氮化硼涂料及使用方法
【专利摘要】本发明属于耐火材料领域，主要涉及一种氮化硼涂料及使用方法。该涂料主要用于特种耐火材料，通过附着在耐火材料表面或者渗透于耐火材料工作层，来提高耐火材料的使用性能，氮化硼粒度介于20微米至50微米之间，所述氮化硼的质量含量30%～85%，涂料中的氧化硼质量含量在2%到5%之间。本发明以大粒度氮化硼粉和氧化硼为主体，低温阶段，氧化硼熔化，形成高粘度熔体，强化氮化硼涂料的附着力，同时由于液相的存在，氧化硼也起到助烧的作用，高温时，氧化硼发生氮化反应转化成氮化硼，这种经反应生成的氮化硼具有较高的活性，可促进氮化硼涂料的烧结，由于大粒度氮化硼粉的存在，最终形成的涂层不会烧结致密，涂层烧成收缩率小，避免与基体脱离。
【专利说明】氮化硼涂料及使用方法
【技术领域】[0001]本发明属于耐火材料领域，主要涉及一种氮化硼涂料及使用方法。
【背景技术】
[0002]氮化硼(化学式:BN)无明显熔点，最高使用温度可达到2800°C，具有六方和立方两种晶体，常见的为六方晶体，六方氮化硼属于片状六方结构，它具有熔点高、线膨胀系数小、热导率大等优点，还具有抗热震性好、高温绝缘性高、高温润滑性和抗侵蚀性好等优点。近些年，一些科研工作者利用氮化硼的这些特性研制出各种氮化硼涂料，通过将氮化硼涂抹在耐火材料表面来利用氮化硼的上述优点，由于六方氮化硼也存在难于烧结的问题，一般在涂料中加入各种“易烧结体”或者使用超细微粉来实现烧结，缺点在于加入“易烧结体”易引入杂质，造成使用温度不高，如常见的氮化硼一氧化铝体系的氮化硼涂料，就是在涂料中加入一定比例的氧化铝，由于氧化铝在1600°C即可烧结，实现涂层的硬化，但由于氧化铝的耐高温性能较氮化硼低，纯氧化铝耐火材料使用温度在1800°C以下，这就决定这种涂料的使用温度不会超过2000°C ;而加入超细微粉会造成烧成收缩比大，如以5微米以下粒度的氮化硼为主体、以纳米氮化硼促烧的纯氮化硼涂料，这种涂料优点在于最终形成的氮化硼涂层中，氮化硼含量高，耐温高，缺点在于涂层致密化，烧成收缩大，如氧化锆砂砖的烧成收缩率在0.5%到1%之间，而这种易致密化的涂层烧成收缩在3%以上，如使用这种涂料涂抹在氧化锆砂砖表面，两种材质烧成收缩率差异很大，很容易造成涂层裂纹或与所涂抹的基体材料分层脱离。
[0003]氧化硼(B2O3),又称三氧化二硼，硼酐等，熔点470°C，在耐火材料领域，常被用做助烧剂来使用，如在硅质干式捣打料中，引入少量的氧化硼，在颗粒与基质之间形成一个润湿带，促进烧结。
[0004]在耐火材料领域，氮化硼涂料在使用时，一般是直接涂抹在耐火材料制品表面上，经干燥后直接使用，工序较简单，操作性强，缺点在于涂层没有硬化，如果使用温度低于涂料的烧结温度，会造成涂层强度不高，易粉化、脱落。
【发明内容】
[0005]为解决氮化硼涂料在使用过程中遇到的上述问题，本发明提出一种氮化硼涂料及使用方法，该种涂料以大粒度氮化硼粉和氧化硼为主体，低温阶段，氧化硼熔化，形成高粘度熔体，强化氮化硼涂料的附着力，同时由于液相的存在，氧化硼也起到助烧的作用，高温时，氧化硼发生氮化反应转化成氮化硼，这种经反应生成的氮化硼具有较高的活性，可促进氮化硼涂料的烧结，由于大粒度氮化硼粉的存在，最终形成的涂层不会烧结致密，涂层烧成收缩率小，避免与基体脱离。
[0006]本发明是通过以下技术方案来实现其发明目的的:
一种氮化硼涂料，通过附着在耐火材料表面或者渗透于耐火材料工作层，来提高耐火材料的使用性能，其特征在于:所述涂料中具有氮化硼和氧化硼，所述氮化硼粒度介于20微米至50微米之间，所述氮化硼的质量含量30%~85%，所述氧化硼质量含量在2%到5%之间。
[0007]所述的氮化硼为六方氮化硼。
[0008]所述的氧化硼可以是直接添加的，也可以是由先加入硼酸经脱水转换形成的。
[0009]本发明还涉及一种氮化硼涂料的使用方法，主要包括以下步骤:
1、将涂料搅拌2分钟至15分钟；
2、将涂料均匀涂抹在基体表面，或者浸入基体工作面；
3、将涂抹完毕的基体放于干燥箱，110°C干燥2小时至5小时；
4、干燥后的基体放入氨气炉，通氨气于900°C~1000°C进行氮化反应2小时至5小时；
