[发明专利]制造致密SiC基陶瓷产品的方法

说明书

本发明涉及基本上由碳化硅（SiC）制成的，特别是通过从成形的碳化硅基微粒开始的无压烧结方法制成的致密材料领域。

更具体地，本发明涉及通过无压烧结方法制造均匀的碳化硅基微粒的方法，所述微粒可用于制造任何形式的致密材料产品。

这种体或元件尤其可以用在先进陶瓷、单块或复合材料领域中，例如炉、发动机或涡轮机、窑具、点火器、砖、块、管或板、坩埚的部件，特别是用于化学或冶金应用的耐磨和/或耐腐蚀部件。

由通过在高温下烧结获得的碳化硅制成的陶瓷或耐火材料越来越多地用在其中它们的高化学惰性和它们的高耐火度使它们能够经受高机械应力或热机械应力的应用中。

已知的是烧结体的性能在很大的程度上取决于用来通过已知的粉末冶金工艺制造烧结体的原料粉末的性质。例如，对于碳化硅和碳化硼或碳和硼的混合物的无压烧结，普遍认为一些非常细的原料粉末的初始混合物是必需的。所述粉末必须满足某些要求，不仅包括粒度和粒度分布，还包括杂质的含量。这样的粉末必须可烧结到要求的程度并基本上没有外来物质，其会干扰烧结过程或在完成的烧结体中导致不期望的外来物质。

在本方法中使用的碳化硅粉末通常是通过艾其逊法生产的。出于经济原因和因为其更容易获得，该方法被广泛地用来制备可烧结的碳化硅。由于在该方法中要求高的制造温度，通过艾其逊法生产的碳化硅主要由在热力学上更稳定的α-变体构成。

因此，通过强化研磨从工业SiC生产获得的紧密晶粒可以获得要求的细度的碳化硅粉末。

以前记述了使用无压烧结方法由碳化硅基微粒制造物体的几种方法：

出版物US 2003/195122（本文也称为“US-122”）公开了使用微粒来制造包含作为烧结助剂的碳化合物和硼化合物添加剂的SiC的陶瓷体的陶瓷工艺。SiC无压复合材料是根据US-122生产的，其在研磨应用中是有用的。生产复合体的步骤包括形成碳化硅与无粘合剂的、同素异形的碳产生前体微粒的混合物，然后使所述混合物成型并加热以获得期望的烧结体。

然而，如该文献中要求的，在微粒中和在最终产品中的碳的水平是非常高的。根据US-122的最终的SiC的复合体包含占总重量的最多35%的5-500微米尺寸的同素异形的碳微粒。然而，该量的游离碳导致最终的复合体的弱的机械性能。

US 2006/0019816（在本文中也称为“US-816”）也公开了类似的方法，其中通过同时研磨SiC原料堆和包含具有碳生成粘合剂的非石墨化碳的复合微粒制备浆料。提到了以0.5-2.0wt%的浓度额外地使用亚微米碳化硼微粒作为无压自烧结工艺的额外的烧结助剂。再次，由于最终体的大量残留的游离碳和残留的碳颗粒的大小，由所述公开的方法获得的最终体并不显示对机械应力的高阻力。

因此，需要通过导致制造由致密材料形成的产品或物质的方法，其中所述致密材料是由基本上由SiC制成的微粒的无压烧结获得的，并且其还表现出高的机械阻力。

通过申请人进行的实验已经发现，假如硼化合物在微粒内的分散满足一些非常具体的条件，有可能获得贫含游离碳的微粒（即包含小于约2.5wt%的游离碳），其可通过无压烧结技术导致高机械阻力的SiC基产品。“高机械强度”表示根据astm C1161-02.c标准，通过4点弯曲测试测量的至少500MPa，更优选至少550MPa的强度。

更具体地，已经发现硼颗粒在微粒中倾向于聚结并且进一步发现只有可以在一定程度上避免含硼化合物，更具体地B₄C颗粒，在所述微粒内的聚结，才可以达到最终产品（即通过微粒的无压烧结获得的产品）的高机械强度。

由申请人所做的实验更具体地表明，只有使用包括以下步骤的方法才能获得这类微粒：

- 通常在水基浆料中共研磨SiC粉末与B₄C粉末的混合物，每个初始粉末具有选定的初始粒度分布；

- 实施所述共研磨直到达到整体混合物的选定的粒度分布，

- 化学处理该混合物以去除由原料和共研磨导致的杂质内容物，如金属硅、二氧化硅、铁和铝，

- 将SiC/B₄C粉末混合物生成的浆料与碳前体混合，其为含碳树脂，优选与临时粘合剂和可能的润滑剂混合，

- 喷雾干燥所得到的混合物，以生成所述微粒。

在非氧化性气氛下，从以要求的形式成形的之前的微粒开始并在2000℃-2400℃的范围内，优选在2000℃-2200℃的范围内的烧结温度下，通过无压烧结进一步获得根据本发明的体或元件。