一种致密氮化硅陶瓷升液管及其制备方法与应用
【专利摘要】本发明涉及一种致密氮化硅陶瓷升液管及其制备方法，所述氮化硅陶瓷升液管由包括85～95份氮化硅和5～15份烧结助剂的原料制备而成；所述烧结助剂选自氧化铝、氧化镁、氧化钇、氧化铈、碳化钛中的一种或多种。本发明提供的氮化硅陶瓷升液管，密度高、硬度高、抗弯强度高、断裂韧性强等特点，且使用寿命长，可以在常规的低压铸铝机上可连续使用一年以上；本发明通过对原料组成以及制备方法的全面优化，解决了铸铝行业中氮化硅升液管的生产制备问题，提高国内铸铝行业中关键部件的品质，大大改善铝铸造生产效率，降低生产成本，显著提高了生产效率，降低生产成本，有利于突破国外氮化硅企业在该行业中的垄断地位，提高我国氮化硅陶瓷水平在全球的认知度。
【专利说明】
一种致密氮化硅陶瓷升液管及其制备方法与应用
技术领域
[0001]本发明涉及特种大型氮化硅陶瓷技术领域，具体涉及致密氮化硅陶瓷升液管及其制备方法与应用。
【背景技术】
[0002]氮化硅陶瓷是综合性能最好的特种陶瓷材料，氮化硅具有高强度、高硬度、高断裂韧性、抗热冲击、摩擦系数低已广泛应用在光伏、汽车、冶金、化工、能源、环保、航空航天等多个领域.
[0003]升液管是低压铸铝机上的关键部件之一，它的性能直接影响铸铝产品的质量和生产效率，升液管的使用环境对材料的性能要求较高，其材料要求具有优异的高温性能，耐热震性好，抵抗高温铝液的侵蚀，与铝液不侵润，并具有良好的气密性及抗热冲击疲劳性
[0004]目前国内升液管的材料种类主要有氮化娃反应结合碳化娃，反应烧结碳化娃，钛酸铝，铸铁，该种材料气孔率高、强度差、积渣严重、对生产效率及生产质量影响较大。目前国内70%的企业使用的是北京金海虹氮化硅有限公司生产的氮化硅反应烧结碳化硅材料，其单价为2000元/根。但由于致命性差，强度低，导致使用寿命短，平均为2个月
[0005]致密氮化硅升液管的生产在国内尚属空白，其生产难度主要在于适宜性能的配方调整、成型以及烧结工艺的研究。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是克服现有技术的缺陷，通过对原料组成以及制备方法的全面优化，提供一种热导率高、抗热震性好、耐腐蚀、使用寿命长的氮化硅陶瓷升液管。本发明同时提供了所述氮化硅陶瓷升液管的制备方法，科学合理，降低了成本。
[0007]具体而言，本发明提供了一种致密氮化硅陶瓷升液管，由包括以下重量份的原料制备而成:氮化硅85?95份，烧结助剂5?15份；
[0008]所述烧结助剂选自氧化铝、氧化镁、氧化钇、、氧化铈、碳化钛中的一种或多种。
[0009]本发明所述重量份可以是yg、mg、g、kg等本领域公知的重量单位，也可以是其倍数，如1/10、1/100、10 倍、100 倍等。
[0010]作为本发明的一种优选方案，所述氮化硅陶瓷升液管由包括以下成分的原料制备而成:氮化硅85?88份，烧结助剂12?15份;所述烧结助剂由重量比4?5:4?7:3?4的氧化?乙、氧化铝和氧化铺组成；
[0011]进一步优选地，所述氮化硅陶瓷升液管由包括以下成分的原料制备而成:氮化硅85?88份，氧化乾4?5份，氧化招4?7份，氧化铺3?4份。
[0012]作为本发明的一种优选方案，所述氮化硅陶瓷升液管由包括以下成分的原料制备而成:氮化硅88?90份，烧结助剂10?12份;所述烧结助剂由重量比4?5:4?7:1?4的氧化?乙、氧化镁和碳化钛组成；
[0013]进一步优选地，所述氮化硅陶瓷升液管由包括以下成分的原料制备而成:氮化硅88?90份，氧化乾4?5份，氧化镁4?7份，碳化钛I?4份。
[0014]作为本发明的一种优选方案，所述氮化硅陶瓷升液管由包括以下成分的原料制备而成:氮化硅90?92份，烧结助剂8?10份;所述烧结助剂由重量比3?5:3?5的氧化钇和氧化铝组成；
[0015]进一步优选地，所述氮化硅陶瓷升液管由包括以下成分的原料制备而成:氮化硅90?92份，氧化钇3?5份和氧化铝3?5份。
