技术领域本发明涉一种螺纹式碳化硅陶瓷复合材料研磨桶及制备方法，属于碳化硅制品技术领域。
背景技术：
研磨桶是研磨机用于研磨的主体装置，在生产过程中要持续受到物料的撞击。研磨桶的性能直接影响到研磨装置的使用寿命、研磨效率和精度。为解决普通研磨桶发热快、韧性差和使用寿命低等问题，研究者采用了很多方法对研磨桶进行改进。目前研磨桶主要采用三种材质：1、不锈钢材料；不锈钢表面渗氮制作的研磨桶，但使用寿命短，且会有各种金属离子污染物料，只能加工莫氏硬度5级以下的物料，2、聚氨酯材料；造价低，但聚氨酯散热性能差，软化温度低(仅为80℃)，在研磨过程中物料温度急剧上升，使聚氨酯熔入物料，使物料的纯度下降，甚至报废。3、碳化硅材料；碳化硅陶瓷具有硬度高，耐强温、耐氧化、耐腐蚀，高温强度高，分解温度高(高于2400℃)，化学稳定性好，抗热震性好，热导率高优点，在工业窑炉、石油、冶金、化工、机械、航空航天等诸多领域有广泛的应用。然而在实际应用中发现，纯碳化硅陶瓷研磨桶的韧性、散热效率和抗热震性较差，尤其是反应烧结碳化硅中游离硅的存在导致材料具有较高的脆性，使其在金属溶液急冷急热的工况条件下容易断裂。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明提供一种螺纹式碳化硅陶瓷复合材料研磨桶，该研磨桶以碳纤维为增韧增强相，以螺纹为辅助散热结构，韧性好、散热效率高，使用寿命长。本发明提供一种螺纹式碳化硅陶瓷复合材料研磨桶的制备方法。本发明的第二目的是提供一种螺纹式碳化硅陶瓷复合材料研磨桶在研磨机中的应用。本发明是采用以下技术方案实现的：一种螺纹式碳化硅陶瓷复合材料研磨桶，所述研磨桶为圆桶型，在研磨桶的外表面设置有凹凸相间的螺纹结构，螺纹结构连续延伸至研磨桶两端的装配口处，研磨桶的厚度为8-40mm，螺纹结构的螺纹底径与螺距的比值为5-25，螺纹结构的齿宽为3-12mm，齿高为5-20mm。本发明优选的，所述研磨桶采用碳化硅复合材料制得，碳化硅复合材料中碳化硅与碳化硼的质量含量大于等于85wt％，以碳化硅复合材料的总重量计。本发明优选的，研磨桶桶壁厚度为20-30mm。本发明优选的，螺纹底径与螺距的比值为10-15mm。本发明优选的，螺纹结构的齿宽为4-6mm。本发明优选的，螺纹结构的齿高为10-20mm。本发明优选的，碳化硅复合材料，原料重量份如下：碳化硅粉70～80份，碳化硼粉5～10份，炭粉4～10份，短切碳纤维5～10份，粘结剂1～8份。本发明优选的，碳化硅复合材料，原料重量份如下：碳化硅粉70～80份，碳化硼粉5～10份，炭粉6～8份，短切碳纤维5～10份，粘结剂2～3份。本发明优选的，所述的短切碳纤维直径为6～20μm，平均长度为3～10mm。所述粘结剂为聚乙烯醇和/或聚乙烯吡咯烷酮。上述螺纹式碳化硅陶瓷复合材料研磨桶的制备方法，包括配料、成型、加工、热处理、高温烧结，步骤如下：(1)配料和混料：按配比取碳化硅粉、碳化硼粉、短切碳纤维，加入炭粉、粘结剂和水按混合均匀，调节浆料的粘度至500-800mPa·S；(2)成型：将制得浆料，浆料经注浆成型得到碳化硅复合材料坯体；(3)预烧：研磨桶坯体在氮气气氛中进行热处理，热处理温度为800-1000℃，保温时间为2-4小时，得热处理后的研磨桶坯体；(4)生坯加工：将成型后的碳化硅复合材料坯体机械加工制得研磨桶坯体，研磨桶坯体在研磨桶的外表面设置有凹凸相间的螺纹结构，螺纹结构从研磨桶下部连续延伸至研磨桶上部；(5)将加工后的研磨桶坯体于高温烧结炉中烧结，烧结温度为1500-1800℃，保温时间为2-6小时，自然冷却至室温，得螺纹式碳化硅陶瓷复合材料研磨桶。本发明优选的，步骤(1)中短切碳纤维加入前，先按如下方法进行处理：将短切碳纤维置于惰性气体保护气氛下于700-900℃下煅烧30-90min，然后，在超声波清洗机中以乙醇为介质分散40-80min，再加入物料中；所述的惰性气体为氮气，超声频率为40～100KHZ。