常压固相烧结碳化硅陶瓷异形件及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种常压固相烧结碳化硅陶瓷异形件及其制造方法，通过配料、球磨混料、高压注浆、阴干和低温干燥、高温烧结，得到致密的碳化硅陶瓷异形件制品。采用优化的碳化硅颗粒级配和树脂模具孔道有效设计，微米级粉体引入，解决了模具孔道堵塞，显著提高模具使用寿命；微米级粉体粒径大，比表面积小，解决了组分流失问题；颗粒级配使亚微米级粉均匀分散在微米级粉中，解决了压力注浆效率和组分不均问题。显著提高了颗粒级配坯体的密度，减少了收缩，有利于减少固相烧结碳化硅陶瓷异形件的烧结变形和开裂。采用硼酸或/和三氧化二硼最为烧结助剂，助剂溶解于浆料中提高了烧结助剂分散的均匀性，使得高温烧结后碳化硅陶瓷异形件的密度分布均匀。

Atmospheric pressure solid phase sintering silicon carbide ceramic special-shaped piece and manufacturing method thereof

The invention discloses a pressureless sintering silicon carbide ceramic shaped pieces and manufacturing method thereof, by batching, mixing, grouting, dried and dry at low temperature, high temperature sintering, obtain compact special-shaped pieces of silicon carbide ceramic products. The optimization of the silicon carbide particle distribution and pore resin mold design, micron powder into the mold, solve the pore blockage, significantly improve the service life of the die; micron powder particle size, specific surface area is small, solves the components loss problem; particle size distribution to sub micron grade powder dispersed in micron powder, solve the pressure grouting efficiency and uneven components. The particle density, the shrinkage and the sintering deformation and cracking of the solid silicon carbide ceramic parts are reduced greatly. The boric acid and / or three and two boron oxide are the most sintering additives, and the additives are dissolved in the slurry to improve the uniformity of the dispersion of the sintering aids, so that the density distribution of SiC ceramic shaped parts is uniform after sintering at high temperature.

【技术实现步骤摘要】
常压固相烧结碳化硅陶瓷异形件及其制造方法
本专利技术涉及一种碳化硅陶瓷的制备方法，更确切地说涉及具体涉及高压注浆成型工艺制备高性能常压固相烧结碳化硅陶瓷异形件。属于工程陶瓷材料制备

