本发明涉及无机非金属材料技术领域，特别涉及一种改性氮化硼复合材料及其制备方法和一种侧封板。
背景技术：
双辊薄带连铸技术是一种新型的薄带钢生产工艺，可以省去连铸、加热和热轧等繁琐的工序，在较短的时间内由金属液体变为固态薄带的工艺。随着钢铁冶炼技术水平的不断提高，薄带连铸水平也亟需提高，而侧封板为薄带连铸技术关键部件，因此提高侧封板的性能是提高薄带连铸水平的关键因素。
连铸用侧封板要求必须具备耐高温、不与钢水发生化学反应，良好的抗钢液、钢渣侵蚀性，良好的抗热震性以抵抗钢液的冲刷性，还必须具备耐磨性以应对轧辊和钢带的磨损。同时，还要具备易机械加工性，以精确的加工侧封板的几何尺寸，适应侧封板的装配和使用过程操作简单。
目前国内外生产薄带连铸侧封板所使用的原材料均为氮化硼、氧化锆、碳化硅，外加一些添加剂，然而这些生产出的产品抗热震差、在高温时容易出现裂纹导致使用寿命短。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明目的在于提供一种改性氮化硼复合材料及其制备方法和一种侧封板。本发明提供的改性氮化硼复合材料作为薄带连铸侧封板抗热震性能好、在高温时不易开裂。
本发明提供了一种改性氮化硼复合材料，由包括以下质量百分含量的原料制备得到：
优选地，由包括以下质量百分含量的原料制备得到：
优选地，所述塞隆为β-sialon、α-sialon或o’-sialon。
优选地，所述添加剂包括氧化铝、氧化镁和氧化亿中的一种或多种。
本发明还提供了上述改性氮化硼复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将氮化硼、氧化锆、塞隆、碳化硅和添加剂进行研磨混合，得到混合粉料；
将所述混合粉料热压烧结成型，得到改性氮化硼复合材料。
优选地，所述研磨混合后所得粉料的粒径≤200目。
优选地，所述热压烧结成型包括以下步骤：
将所述混合粉料装入模具中，从室温第一升温至第一保温温度，进行第一保温；所述第一保温的温度为1550～1650℃，所述第一保温的时间为20～40min，所述第一保温的压强为3～5mpa；
将第一保温后的混合粉料第二升温至第二保温温度，进行第二保温；所述第二保温的温度为1700～1800℃，所述第二保温的时间为50～70min，所述第二保温的压强为8～12mpa；
将第二保温后的混合粉料第三升温至第三保温温度，进行第三保温；所述第三保温的时温度为1850～1950℃，所述第三保温的时间为50～70min，所述第三保温的压强为14～20mpa。
优选地，所述第一升温为将所述混合粉料装入模具中，从室温以10～20℃/min升温至800～1000℃，然后以5～10℃/min升温至1500～1600℃，然后以5～10℃/min升温至第一保温温度；
所述第二升温为从第一保温温度以3～5℃/min升温至第二保温温度；
所述第三升温为从第二保温温度以3～5℃/min升温至第三保温温度。
本发明还提供了一种侧封板，本发明提供的侧封板的材质为上述改性氮化硼复合材料或上述制备方法制备得到的改性氮化硼复合材料。
有益技术效果：本发明提供了一种改性氮化硼复合材料，由包括以下质量百分含量的原料制备得到：氮化硼50～80％；氧化锆8～20％；塞隆5～15％；碳化硅5～15％；添加剂1～5％。在本发明中，氮化硼具有耐高温，抗热震、热膨胀系数小、与金属不熔、易机械加工等性能，氧化锆的加入使材料具有良好的补强增韧作用，但是氧化锆在烧结体降温冷却过程产生马氏体相变，在相变过程中产生体积膨胀，并随之引起表面产生裂纹，这样会造成所得材料抗热震性能降低。而塞隆具有优越的抗热震性，抗氧化性以及与熔融金属具有很好的相容性和抗熔融金属的侵蚀性。特别是塞隆热膨胀系数小(2.4×10-6～3.2×10-6/k)，而氧化锆的热膨胀系数大(9.6×10-6～10.5×10-6/k)，当氧化锆在相变的过程中产生体积膨胀，塞隆起到钉扎的作用，抑制氧化锆晶面产生裂纹，保证改性氮化硼复合材料高温下不会产生开裂现象；同时，塞隆的弹性模量在250gpa左右，氧化锆的弹性模量为150gpa左右，这样高弹性模量的塞隆材料可以促进弹性模量较小的氧化锆相变应力明显提高，减少晶面裂纹的产生。实施例实验数据表明，本发明提供的改性氮化硼复合材料抗热震性能好，加热至1000℃，水冷40次不破裂。