本发明优选的，步骤(1)中水的加入量占碳化硅粉、碳化硼粉、短切碳纤维、炭粉和粘结剂物料总质量的20～40％。本发明优选的，粘结剂的加入量占物料总量的1-8wt％，优选的，粘结剂的加入量占物料总量的2-3wt％，炭粉的加入量占物料总量的5-10wt％，优选的，炭粉的加入量占物料总量的6-8wt％。本发明优选的，步骤(3)将研磨桶坯体置于充满氮气的真空石墨电阻炉中进行热处理，热处理温度在850-950℃，保温时间为3-4小时，升温速率为2-4℃/min。本发明优选的，步骤(4)所述热处理后的研磨桶坯体称重后，将0.6-1.5倍的硅置于研磨桶生坯的底部，在真空条件下高温烧结炉中烧结，烧结温度为1600-1700℃，保温时间为4-6小时，升温速率为1-5℃/min。本发明的螺纹式碳化硅陶瓷复合材料研磨桶应用在研磨机上。本发明通过将研磨桶的外壁设计成连续的螺纹结构，并采用碳化硅陶瓷复合材料，获得了意想不到的效果，其耐磨性和韧性增大、散热效率显著提高，能够用于加工质量和精度要求较高的物料。本发明提供了一种螺纹式碳化硅陶瓷复合材料研磨桶及其制备方法，所采用的材料为反应烧结碳化硅陶瓷复合材料。研磨桶设计的形状为圆柱型，冷却介质从研磨机的进水口进入到碳化硅复合材料研磨桶与研磨机外壳的内腔，沿着螺纹通道从另一端研磨机的出水口流出，具体见图3。这种设计增大了研磨桶壁与冷却介质的接触面积，使研磨桶的散热效率提高。此外，本发明还提供了该碳化硅陶瓷复合材料研磨桶的制备方法，可以通过注浆成型，陶瓷坯体的机械加工，然后经预烧、真空反应烧结制备。根据本发明制备的碳化硅陶瓷复合材料研磨桶，耐磨性和韧性好、散热效率高，能够用于对纯度要求高、研磨时间较长的材料的加工，广泛应用于能源、涂料、机械制造等各个行业。所述的研磨桶螺纹的进出口尺寸由实际使用介质流量和压力确定，其没有具体限制，只要不对本发明的发明目的产生限制即可。本发明的优点：1.本发明通过添加碳化硼粉提高了研磨桶硬度和耐磨性，减少了加工过程中杂质的引入，简化了经研磨的物料后期的提纯工作。2.本发明通过引入碳纤维增强增韧，提高了研磨桶的断裂韧性和抗热震性能，使其使用寿命显著提高；3.本发明通过在素坯上车制螺纹，增加散热面积，提高了研磨桶的散热效率，大大提高了生产效率。附图说明图1为本发明的螺纹式碳化硅陶瓷复合材料研磨桶的结构示意图；图2为图1螺纹式碳化硅陶瓷复合材料研磨桶A-A方向的剖视结构示意图；图3为本发明的研磨桶装配成研磨机的剖视结构示意图。其中：1、研磨桶，2、螺纹结构，3、原料进口，4、物料出口，5、研磨机外壳，6、研磨机进水口，7、研磨机出水口，8、装配端封口；Φ3-Φ1为研磨桶桶壁厚度，L1为研磨桶的高度，L2为装配口的深度，Φ3为研磨桶的外径，Φ1为研磨桶的内径，Φ4为螺纹素坯外径，L3为螺纹结构的螺距，L4为螺纹结构的齿宽，b为螺纹结构的齿高；具体实施方式下面结合具体实施例进一步阐述本发明。这些实施例仅用于说明本发明，而不用于限制本发明的范围。除非另外说明，本发明中所有的份数为重量份，所有的本分比为重量百分比。实施例1一种螺纹式碳化硅陶瓷复合材料研磨桶，结构如图1、图2所示，所述研磨桶为圆桶型，在研磨桶的外表面设置有凹凸相间的螺纹结构，螺纹结构连续延伸至研磨桶两端的装配口处，研磨桶的厚度为8.5mm，螺纹结构的螺纹底径与螺距的比值为10，螺纹结构的齿宽为6mm，齿高为12mm。本发明优选的，所述研磨桶采用碳化硅复合材料制得，碳化硅复合材料中碳化硅与碳化硼的质量含量大于等于85wt％，以碳化硅复合材料的总重量计。碳化硅复合材料，原料重量份如下：碳化硅粉75份，碳化硼粉5份，炭粉8份，短切碳纤维8份，粘结剂4份。螺纹式碳化硅陶瓷复合材料研磨桶的制备方法，包括配料、成型、加工、热处理、高温烧结，步骤如下：将1-20mm的短切碳纤维置于氮气气氛电炉中于750℃下煅烧50min，然后在超声波清洗机中以乙醇为介质分散60min，得到分散良好的短切纤维。