[0016]本发明使用的氮化娃优选为粉末状，可选用平均粒度为50μηι?80μηι的氮化娃粉。
[0017]本发明所述氮化硅陶瓷升液管中，优选上述各原料的总重量份为100份。
[0018]本发明提供的氮化硅陶瓷升液管中，原料组成简单，对各原料的相对用量进行优选可确保所得到的产品具有密度高、硬度高、强度高、性能稳定等综合性优异性能。
[0019]本发明同时提供了所述氮化硅陶瓷升液管的制备方法，具体包括以下步骤:
[0020](I)按用量取各原料，加入研磨介质去离子水，充分研磨得料浆；
[0021](2)将所述浆料进行喷雾干燥处理，获得粒径D5q为20μπι?ΙΟΟμπι的造粒原料粉体；
[0022](3)将所述造粒原料粉体填充入模具中，经过冷等静压成型处理，制成坯体；
[0023](4)步骤(3)所得坯体在惰性气体条件下进行气压烧结，获得氮化硅升液管。
[0024]本发明所述的方法中，步骤(I)所述各原料的总重量与去离子水的重量之比优选为1:1?1.5。所述研磨在立式搅拌磨中进行;优选为在立式循环搅拌磨中研磨时间为4h?24h。本发明将研磨时间控制在4h?24h，，有利于提高粉料的均匀一致性。
[0025]本发明所述的方法中，步骤(2)所述喷雾干燥即通过喷雾干燥的方式进行造粒，优选为边搅拌边进行喷雾干燥，以确保获得流动性高、成型性好、烧结收缩均匀一致的粉体。所述获得的造粒原料粉体粒径D5Q为20μηι?ΙΟΟμπι，优选为50μηι?80μηι。本发明对造粒原料粉体的粒径进行控制，有利于提高氮化硅陶瓷升液管的高效成型。
[0026]本发明所述的方法中，步骤(3)所述冷等静压成型处理在冷等静压机内进行。处理压力具体为120MPa?300MPa，优选为120MPa?250MPa。在上述压力条件下，保压时间优选为5S?60S。本发明对冷等静压成型的压力进行优选，进一步对保压时间进行限定，有利于提高氮化硅陶瓷升液管的素坯的致密度。
[0027]本发明所述的方法中，步骤(4)所述气压烧结在气压烧结炉内进行。气压烧结的条件具体为:以氮气为保护气，1700?1900°C、0.1MPa?1MPa条件下烧结。在上述条件下，烧结的时间优选为Ih?2.5h。本发明对气压烧结的温度和压力进行优选，进一步对烧结时间进行限定，有利于提高氮化硅陶瓷升液管的成品的致密性。
[0028]步骤(4)中的烧结方式优选是吊烧或卧式中的一种，其过程中产品高度方向保持均匀的收缩形变以及较高的垂直度。
[0029]作为本发明的优选方案，所述制备方法包括以下步骤:
[0030](I)按用量取各原料，加入去离子水，所述原料与去离子水的重量比为1:1?1.5;在立式循环搅拌磨中研磨4h?24h，得料浆；
[0031 ] (2)将所述浆料边搅拌边进行喷雾干燥处理，获得粒径D5q为50μπι?80μπι的造粒原料粉体；
[0032](3)将所述造粒原料粉体填充入模具中，置于冷等静压机内，在120MPa?250MPa进行冷等静压处理，保压时间为5S?60S，制成坯体；
[0033](4)步骤(3)所得坯体在气压烧结炉内，以氮气为保护气在1700?1900 °C、0.1MPa?1MPa条件下进行气压烧结Ih?2.5h，获得氮化硅升液管。
[0034]本发明所述方法中，烧结结束后无需对胚体进行加工，即可获得氮化硅升液管产品O
[0035]本发明提供的制备方法中，对具体操作以及参数进行优选，各个步骤之间发挥协同作用，制备得到的氮化硅陶瓷升液管具有密度高、硬度高、抗弯强度高、断裂韧性强等特点，且使用寿命长，可以在常规的低压铸铝机上可连续使用一年以上。
[0036]本发明进一步保护所述的氮化硅陶瓷升液管在低压铸铝上的应用。具体可作为低压铸铝机中的部件。