具体实施方式
本发明提供了一种改性氮化硼复合材料，由包括以下质量百分含量的原料制备得到：
在本发明中，如无特殊说明，所用原料采用本领域技术人员所熟知的市售商品即可。
以质量百分含量计，本发明提供的改性氮化硼复合材料包括氮化硼50～80％，更优选为62～70％，最优选为65～68％。
以质量百分含量计，本发明提供的改性氮化硼复合材料包括氧化锆8～20％，更优选为10～15％。
以质量百分含量计，本发明提供的改性氮化硼复合材料包括塞隆5～15％，更优选为8～10％。在本发明中，所述塞隆优选为β-sialon、α-sialon或o’-sialon，更优选为o’-sialon。
在本发明中，所述氮化硼具有耐高温，抗热震性、热膨胀系数小、与金属不熔、易机械加工等性能；氧化锆具有高强度、高硬度、耐高温、耐碱腐蚀性、耐磨性等，且在热压烧结的过程中，随着温度的升高，具有晶型转变的特点。因此，可以提高侧封板的强度和韧性，从而增强耐钢液冲刷的能力。但是氧化锆在烧结体降温冷却过程产生马氏体相变，在相变过程中产生体积膨胀，并随之引起材料表面产生裂纹，这样会造成所得材料抗热震性能降低。而塞隆具有优越的抗热震性、抗氧化性以及与熔融金属具有很好的相容性和抗熔融金属的侵蚀性；特别是塞隆热膨胀系数小(2.4×10-6～3.2×10-6/k)，而氧化锆的热膨胀系数大(9.6×10-6～10.5×10-6/k)，当氧化锆在相变的过程中产生体积膨胀，塞隆起到钉扎的作用，抑制氧化锆晶面产生裂纹，保证改性氮化硼复合材料高温下不会产生开裂现象；同时，塞隆的弹性模量在250gpa左右，氧化锆的弹性模量为150gpa左右，这样高弹性模量的塞隆材料可以促进弹性模量较小的氧化锆相变应力明显提高，减少晶面裂纹的产生。
以质量百分含量计，本发明提供的改性氮化硼复合材料包括碳化硅5～15％，更优选为8～10％。在本发明中，碳化硅具有较高的强度、抗金属液体侵蚀的能力，加入一定量的碳化硅，有利于提高材料的抗热震稳定性，提高材料的抗氧化性，增强侧封板抵抗钢液侵蚀的能力，延长侧封板的使用寿命。
以质量百分含量计，本发明提供的改性氮化硼复合材料包括添加剂1～5％，更优选为2～3％。在本发明中，所述添加剂优选包括氧化铝、氧化镁和氧化亿中的一种或多种，更优选为氧化亿。本发明通过加入添加剂降低烧成温度，形成液相使材料更致密化。
本发明还提供了上述改性氮化硼复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将氮化硼、氧化锆、塞隆、碳化硅和添加剂进行研磨混合，得到混合粉料；
将所述混合粉料热压烧结成型，得到改性氮化硼复合材料。
本发明将氮化硼、氧化锆、塞隆、碳化硅和添加剂进行研磨混合，得到混合粉料。
本发明对混合的方法没有特殊限定，选用本领域技术人员熟知的混合方法即可。本发明对研磨混合的方法没有特殊限定，选用本领域技术人员熟知的研磨混合的方法即可，如球磨。在本发明中，所述研磨混合后所得混合粉料粒径优选为≤200目，更优选为≤150目。
得到混合粉料后，本发明将得到的混合粉料进行热压烧结成型，得到改性氮化硼复合材料。
在本发明中，所述热压烧结成型优选包括以下步骤：