按8wt％处理后的短切碳纤维、8wt％炭粉、75wt％碳化硅粉、5wt％碳化硼粉、4wt％PVP粘结剂以及所有固体原料30％的水。在常压下、温度25℃、注浆成型成形Φ380×Φ345mm×520的素坯，吸浆时间为4小时。将坯体在50℃的低温室烘干48小时，然后移入温度为80℃的高温室烘干48小时。坯体完全干燥后，将成型体在氮气气氛保护下进行热处理，热处理的温度为800℃，保温时间为4小时，升温速率为2℃/min。然后将预烧后的坯体在数控机床上进行加工。加工后的螺纹素坯外径为374mm，螺纹桶内径为353.5mm，研磨桶桶壁厚度8.5mm，螺距为30mm，齿宽为6mm、齿高为12mm。在真空、负压条件下，热处理后的成型体进行反应烧结，硅粉称取量为需硅量的1.2倍。反应烧结的最高温度为1700℃，保温时间2.5小时。随炉冷却，即可制得螺纹式碳化硅复合材料研磨桶毛坯。将经过清理后的螺纹式研磨桶的毛坯安装到加工设备上，进行精加工。产品的内径控制在350±0.1mm，产品的外径控制在370±0.03mm，产品的光洁度达到1.6，保证产品在安装时的紧密结合。经检测，所得到的螺纹式炭/碳化硅复合材料研磨桶耐磨性为0.86，断裂韧性为4.94MPa·m1/2，散热效率提高78％。实施例2：一种螺纹式碳化硅陶瓷复合材料研磨桶，结构如图1、图2所示，所述研磨桶为圆桶型，在研磨桶的外表面设置有凹凸相间的螺纹结构，螺纹结构连续延伸至研磨桶两端的装配口处，研磨桶的厚度为15mm，螺纹结构的螺纹底径与螺距的比值为10，螺纹结构的齿宽为8mm，齿高为15mm。本发明优选的，所述研磨桶采用碳化硅复合材料制得，碳化硅复合材料中碳化硅与碳化硼的质量含量大于等于85wt％，以碳化硅复合材料的总重量计。碳化硅复合材料，原料重量份如下：碳化硅粉70份，碳化硼粉10份，炭粉5份，短切碳纤维10份，粘结剂5份。螺纹式碳化硅陶瓷复合材料研磨桶的制备方法，包括配料、成型、加工、热处理、高温烧结，步骤如下：将5-10mm的短切碳纤维置于氮气气氛电炉中于800℃下煅烧30min，然后在超声波清洗机中以乙醇为介质分散40min，得到分散良好的短切纤维。按10wt％处理后的短切碳纤维、5wt％炭粉、70wt％碳化硅粉、10wt％碳化硼粉、6wt％PVP配料以及所有固体原料30％的水。在常压下、温度25℃、注浆成型成形Φ430×Φ400mm×550的素坯，吸浆时间为6小时。将坯体在40℃的低温室烘干72小时，然后移入温度为90℃的高温室烘干36小时。坯体完全干燥后，将坯体在氮气气氛下预烧，预烧温度为1000℃，保温2小时，升温速率为4℃/min。将预烧后的坯体，在数控机床上进行加工。加工后的螺纹素坯外径为434mm，螺纹桶内径为404mm，研磨桶桶壁厚度15mm，螺距为35mm，齿宽为8mm、齿高为15mm。在真空、负压条件下，对车制好的螺纹式碳化硅陶瓷复合材料研磨桶进行反应烧结，硅粉称取量为理论需硅量的1.5倍。反应烧结的最高温度为1600℃，保温时间4小时。随炉冷却，即可制得螺纹式碳化硅复合材料研磨桶毛坯。将经过清理后的螺纹式研磨桶的毛坯安装到加工设备上，进行精加工。产品的内径控制在400±0.1mm，产品的外径控制在430±0.03mm，产品的光洁度达到1.5，保证产品在安装时的紧密结合。经检测，所得到的螺纹式炭/碳化硅复合材料研磨桶耐磨性为0.53，断裂韧性为5.83MPa·m1/2，散热效率提高91％。实施例3：一种螺纹式碳化硅陶瓷复合材料研磨桶，结构如图1、图2所示，所述研磨桶为圆桶型，在研磨桶的外表面设置有凹凸相间的螺纹结构，螺纹结构连续延伸至研磨桶两端的装配口处，研磨桶的厚度为23mm，螺纹结构的螺纹底径与螺距的比值为10，螺纹结构的齿宽为9mm，齿高为18mm。