5、通氮气保护，继续加热至1600°C，并保温3小时至5小时，氮化硼涂层烧结硬化；
6、氮气保护，根据基体材质继续加热至基体烧成温度或完成烧结。
[0010]采用本涂料及使用方法，当温度超过470°C，氧化硼转化成液态，氧化硼熔体具有较高的粘度，提高氮化硼与基体材料的附着力防止脱落，氧化硼熔体存在于氮化硼周围，整个涂层及基体就处于液相一固相的烧结状态，可促进氮化硼及基体在低温段的烧结，当温度达到1000°c，氧化硼完成氮化，形成氮化硼分子，这种反应生成的氮化硼分子具有极高的活性，可以促进氮化硼在中高温阶段的烧结。
[0011]采用本涂料及使用方法，涂层经1600°C~1800°C烧成，具有一定的强度，在应用于1600°C以下的环境时，不会造成涂层的脱落，粉化；在应用于1600°C以上环境时，涂层会进一步烧结，但因大粒度氮化硼的存在而不会因烧结致密引起收缩过大。
[0012]采用本种涂料及使用方法，无需将氮化硼加工成超细微粉，无需添加其他易烧结体，既能解决氮化硼难烧结的问题，又因大粒度氮化硼的存在防止涂层烧结收缩过大造成裂纹，采用本涂料及使用方法，最终经高温处理形成的涂层，不同于一般的氮化硼涂层表面致密化，本种涂层由于大粒度氮化硼的存在，氮化硼粒之间搭建一个个密闭的小空间，使整个涂层会有一定量的气孔，可有效减小热应力对涂层的损坏，并可降低涂层的导热系数，氧化硼转化成氮化硼，最终形成的涂层中氮化硼含量会达到98%以上，有效提高整个耐火材料的使用效果。
【具体实施方式】
[0013]结合给出的实施例，对本发明加以说明:
实施例1，以中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司生产的氧化锆空心球砖(ZBB-98)为基体，该空心球制品，氧化锆含量为98% (质量百分比)显气孔率为63%
1、首先将基体在110°C下干燥3小时备用；
2、配制氮化硼涂料，粒度为50微米~40微米的氮化硼占涂料质量的30%，粒度为40微米~30微米的氮化硼占涂料质量的20%,粒度为30微米~20微米的氮化硼占涂料质量的35%，氧化硼占涂料质量的2%，水占涂料质量的10%，添加剂絮凝剂聚乙烯醇1%，减水剂三聚磷酸钠1%，消泡剂异辛醇1%，搅拌15分钟备用；
3、将基体工作面向下浸泡在氮化硼涂料中2小时，涂料渗透入工作层，取出基体，将表层涂抹平整，放入烘箱110°C干燥3个小时；
4、将基体放入氨气炉，通入氨气，以5°C /min的速度升温至500°C，在500°C下保温2小时，氧化硼完全液化，继续以2°C /min的速度升温至1000°C，在1000°C下保温2小时，保证氧化硼氮化完毕，改通氮气，继续以5°C /min的速度升温至1600°C，在1600°C保温3小时，完成涂料在氧化锆空心球砖上的烧结。
[0014]以此种方法制备的氧化锆空心球一氮化硼涂层复合砖，由于空心球砖显气孔率比较高，涂料很容易渗透到空心球砖内部，可以配制固含量较高的涂料，氮化硼涂料既存在于空心球砖表面，部分渗透于空心球砖工作层，在表面，氮化硼涂料起到防护作用，防止耐火材料与炉膛之间的交叉污染，在工作层内的氮化硼成为表层工作层的氮化硼在空心球砖上的“根”，牢牢将表层氮化硼固定在一起，防止剥落。
[0015]实施例2，以中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司生产的氧化锆砖(ZB-98)为基体，该氧化锆制品，氧化锆含量为98% (质量百分比)，显气孔率为22%
1、首先将基体在110°C下干燥3小时备用；
2、配制氮化硼涂料，粒度为50微米~40微米的氮化硼占涂料质量的5%，粒度为40微米~30微米的氮化硼占涂料质量的5%，粒度为30微米~20微米的氮化硼占涂料质量的20%，硼酸占涂料质量的3%，水占涂料质量的62%，添加剂絮凝剂聚乙烯醇3%，消泡剂异辛醇2%，搅拌15分钟备用；
3、将基体工作面向下浸泡在氮化硼涂料中2小时，涂料渗透入工作层，取出基体，将表层涂抹平整，放入烘箱110°C干燥3个小时；