将混合粉料装入模具中，从室温第一升温至第一保温温度，进行第一保温；所述第一保温的温度为1550～1650℃，所述第一保温的时间为20～40min，所述第一保温的压强为3～5mpa；
将第一保温后的混合粉料第二升温至第二保温温度，进行第二保温；所述第二保温的温度为1700～1800℃，所述第二保温的时间为50～70min，所述第二保温的压强为8～12mpa；
将第二保温后的混合粉料第三升温至第三保温温度，进行第三保温；所述第三保温的时温度为1850～1950℃，所述第三保温的时间为50～70min，所述第三保温的压强为14～20mpa。
本发明将混合粉料装入模具中，从室温第一升温至第一保温温度，进行第一保温；所述第一保温的温度为1550～1650℃，所述第一保温的时间为20～40min，所述第一保温的压强为3～5mpa。
在本发明中，所述混合粉料装入模具前还包括造粒。本发明对所述造粒的方法没有特殊限定，选用本领域技术人员熟知的造粒方法即可。本发明优选利用等静压机进行造粒。在本发明中，所述造粒所得颗粒的粒径优选为1～5mm，更优选为3～4mm。
在本发明中，所述第一保温的温度优选为1550～1650℃，进一步优选为1600℃；所述第一保温的时间优选为20～40min，进一步优选为30～35min；所述第一保温的压强优选为3～5mpa，进一步优选为4mpa。
在本发明中，所述第一升温优选为从室温以10～20℃/min升温至800～1000℃，然后以5～10℃/min升温至1500～1600℃，然后以5～10℃/min升温至第一保温温度；更优选为从室温以15℃/min升温至900～950℃，然后以7℃/min升温至1550℃，然后以以7℃/min升温至第一保温温度。在本发明中，所述第一保温的压强优选由在密闭条件下充氮气提供。在本发明中，当以5～10℃/min升温至1500～1600℃后开始充氮气至第一保温的压强。本发明对充氮气的速率没有特殊限定，选用本领域技术人员熟知的速率即可。本发明充入氮气时为了防止氮化硼发生氧化反应。加压至第一保温的压强进行预压，防止高温下混合粉料反弹。
第一保温后，本发明将第一保温后的混合粉料第二升温至第二保温温度，进行第二保温；所述第二保温的温度为1700～1800℃，所述第二保温的时间为50～70min，所述第二保温的压强为8～12mpa。
在本发明中，所述第二保温的温度为1700～1800℃，优选为1750℃；所述第二保温的时间为50～70min，优选为60～65min；所述第二保温的压强为8～12mpa，优选为10mpa。
在本发明中，所述第二升温优选为从第一保温温度以3～5℃/min升温至第二保温温度。在本发明中，所述第二升温的同时继续充氮气，使压强升至第二保温温度的压强。本发明对充氮气的速率没有特殊限定，选用本领域技术人员熟知的速率即可。本发明通过升温至第二保温温度进行保温和加压至第二保温温度的压强使添加剂能够充分的形成液相，更均匀的分布于材料中。
第二保温后，本发明将将第二保温后的混合粉料第三升温至第三保温温度，进行第三保温；所述第三保温的时温度为1850～1950℃，所述第三保温的时间为50～70min，所述第三保温的压强为14～20mpa。
在本发明中，所述第三保温的温度为1850～1950℃，优选为1900℃；所述第三保温的时间为50～70min，优选为60～65min；所述第三保温的压强优选为15～17mpa。
在本发明中，所述第三升温优选为从第二保温温度以3～5℃/min升温至第三保温温度。在本发明中，所述第三升温的同时继续充氮气，使压强升至第二保温温度的压强。本发明对充氮气的速率没有特殊限定，选用本领域技术人员熟知的速率即可。本发明通过升温至第三保温温度进行保温和升压制第三保温温度的压强使材料中的氧化物能够充分的反应。
所述第三保温后，本发明优选还包括泄压和自然降温，得到改性氮化硼复合材料。本发明对泄压和自然降温的方法没有特殊限定，选用本领域技术人员熟知的方法即可。