技术介绍
常压烧结碳化硅陶瓷是一种良好的结构陶瓷，具有硬度高、热震性能高、热导率高、耐磨损和耐化学腐蚀性能好等特点，几乎能够应用于所有的耐腐蚀、耐磨损工况条件，是一种非常理想的用于高磨损、高腐蚀流体物质的容器内衬和输送管道等异形件材料。碳化硅陶瓷根据配方体系的不同，一般可分为反应烧结、常压无压烧结和重结晶烧结。重结晶碳化硅陶瓷含有15％左右气孔率，一般不作为容器内衬、管件或阀门等异形件应用。尽管目前碳化硅陶瓷异形件通过注浆成型结合反应烧结制备，但仍然存在一些缺点。首先是所制备的碳化硅陶瓷包含12-20vol％左右的游离硅，而且原料均为微米级，大大影响了其耐磨损和耐腐蚀性能，限制了其在苛刻环境中的使用。其二目前所使用的成型工艺为石膏模注浆成型，在复杂异形件成型时素坯存在密度梯度差异，导致制备的碳化硅陶瓷异形件存在变形、开裂，影响工件应用的可靠性。常压烧结碳化硅陶瓷异形件复杂的形状使其制备非常困难，模压、冷等静压成型方式均不能直接获得如此复杂的形状。现在技术中，制备常压固相烧结碳化硅异形件的方法主要是模压成型和素坯加工后进行固相烧结得到。该方法磨削量大、原料和人工成本高，制作的零件也受较大限制。因此只能采用湿法成型方法成型异形件，但常压烧结碳化硅陶瓷一般采用亚微米粉或纳米粉，颗粒小，比较面积大，在注浆成型过程中，石膏吸附碳化硅的毛细孔力不足且容易堵塞石膏模具孔道，进而影响注浆过程，使形成的坯体致密度不能满足烧结致密化要求，使得产品的强度和韧性等力学性能恶化。注射成型工件临时添加剂含量过多，气孔缺陷多，不适宜高性能碳化硅陶瓷异形件生产；凝胶注模成型虽能制备复杂形状常压烧结碳化硅陶瓷异形件，但体系中添加大量昂贵化学试剂，高额成本制约了其规模化应用。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种常压固相烧结碳化硅陶瓷异形件及其制造方法。本专利技术的技术方案如下：一种常压固相烧结碳化硅陶瓷异形件的制造方法，包括以下步骤：(1)配料将各种原料按照以下重量百分比配比：粒度级配碳化硅粉体82-90wt％；硼化物1-6wt％；有机碳源8-10wt％；粘结剂0.5-2wt％；以上各组分重量之和为100％；(2)球磨混料将上述原料依次加入盛有去离子水的球磨机中搅拌、得到稳定、均质的浆料；(3)高压注浆将步骤(2)得到的浆料抽真空除泡后，压入高压注浆机的高压树脂模具内，浆料压力保持在20-40bar，持续0.5-5min，使浆料在平均孔径1-5μm的高压树脂模具内表面失水形成陶瓷坯件；成型后向高压树脂模具内通入压缩空气，通过增大耐高压树脂模具外部压力，使陶瓷坯件与高强度耐高压树脂模具分离，得到陶瓷异形件素坯；(4)阴干和低温干燥将步骤(3)得到的陶瓷异形件素坯转移至恒温恒湿间进行阴干，温度控制在10-40℃(较佳为25℃)，湿度控制在10-50％RH(较佳在30％RH)，阴干1-3天；将阴干后的异形件素坯在鼓风烘箱中低温干燥，干燥温度控制在100-150℃(较佳为105℃)，保温时间为2小时；(5)高温烧结将步骤(4)得到的干燥后异形件素坯置于石墨坩埚中，然后再将其放入真空烧结炉内，抽真空，然后通入惰性保护气体，在2150-2250℃保温0.5-2h，随炉冷却，得到致密的碳化硅陶瓷异形件制品。所述的方法，步骤(1)中的粒度级配碳化硅粉体采用亚微米级碳化硅粉以及第一微米级碳化硅粉或第二微米级碳化硅粉颗粒级配，质量比为1：(0.5-1)，或者采用亚微米级碳化硅粉以及第一微米级碳化硅粉和第二微米级碳化硅粉颗粒级配，质量比为1：0.5：(1-2)；所述亚微米碳化硅粉体的中位粒径为0.4-0.6μm，所述第一微米级碳化硅粉的中位粒径为1-10μm，所述第二微米级碳化硅粉的中位粒径为40-60μm。所述的方法，步骤(1)中的硼化物为三氧化二硼和/或硼酸，其中所述三氧化二硼和/或硼酸占所述粒度级配碳化硅粉体的质量的2-5wt％。所述的方法，步骤(1)中的有机碳源为木质素磺酸钙或/和木质素磺酸纳其中的一种，所述碳源占所述粒度级配碳化硅粉体的质量的5-8wt％。所述的方法，步骤(1)中的粘结剂为聚乙烯醇、聚乙二醇、水溶热固性树脂中的一种或一种以上，所述粘结剂占所述粒度级配碳化硅粉体的质量的1-1.5wt％。所述的方法，步骤(2)浆料固含量控制在55-65wt％，黏度在500-1500mPa·s。所述的方法，步骤(2)所述压力注浆用耐高压树脂模具孔径设计为0.5-5μm，成型压力20-40bar。所述的方法，所述成型压力为25bar。与以有的碳化硅陶瓷异形件制造方法比较，本专利技术有以下的优点：(1)采用优化的碳化硅颗粒级配和树脂模具孔道有效设计，微米级粉体引入，解决了模具孔道堵塞，显著提高模具使用寿命；微米级粉体粒径大，比表面积小，解决了组分流失问题；颗粒级配使亚微米级粉均匀分散在微米级粉中，解决了压力注浆效率和组分不均问题。显著提高了颗粒级配坯体的密度，减少了收缩，有利于减少固相烧结碳化硅陶瓷异形件的烧结变形和开裂。(2)采用硼酸或/和三氧化二硼最为烧结助剂，助剂溶解于浆料中提高了烧结助剂分散的均匀性，使得高温烧结后碳化硅陶瓷异形件的密度分布均匀。(3)浆料中的微米级粉体，烧结活性低，在烧结过程中起到钉扎作用，阻碍晶界迁移，避免得到晶粒的异常生长，得到小晶粒且尺寸均匀的晶粒结构，从而得到力学性能优异的固相烧结碳化硅陶瓷。(4)采用固相烧结工艺，不含液相成分和游离硅，耐磨和腐蚀性能好。能够满足极端苛刻环境下使用。具体实施方式以下结合具体实施例，对本专利技术进行详细说明。实施例1将0.5μm、5μm和40μm的碳化硅粉体按照质量比1:0.5:2级配混合得到粒度级配碳化硅粉体，接着加入硼酸、木质素磺酸钠和聚乙烯醇，粒度级配碳化硅粉体、硼酸、木质素磺酸钠和聚乙烯醇重量百分比例为85wt％、3wt％、10wt％、2wt％，将上述各种原料加入去离子水中混合球磨，得到粒度级配粉体稳定的浆料；将浆料真空除泡后压入孔径为1μm高压树脂模具中，浆料压力保持在36bar，持续3min，经高压注浆成型后脱模，得到陶瓷异形件素坯；将素坯转移至恒温恒湿间进行干燥，控制温度为35℃，湿度控制在40％HC，阴干2天；将阴干后异形件素坯在鼓风干燥烘箱中低温干燥，干燥温度控制在135℃，保温时间2小时，干燥后，得到生坯。最后将生坯放入石墨炉中，氩气气氛下，升温至2150℃烧结，得到致密的常压固相烧结碳化硅异形件，致密度达92％。实施例2将0.5μm、5μm和50μm的碳化硅粉体按照质量比1:0.5:1级配混合得到粒度级配碳化硅粉体，接着加入三氧化二硼、木质素磺酸钙和聚乙二醇，粒度级配碳化硅粉体、三氧化二硼、木质素磺酸钠和聚乙二醇重量百分比例为86wt％、3wt％、10wt％、1wt％，将上述各种原料加入去离子水中混合球磨，得到粒度级配粉体稳定的浆料；将浆料真空除泡后压入孔径为5μm高压树脂模具中，浆料压力保持在32bar，持续5min，经高压注浆成型后脱模，得到陶瓷异形件素本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种常压固相烧结碳化硅陶瓷异形件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)配料将各种原料按照以下重量百分比配比：粒度级配碳化硅粉体 82‑90wt％；硼化物 1‑6wt％；有机碳源 8‑10wt％；粘结剂 0.5‑2wt％；以上各组分重量之和为100％；(2)球磨混料将上述原料依次加入盛有去离子水的球磨机中搅拌、得到稳定、均质的浆料；(3)高压注浆将步骤(2)得到的浆料抽真空除泡后，压入高压注浆机的高压树脂模具内，浆料压力保持在20‑40bar，持续0.5‑5min，使浆料在平均孔径1‑5μm的高压树脂模具内表面失水形成陶瓷坯件；成型后向高压树脂模具内通入压缩空气，通过增大耐高压树脂模具外部压力，使陶瓷坯件与高强度耐高压树脂模具分离，得到陶瓷异形件素坯；(4)阴干和低温干燥将步骤(3)得到的陶瓷异形件素坯转移至恒温恒湿间进行阴干，温度控制在10‑40℃(较佳为25℃)，湿度控制在10‑50％RH(较佳在30％RH)，阴干1‑3天；将阴干后的异形件素坯在鼓风烘箱中低温干燥，干燥温度控制在100‑150℃(较佳为105℃)，保温时间为2小时；(5)高温烧结将步骤(4)得到的干燥后异形件素坯置于石墨坩埚中，然后再将其放入真空烧结炉内，抽真空，然后通入惰性保护气体，在2150‑2250℃保温0.5‑2h，随炉冷却，得到致密的碳化硅陶瓷异形件制品。...