4、将基体放入氨气炉，通入氨气，以2V /min的速度升温至200°C，在200°C下保温2小时，继续以2V /min的速度升温至1000°C，在1000°C下保温2小时，硼酸脱水形成氧化硼，并氮化成氮化硼，改通氮气，继续以5°C /min的速度升温至1600°C，在1600°C保温3小时，完成涂料在氧化锆砖上的烧结。
[0016]以此种方法制备的氧化锆一氮化硼涂层复合砖，由于氧化锆砖显气孔率相对较小，配制固含量稍小、氮化硼粒度偏小的涂料，便于涂料向氧化锆砖的渗透，氮化硼涂料既存在于氧化锆砖表面，部分渗透于氧化锆砖工作层，在表面，氮化硼涂料起到防护作用，防止耐火材料与炉膛之间的交叉污染，在工作层内的氮化硼成为表层工作层的氮化硼在氧化锆砖上的“根”，牢牢将表层氮化硼固定在一起，防止剥落。
[0017]实施例3:
1、用碾轮式混砂机混制氧化锆泥料，氧化锆+稳定剂≥98%(质量百分比)，以电熔好的氧化钙稳定氧化锆为原料，氧化钙含量4.1%，骨料中，5mm~3mm氧化钙稳定氧化锆砂15%，3mm~1mm氧化钙稳定氧化错砂30%,1mm~0.5mm氧化钙稳定氧化错砂30%,基质包括氧化钙稳定氧化锆粉0.5mm~100目10%，氧化钙稳定氧化锆粉100目~200目7%，氧化钙稳定氧化锆粉200目以下8%，以糊精为结合剂，碾轮式混砂机混合，通过摩擦压砖机压制成型，经110°C干燥后备用。
[0018]2、配制氮化硼涂料，粒度为40微米~30微米的氮化硼占涂料质量的5%，粒度为30微米~25微米的氮化硼占涂料质量的10%，粒度为25微米~20微米的氮化硼占涂料质量的25%，氧化硼占涂料质量的5%，水占涂料质量的47%，添加剂絮凝剂聚乙烯醇1.5%，消泡剂异辛醇1.5%，搅拌2分钟 备用；
3、将配制好的氮化硼涂料均匀涂抹在氧化锆砂砖坯体工作面上，将表层涂抹平整，放入烘箱110°C干燥3个小时；4、将基体放入氨气炉，通入氨气，以5°C /min的速度升温至500°C，在500°C下保温5小时，继续以2V /min的速度升温至1000°C，在1000°C下保温5小时，继续以5°C /min的速度升温至1800°C，在1800°C保温5小时，完成氧化锆砂砖的烧结，同时涂料也完成烧结。
[0019]以此种方法制备的氧化锆砂砖，在烧成氧化锆坯体的同时，也完成了涂层的烧成，原位反应生成的氮化硼可以同步促进氮化硼与氮化硼之间、氮化硼与氧化锆之间的烧结，涂层与基体烧结 在一起，达到提高耐火材料使用效果的目的。
【权利要求】
1.一种氮化硼涂料，该涂料主要用于特种耐火材料，通过附着在耐火材料表面或者渗透于耐火材料工作层，来提高耐火材料的使用性能，其特征在于:所述涂料中具有氮化硼和氧化硼，所述氮化硼粒度介于20微米至50微米之间，所述氮化硼的质量含量30%~85%，所述氧化硼质量含量在2%到5%之间。
2.如权利要求1所述的一种氮化硼涂料，其特征在于:所述的氧化硼是直接添加，或是由先加入硼酸经脱水转换形成的。
3.如权利要求1所述的一种氮化硼涂料，其特征在于:所述的氮化硼为六方氮化硼。
4.权利要求1所述氮化硼涂料的使用方法，其特征在于:主要包括以下步骤: 1)将涂料搅拌2分钟至15分钟； 2)将涂料均匀涂抹在耐火材料基体表面，或者浸入耐火材料工作面； 3)将涂抹完毕的基体放于干燥箱，110°C干燥2小时至5小时； 4)干燥后的耐火材料基体放入氨气炉，通氨气于900°C~1000°C进行氮化反应2小时至5小时； 5)通氮气保护，继续加热至1600°C，并保温3小时至5小时，氮化硼涂层烧结硬化； 6)氮气保护,根据耐火材料基体材`质继续加热至基体烧成温度或完成烧结。
【文档编号】C04B35/66GK103708843SQ201310705105
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年12月20日 优先权日:2013年12月20日
【发明者】闫双志, 孙红刚, 李鹏涛, 谭清华, 胡飘, 王刚, 施飞, 方旭 申请人:中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司