梁，耐高温和耐热震效果良好。
[0053]实施例7
[0054]将60Kg的D50为0.58μπι的碳化硅粉体、25Kg的D50为5.7μπι的碳化硅粉体、15Kg的D50为9.1ym的碳化娃粉体共10Kg，和6Kg的纤维素在强力搅拌机中混合均勾得到混合粉体。将5Kg的水溶性性酚醛树脂、4Kg的硼酸，2Kg的聚乙二醇、2Kg的油酸、0.5Kg的甘油加入到13Kg的去离子水中，加入球磨机搅拌均匀，得到混合液体。而后将混合液体加入混合粉体中，继续在强力搅拌机中混合，得到混合物料。而后在真空练泥机中练泥3遍，得到泥料。泥料在20 °C经密闭陈腐2天，在真空挤出成型机挤出口径为350mm，壁厚为4.0mm，长度为2200mm的窑具素坯。将素坯转移到室内阴干2天，温度和适度控制在40 °C和60%。将阴干后的窑具素坯在烘箱中10tC固化处理，保温2小时。固化后的窑具素坯经加工在高温石墨电阻中2180°C高温烧结，保温时间为2小时。通过该制造工艺得到的碳化硅陶瓷管材密度为3.06g/cm3，室温抗弯强度为312MPa，热导率为87W/m.K。1200°C的抗弯强度达到31 OMPa，热导率为68W/m.K ο该管材应用于1360 V辊道窑的辊棒，耐高温和耐热震效果良好。
[0055]实施例8
[0056]将60Kg的D50为0.58μπι的碳化硅粉体、30Kg的D50为5.7μπι的碳化硅粉体、1Kg的D50为10.2μηι的碳化娃粉体共10Kg，和6Kg的纤维素在强力搅拌机中混合均勾得到混合粉体。将8Kg的水溶性性酚醛树脂、1Kg的硼酸，4Kg的聚乙二醇、3Kg的油酸、1.5Kg的甘油加入到ISKg的去离子水中，加入球磨机搅拌均匀，得到混合液体。而后将混合液体加入混合粉体中，继续在强力搅拌机中混合，得到混合物料。而后在真空练泥机中练泥5遍，得到泥料。泥料在30°C经密闭陈腐3天，在真空挤出成型机挤出口径为130mm，壁厚为5.0mm，长度为300mm的窑具素坯。将素坯转移到室内阴干2天，温度和适度控制在50°C和40%。将阴干后的窑具素坯在烘箱中110 °C固化处理，保温2小时。固化后的窑具素坯经加工后在高温石墨电阻中2250°C高温烧结，保温时间为2小时。通过该制造工艺得到的碳化硅陶瓷管材密度为3.09g/cm3，室温抗弯强度为357MPa，热导率为99W/m.K。1200 °C的抗弯强度达到348MPa，热导率为83ff/m.K ο该管材应用于1380 °C隧道窑的棚板，耐高温和耐热震效果良好。
[0057]实施例9
[0058]将60Kg的D50为0.58μπι的碳化硅粉体、35Kg的D50为5.7μπι的碳化硅粉体、5Kg的D50为10.8μπι的碳化硅粉体共lOOKg，和6Kg的纤维素在强力搅拌机中混合均匀得到混合粉体。将1Kg的水溶性性酚醛树脂、6Kg的硼酸，3Kg的聚乙二醇、3Kg的油酸、1.0Kg的甘油加入到15Kg的去离子水中，加入球磨机搅拌均匀，得到混合液体。而后将混合液体加入混合粉体中，继续在强力搅拌机中混合，得到混合物料。而后在真空练泥机中练泥4遍，得到泥料。泥料在30°C经密闭陈腐4天，在真空挤出成型机挤出口径为150mm，壁厚为6.0mm，长度为500mm的窑具素坯。将素坯转移到室内阴干2天，温度和适度控制在50°C和50%。将阴干后的窑具素坯在烘箱中120 °C固化处理，保温2小时。固化后的窑具素坯经加工后在高温石墨电阻中2220°C高温烧结，保温时间为2小时。通过该制造工艺得到的碳化硅陶瓷管材密度为3.09g/cm3，室温抗弯强度为362MPa，热导率为106W/m.K<a200°C的抗弯强度达到345MPa，热导率为93W/m.K。该管材应用于1520°C隧道窑的大型日用瓷的棚板，耐高温和耐热震效果良好。
[0059]最后，需要指出的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的实质技术内容范围，本发明的实质技术内容是广义地定义于申请的权利要求范围中，任何他人完成的技术实体或方法，若是与申请的权利要求范围所定义的完全相同，也或是一种等效的变更，均将被视为涵盖于该权利要求范围之中。
[0060]在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
【主权项】
1.一种低成本轻质高强碳化硅窑具的制造方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)粉体配料: 碳化硅微粉1、碳化硅微粉I1、碳化硅微粉III和纤维素强力搅拌混合均匀，得到混合粉体； (2)液体配料 将水溶性酚醛树脂、硼酸、聚乙二醇、油酸、甘油和去离子水经强力搅拌混合均匀，得到混合溶液； (3)混料 将步骤(I)得到的混合粉体和步骤(2)得到的混合液体进行强力搅拌得到混合物料； (4)真空练泥 将步骤(3)得到的混合物料在真空练泥机中练泥3-5遍，得到泥料； (5)陈腐 将步骤(4)得到的泥料在密封空间中陈腐2-4天，温度保持在20-30 °C ; (6)挤出成型 将步骤(5)得到的泥料在真空挤出机成型一定截面形状和长度的窑具素坯； (7)阴干 将管材素坯转移到恒温恒湿间中进行阴干2-3天，温度控制在30-50°C，室温控制在40-60% ； (8)固化 将阴干后的窑具素坯在烘箱中进行固化，固化温度控制在100-120°C，保温时间为2小时； (8)高温烧结 将固化后的管材素坯在高温石墨电阻中高温烧结，保温时间为2小时，得到碳化硅窑具。2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，步骤(I)中，碳化硅微粉I的重量百分比含量为50-60%、碳化硅微粉II的重量百分比含量为25-35%的碳化硅微粉II，碳化硅微粉III的重量百分比含量为5-25%。3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，步骤(I)中，所述碳化硅微粉I的粒度为0.4-0.6μ??，碳化硅微粉II的粒度为4-6μπι，碳化硅微粉II的粒度为9_1 Ιμπι。4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，步骤(I)中，所述纤维素的重量为所述混合粉体重量的3-6%。5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，步骤(I)中，所述纤维素的重量为所述混合粉体重量的5%。6.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，步骤(2)中，所述水溶性酚醛树脂树脂的重量为所述混合粉体重量的5-10% (较佳为8%)，硼酸重量为所述混合粉体重量的4-10% (较佳为6% )，聚乙二醇重量为所述混合粉体重量的2-4% (较佳为3% )，油酸重量为所述混合粉体重量的2-4% (较佳为3% )，甘油重量为所述混合粉体重量的0.5-1.5% (较佳为1.0% )，去离子水重量为所述混合粉体重量的13-18% (较佳为15% )。7.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，步骤(8)中，最高烧结温度为2180-2250。。。8.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，步骤(8)中，最高烧结温度为2220°C。9.根据权利要求1-8任一所述的制造方法获得的低成本轻质高强碳化硅窑具。
【文档编号】C04B35/565GK105884366SQ201610216754
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月8日
【发明人】不公告发明人
【申请人】三责（上海）新材料科技有限公司