[发明专利]一种BN-ZrO2-SiC复合材料的复合烧结助剂

说明书

技术领域

    本发明涉及一种BN复合材料的制造技术，尤其涉及一种BN-ZrO₂-SiC复合材料的复合烧结助剂。

背景技术

BN（氮化硼）有4种晶型，其中六方BN(h-BN)是常压稳定相，所以一般采用h-BN原料生产BN陶瓷。六方氮化硼(h-BN)具有低的热膨胀系数、高的热导率和优良的抗热震性。将六方氮化硼与其它陶瓷材料复合，可以提高其抗热震性，并能改善材料的断裂应变。BN复合材料有BN-ZrO₂复合材料、BN-AlN复合材料、BN-赛隆复合材料、BN-ZrO₂-SiC复合材料、BN-AlN-Si₃N₄复合材料等。烧结后的氮化硼复合材料具有良好的机械加工性能，且精度很高。

氮化硼(h-BN)是一种类似于石墨的层状结构，每层由B、N原子相间排列成六角环状网络，层内原子之间共价键结合，是一种烧结活性较差的材料，很难获得致密的BN陶瓷材料。所以，一般采用高温下加压烧结的热压烧结方法，并添加一定的烧结助剂，才能获得致密的BN烧结体。据文献资料，在进行热压烧结BN陶瓷的过程中，主要通过加入B₂O₃、Y₂O₃ 、Si₃N₄ 、CaCO₃ 等作为烧结助剂 ，以促进h-BN层间的粘结作用，提高陶瓷材料的致密性，改善材料的烧结性能。B₂O₃熔点低，在低温下就产生液相，对BN材料具有良好的助烧结作用，但B₂O₃吸湿性非常强，加入较多B₂O₃会使BN材料容易吸潮形成硼酸，高温烘烤过程中由于硼酸的分解，容易造成产品表面起泡。另外，如果加入较多的B₂O₃烧结剂，不但材料的高温抗折强度难以提高，而且抗侵蚀性会受到影响。Y₂O₃ 是陶瓷材料的良好烧结助剂，但价格昂贵。Si₃N₄的助烧结作用没有前二者好，且价格较贵。CaCO₃虽然价格不贵，但对BN材料的助烧结作用效果一般。由于BN难以烧结，选择合适的烧结助剂是BN复合材料取得良好性能的关键。

近年来，短流程的薄带连铸技术得到了很大发展。薄带连铸的核心是，一对相向旋转的铸辊和一对侧封板形成连铸的熔池，分配水口将钢水注入熔池，薄带从相向旋转的铸辊拉出，形成几毫米的薄带产品。铸辊、侧封板和布流器（分配水口）是薄带连铸的三大件，直接关系到薄带连铸工艺的顺行和薄带产品的质量。根据这样的使用条件，侧封板必须具有优越的抗热震性、良好的耐磨性、足够的常温和高温强度和良好的抗钢水冲刷和侵蚀性。基于如此苛刻的使用要求，侧封板较多采用含BN的陶瓷材料。导液管是喷射成形工艺中的关键部件，犹如连铸水口，是一种功能耐火材料。工作时，导液管烘烤至200℃，浇入温度1600℃以上的钢水。整个喷射成形在真空保护气氛的密闭容器中进行。导液管本身没有烘烤条件，中间包烘烤后，接受中间包的传热，导液管的温度才达到200℃，因此导液管受到强烈的热震作用。在压力下钢水通过导液管高速喷出，导液管受到钢水的强烈冲刷作用，同时导液管外侧受到高速气流的冲刷。因此，不仅要求导液管抗热震性好，又要求强度高，抗钢水冲刷，扩孔小。

现有专利技术分析。美国专利US2002/0104640A1公开了陶瓷板中加入Al的专利，认为含有9％以上Al的双辊薄带连铸用陶瓷板，其常温弯曲强度不低于120MPa，1000℃时的弯曲强度65MPa以上，硬度(Hv)50～350，常温～1000℃的热传导率8W/(m·K)以下，热冲击耐受指数R’800W/m以上，与钢水的浸润性（接触角θ）120°以上。加入Al是为了提高侧封板抗不锈钢的侵蚀能力。利用这种陶瓷板构成的侧封板，可以长时间连续铸造不锈钢钢水。

  日本专利JP8080170认为，用于浇铸钢、不锈钢的侧封板应该由赛隆陶瓷（SIALON）/BN为基体的材料组成。赛隆陶瓷的化学成分为Si₆-_ZAlzOzN₈-z，其中Z的范围为2～4。BN的含量为0.5～50%。这样的陶瓷板具有良好的耐侵蚀、耐剥落性能。