本发明优选的，所述研磨桶采用碳化硅复合材料制得，碳化硅复合材料中碳化硅与碳化硼的质量含量大于等于85wt％，以碳化硅复合材料的总重量计。碳化硅复合材料，原料重量份如下：碳化硅粉80份，碳化硼粉8份，炭粉4份，短切碳纤维6份，粘结剂2份。螺纹式碳化硅陶瓷复合材料研磨桶的制备方法，包括配料、成型、加工、热处理、高温烧结，步骤如下：将10-15mm的短切碳纤维置于氮气气氛电炉中于900℃下煅烧30min，然后在超声波清洗机中以乙醇为介质分散40min，得到分散良好的短切纤维。按6wt％短切碳纤维、4wt％炭粉、80wt％碳化硅粉、8wt％碳化硼粉、2wt％PVP配料以及所有固体原料25％的水。在常压下、温度25℃、注浆成型成形Φ480×Φ440mm×600的素坯，吸浆时间为8小时。将坯体在40℃的低温室烘干96小时，然后移入温度为80℃的高温室烘干48小时。坯体完全干燥后，在氮气气氛下热处理，热处理温度为900℃，保温4小时，升温速率为3℃/min。然后将预烧后的坯体在数控机床进行加工。加工后的螺纹素坯外径为485mm，螺纹桶内径为444mm，研磨桶桶壁厚度23mm，螺距为36mm，齿宽为9mm、齿高为18mm。将成型体在真空、负压条件下，对热处理过的螺纹状碳化硅陶瓷复合材料研磨桶进行反应烧结，硅粉称取量为理论需硅量的1.3倍。反应烧结的最高温度为1650℃，保温时间6小时。随炉冷却，即可制得螺纹式碳化硅陶瓷复合材料研磨桶毛坯。将经过清理后的螺纹式研磨桶的毛坯安装到加工设备上，进行精加工。产品的内径控制在440±0.1mm，产品的外径控制在480±0.03mm，产品的光洁度达到1.6，保证产品在安装时的紧密结合。经检测，所得到的螺纹式炭/碳化硅复合材料研磨桶耐磨性为0.65，断裂韧性为4.49MPa·m1/2，散热效率提高73％。需要说明的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例，显然本发明不仅仅限于以上实施例，还可以有其他变形。本领域的技术人员从本发明公开内容直接导出或间接引申的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。对比例1一种螺纹式碳化硅陶瓷复合材料研磨桶，同实施例1，不同之处在于：加工后的研磨桶素坯外径为374mm，内径为353.5mm，无螺纹。同时向两个研磨桶中加入30L物料，颗粒尺寸为2-6mm，研磨1h。经检测，设对比例1中研磨桶的散热效率为1，则实施例1中研磨桶的散热效率为1。对比例2一种螺纹式碳化硅陶瓷复合材料研磨桶，同实施例1，不同之处在于，螺纹结构的螺纹底径与螺距的比值为35，齿宽为20mm、齿高为4mm。同时向两个研磨桶中加入30L物料，颗粒尺寸为1-4mm，研磨1h。经检测，对比例2散热效率为1.21％。对比例3一种螺纹式碳化硅陶瓷复合材料研磨桶，同实施例1，不同之处在于：按15wt％炭粉、80wt％碳化硅粉、5wt％PVP配料以及所有固体原料30％的水，配制物料。上述物料制备的研磨桶，经检测所得到的螺纹式炭/碳化硅复合材料研磨桶耐磨性为1.1，断裂韧性为3.96MPa·m1/2。实验例：将实施例1-3及对比例1-3应用于研磨机中，研磨机的型号为LSML-50、LSML-60、LSML-80及LSM-50、LSMD-50、LSD-50。研磨机分别放入介质为0.8-2.0mm的氧化锆球，制备超细氧化锆粉体，物料的颗粒尺寸为0.5-1mm。根据研磨机的不同，加入相对应重量的介质和物料，研磨1小时，测试散热效率，并且根据相应的标准测试对应材料的耐磨性及断裂韧性。项目实施例1实施例2实施例3对比例1对比例2对比例3散热效率η1.731.911.7811.211.0.8耐磨性0.860.530.650.860.861.1断裂韧性(MPa·m1/2)4.945.834.494.944.943.96