[0037]本专利通过对材料体系的选择、喷雾造粒、冷等静压近净尺寸成型、气压烧结设备改造设计、工装设计以及烧结工艺的研究，解决铸铝行业中氮化硅升液管的生产制备问题，从而可以通过提高国内铸铝行业中关键部件的品质，大大改善铝铸造生产效率，降低生产成本，有利于铝铸件在国内市场的快速发展和更新换代提高国内铝铸造行业的竞争力，另外，可突破国外氮化硅企业在该行业中的垄断地位，提高我国氮化硅陶瓷水平在全球的认知度。
【具体实施方式】
[0038]以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0039]以下实施例中所有涉及的原料都为已知的市售产品。
[0040]为了适应实际生产的需要，并与本发明提供的技术方案相适应，本发明提供的氮化硅陶瓷升液管的规格均为Φ178* Φ 100*860。
[0041 ] 实施例1
[0042]本实施例提供了一种氮化硅陶瓷升液管，其由如下原料制成:氮化硅粉85kg，氧化?乙5kg，氧化招7kg，氧化铺3kg。
[0043]本实施例同时提供所述氮化硅陶瓷升液管的制备方法，具体步骤为:
[0044](I)取各原料，加入去离子水，所述原料的总重量与去离子水的重量之比为1:1，在立式循环搅拌磨中研磨I Oh，得料浆；
[0045](2)将所述浆料边搅拌边进行喷雾干燥处理，获得粒径D5q为50μπι的造粒原料粉体；
[0046](3)将所述造粒原料粉体填充入模具中，置于冷等静压机内，在120MPa进行冷等静压处理，保压时间为20s，制成坯体；
[0047](4)步骤(3)所得坯体在气压烧结炉内，以氮气为保护气在1730°C、6MPa条件下进行气压烧结，保温时间为2h，获得氮化硅升液管。
[0048]在本实施例所得的升液管上进行取样检测(采用业内惯用方法进行检测)，产品指标具体为:平均密度为3.25g/cm3，三点抗弯强度71MPa，断裂韧性7.2MPa.m1/2，维氏硬度1560，线膨胀系数3.0*10—6/K，泊松比0.28，气孔度彡0.06%。经检测，本实施例提供的升液管在常规的低压铸铝机上可连续使用超过一年。
[0049]实施例2
[0050]本实施例提供了一种与实施例1类似的氮化硅陶瓷升液管，区别点在于，制备所述氮化硅陶瓷升液管的配方不同，具体为:氮化硅粉88kg，氧化钇4kg，氧化铝4kg，氧化铈4kg，制备方法完全同实施例1。
[0051]在同等条件下检测相关性能，本对比例具体产品指标与实施例1无显著差异。
[0052]实施例3
[0053]本实施例提供了一种与实施例1类似的氮化硅陶瓷升液管，区别点在于，制备所述氮化硅陶瓷升液管的配方不同，具体为:氮化硅粉86kg，氧化钇5kg，氧化铝6kg，氧化铈3kg，制备方法完全同实施例1。
[0054]在同等条件下检测相关性能，本对比例具体产品指标与实施例1无显著差异。
[0055]实施例4
[0056]本实施例提供了一种与实施例1类似的氮化硅陶瓷升液管，区别点在于，制备所述氮化硅陶瓷升液管的配方不同，具体为:氮化硅粉85kg，氧化钇6kg，氧化铝7kg，氧化铈2kg，制备方法完全同实施例1。
[0057]在同等条件下检测相关性能，本对比例具体产品指标如下:平均密度为3.24g/cm3，抗弯强度690MPa，断裂韧性6.5MPa.m1/2，维氏硬度1500，其余参数与实施例1无显著差升。
[0058]实施例5
[0059]本实施例提供了一种氮化硅陶瓷升液管，其由如下原料制成:氮化硅粉88kg，氧化?乙4kg，氧化镁5kg，碳化钛3kg。
[0060]本实施例同时提供所述氮化硅陶瓷升液管的制备方法，具体步骤为:
[0061](I)取各原料，加入去离子水，所述原料的总重量与去离子水的重量之比为1:1.5，在立式循环搅拌磨中研磨Sh，得料浆；
[0062](2)将所述浆料边搅拌边进行喷雾干燥处理，获得粒径D5q为60μπι的造粒原料粉体；
[0063](3)将所述造粒原料粉体填充入模具中，置于冷等静压机内，在150MPa进行冷等静压处理，保压时间为30s，制成坯体；
[0064](4)步骤(3)所得坯体在气压烧结炉内，以氮气为保护气在1800 V、1MPa条件下进行气压烧结，保温时间为I h，获得氮化硅升液管。