本发明对模具的类型没有特殊限定，可根据改性氮化硅复合材料的需要进行选择。
本发明还提供了一种侧封板，所述侧封板的材质为上述改性氮化硼复合材料或上述制备方法制备得到的改性氮化硼复合材料。
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
原料及其质量百分含量
将上述质量百分含量的原料混合后球磨12小时，过200目筛，得到混合料，然后利用等静压机进行造粒(形成粒度≤5mm的颗粒)，然后装模进行热压烧结成型，热压烧结成型条件为：从室温以15℃/min升至900℃，然后以5℃/min升至1400℃，开始充n2，以5℃/min升至1600℃并加压至5mpa，保温保压30min，以4℃/min升至1700℃，加压至8mpa，保温保压60min，以3℃/min升至1850℃，并加压至14mpa，保温保压60min，卸压自然降温，出模得到改性氮化硼复合材料。对改性氮化硼复合材料进行测试，其密度为2.65g/cm3、采用里氏硬度计测得里氏硬度为592，采用三点弯曲法测得抗弯强度165mpa，热膨胀系数为3.6×10-6/k，抗热震性较好，由室温加热至1000℃，水冷40次不破裂，经过客户试用使用寿命比较未加塞隆材料的提高50％左右。
对比例1
未加入o'-sialon，其它与实施例1完全相同，得到普通氮化硼复合材料。对普通氮化硼复合材料进行性能测试，结果如下：其密度为2.58g/cm3、采用里氏硬度计测得里氏硬度为522，采用三点弯曲法测得抗弯强度122mpa，热膨胀系数为5.8×10-6/k，由室温加热至1000℃，水冷32次出现轻微裂纹。
由实施例1和对比例1可知，实施例1中得到的氮化硼复合材料密度大，硬度高，热膨胀系数低，抗热震性能好。
实施例2
原料及其质量百分含量
将上述质量百分含量的原料混合后球磨12小时，过200目筛，得到混合料，然后利用等静压机进行造粒，然后装模进行热压烧结成型，热压烧结成型条件为：从室温以10℃/min升至800℃，然后以8℃/min升至1500℃，开始充n2，以5℃/min升至1550℃并加压至4mpa，保温保压40min，以4℃/min升至1750℃，加压至10mpa，保温保压70min，以3℃/min升至1950℃，并加压至16mpa，保温保压70min，卸压自然降温，出模得到改性氮化硼复合材料。对改性氮化硼复合材料进行测试，其密度为2.72g/cm3、采用里氏硬度计测得里氏硬度为632，采用三点弯曲法测得抗弯强度182mpa，热膨胀系数为3.2×10-6/k，由室温加热至1000℃，水冷40次不破裂，经过客户试用使用寿命比较未加塞隆材料的提高25％左右。
实施例3
原料及其质量百分含量
将上述质量百分含量的原料混合后球磨12小时，过200目筛，得到混合料，然后利用等静压机进行造粒，然后装模进行热压烧结成型，热压烧结成型条件为：从室温以20℃/min升至1000℃，然后以10℃/min升至1650℃，开始充n2，以8℃/min升至1800℃并加压至3mpa，保温保压20min，以4℃/min升至1800℃，加压至12mpa，保温保压50min，以3℃/min升至1950℃，并加压至20mpa，保温保压50min，卸压自然降温，出模得到改性氮化硼复合材料。对改性氮化硼复合材料进行测试，其密度为2.32g/cm3、采用里氏硬度计测得里氏硬度为512，采用三点弯曲法测得抗弯强度122mpa，热膨胀系数为4.1×10-6/k，抗热震性较好，由室温加热至1000℃，水冷40次不破裂，经过客户试用使用寿命比较未加塞隆材料的提高15％左右。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。