【技术特征摘要】
1.一种常压固相烧结碳化硅陶瓷异形件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)配料将各种原料按照以下重量百分比配比：粒度级配碳化硅粉体82-90wt％；硼化物1-6wt％；有机碳源8-10wt％；粘结剂0.5-2wt％；以上各组分重量之和为100％；(2)球磨混料将上述原料依次加入盛有去离子水的球磨机中搅拌、得到稳定、均质的浆料；(3)高压注浆将步骤(2)得到的浆料抽真空除泡后，压入高压注浆机的高压树脂模具内，浆料压力保持在20-40bar，持续0.5-5min，使浆料在平均孔径1-5μm的高压树脂模具内表面失水形成陶瓷坯件；成型后向高压树脂模具内通入压缩空气，通过增大耐高压树脂模具外部压力，使陶瓷坯件与高强度耐高压树脂模具分离，得到陶瓷异形件素坯；(4)阴干和低温干燥将步骤(3)得到的陶瓷异形件素坯转移至恒温恒湿间进行阴干，温度控制在10-40℃(较佳为25℃)，湿度控制在10-50％RH(较佳在30％RH)，阴干1-3天；将阴干后的异形件素坯在鼓风烘箱中低温干燥，干燥温度控制在100-150℃(较佳为105℃)，保温时间为2小时；(5)高温烧结将步骤(4)得到的干燥后异形件素坯置于石墨坩埚中，然后再将其放入真空烧结炉内，抽真空，然后通入惰性保护气体，在2150-2250℃保温0.5-2h，随炉冷却，得到致密的碳化硅陶瓷异形件制品。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)...

【专利技术属性】
技术研发人员：石婷，
申请(专利权)人：石婷，
类型：发明
国别省市：上海,31