[0065]在本实施例所得的升液管上进行取样检测，产品指标具体为:密度为3.26g/cm3，三点抗弯强度为800MPa，断裂韧性7MPa.mV2，维氏硬度1620，线膨胀系数3.05*10—6/K，泊松比0.27，气孔度<0.02%。经检测，本实施例提供的升液管在常规的低压铸铝机上可连续使用超过一年。
[0066]实施例6
[0067]本实施例提供了一种与实施例5类似的氮化硅陶瓷升液管，区别点在于，制备所述氮化硅陶瓷升液管的配方不同，具体为:氮化硅粉89kg，氧化钇4kg，氧化镁4kg，碳化钛3kg，制备方法完全同实施例5。
[0068]在同等条件下检测相关性能，本对比例具体产品指标与实施例5无显著差异。
[0069]实施例7
[0070]本实施例提供了一种与实施例5类似的氮化硅陶瓷升液管，区别点在于，制备所述氮化硅陶瓷升液管的配方不同，具体为:氮化硅粉90kg，氧化钇5kg，氧化镁4kg，碳化钛Ikg，制备方法完全同实施例5。
[0071]在同等条件下检测相关性能，本对比例具体产品指标与实施例5无显著差异。
[0072]实施例8
[0073]本实施例提供了一种氮化硅陶瓷升液管，其由如下原料制成:氮化硅粉92kg，氧化招5kg，氧化乾3kg。
[0074]本实施例同时提供所述氮化硅陶瓷升液管的制备方法，具体步骤为:
[0075](I)取各原料，加入去离子水，所述原料的总重量与去离子水的重量之比为1:1.2，在立式循环搅拌磨中研磨4h，得料浆；
[0076](2)将所述浆料边搅拌边进行喷雾干燥处理，获得粒径D5q为80μπι的造粒原料粉体；
[0077](3)将所述造粒原料粉体填充入模具中，置于冷等静压机内，在250MPa进行冷等静压处理，保压时间为40s，制成还体；
[0078](4)步骤(3)所得坯体在气压烧结炉内，以氮气为保护气在1800°C、0.5MPa条件下进行气压烧结，保温时间为2.5h，获得氮化硅升液管。
[0079]在本实施例所得的升液管上进行取样检测，产品指标具体为:密度为3.24g/cm3，三点抗弯强度为730MPa，断裂韧性7.5MPa.m1气维氏硬度1520，线膨胀系数3.1*10—6/K，泊松比0.26，气孔度<0.06%。经检测，本实施例提供的升液管在常规的低压铸铝机上可连续使用超过一年。
[0080]实施例9
[0081]本实施例提供了一种与实施例8类似的氮化硅陶瓷升液管，区别点在于，制备所述氮化硅陶瓷升液管的配方不同，具体为:氮化硅粉90kg，氧化铝5kg，氧化钇5kg，制备方法完全同实施例8。
[0082]在同等条件下检测相关性能，本对比例具体产品指标与实施例8无显著差异。
[0083]实施例10
[0084]本实施例提供了一种与实施例8类似的氮化硅陶瓷升液管，区别点在于，制备所述氮化硅陶瓷升液管的配方不同，具体为:氮化硅粉91kg，氧化铝4kg，氧化钇5kg，制备方法完全同实施例8。
[0085]在同等条件下检测相关性能，本对比例具体产品指标与实施例8无显著差异。
[0086]对比例I
[0087]本对比例提供了一种已知的类似氮化硅陶瓷升液管，具体为市售的国内某厂家生产的氮化娃升液管。
[0088]在同等条件下检测相关性能，本对比例具体产品指标如下:平均密度为3.24g/cm3，抗弯强度652MPa，断裂韧性6.1MPa.m1/2，维氏硬度1481。
[0089]对比例2
[0090]本对比例提供了一种与实施例1类似的氮化硅陶瓷升液管，区别点在于，制备所述氮化硅陶瓷升液管的配方不同，具体为:氮化硅粉83kg，氧化钇6kg，氧化铝9kg，氧化铈2kg，制备方法完全同实施例1。
[0091]在同等条件下检测相关性能，本对比例具体产品指标如下:平均密度为3.23g/cm3，抗弯强度632MPa，断裂韧性6.7MPa.m1/2，维氏硬度1480。
[0092]对比例3
[0093]本对比例提供了一种与实施例1类似的氮化硅陶瓷升液管，制备所述加热器保护管的配方完全同实施例1，区别点在于制备方法不同，具体为:步骤(I)中原料混磨时间为2h;步骤(2)获得D5q为120μπι的造粒原料粉体。
[0094]在同等条件下检测相关性能，本对比例具体产品指标如下:平均密度为3.23g/cm3，抗弯强度680MPa，断裂韧性7.2MPa.m1/2，维氏硬度1460。
[0095]虽然，上文中已经用一般性说明、【具体实施方式】及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
【主权项】
1.一种致密氮化硅陶瓷升液管，其特征在于，按重量份计，由包括以下成分的原料制备而成:氮化硅85?95份，烧结助剂5?15份;所述烧结助剂选自氧化铝、氧化镁、氧化钇、氧化铈、碳化钛中的一种或多种； 优选上述原料的总重量份为100份。2.根据权利要求1所述的氮化硅陶瓷升液管，其特征在于，由包括以下成分的原料制备而成:氮化硅85?88份，烧结助剂12?15份;所述烧结助剂由重量比4?5:4?7:3?4的氧化?乙、氧化铝和氧化铺组成； 优选上述原料的总重量份为100份。3.根据权利要求1所述的氮化硅陶瓷升液管，其特征在于，由包括以下成分的原料制备而成:氮化硅88?90份，烧结助剂10?12份;所述烧结助剂由重量比4?5:4?7:1?4的氧化?乙、氧化镁和碳化钛组成； 优选上述原料的总重量份为100份。4.根据权利要求1所述的氮化硅陶瓷升液管，其特征在于，由包括以下成分的原料制备而成:氮化硅90?92份，烧结助剂8?10份;所述烧结助剂由重量比3?5:3?5的氧化钇和氧化铝组成； 优选上述原料的总重量份为100份。5.权利要求1?4任意一项所述的氮化硅陶瓷升液管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)按用量取各原料，加入去离子水，充分研磨后得料浆； (2)将所述浆料进行喷雾干燥处理，获得粒径D5q为20μπι?ΙΟΟμπι的造粒原料粉体； (3)将所述造粒原料粉体填充入模具中，经过冷等静压成型处理，制成坯体； (4)步骤(3)所得坯体在惰性气体条件下进行气压烧结，获得氮化硅升液管。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(I)所述各原料的总重量与去离子水的重量之比为1:1?1.5; 所述研磨在立式搅拌磨中进行;优选为在立式搅拌磨中研磨4h?24h。7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，边搅拌边进行喷雾干燥； 优选获得粒径D5Q为50μπι?80μπι的造粒原料粉体。8.根据权利要求5?7任意一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述冷等静压成型处理具体为:在冷等静压机内，120MPa?300MPa条件下保压5S?60S; 优选为:在冷等静压机内，120MPa?250MPa条件下保压5S?60S。9.根据权利要求5?8任意一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述气压烧结具体为:在气压烧结炉内，以氮气为保护气，1700?1900°C、0.1MPa?1MPa条件下烧结Ih?2.5h010.权利要求1?4任意一项所述的氮化硅陶瓷升液管或权利要求5?9任意一项所述方法制备而成的氮化硅陶瓷升液管在低压铸铝上的应用。
【文档编号】C04B35/626GK105906348SQ201610230674
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月14日
【发明人】庄新江, 张伟儒, 徐鹏, 王腾飞, 韦中华, 邹景良, 张哲 , 孙峰
【申请人】北京中材人工晶体研究院有限公司, 中材高新氮化物陶瓷有限公司