專利名稱：組合式熱解氮化硼坩堝內(nèi)襯的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鈦及鈦合金熔煉坩堝材料，特別是涉及熱解氮化硼坩堝內(nèi)襯。
背景技術(shù)：
由于鈦的熔點(diǎn)高和化學(xué)性質(zhì)非?；顫姡谄淙蹮挄r(shí)液態(tài)鈦幾乎能與所有坩堝用耐火材料如氧化鋯、氧化鎂、氧化硅和氧化鋁均發(fā)生反應(yīng)，因此，導(dǎo)致其熔煉不能采用常規(guī)的耐火材料制造的坩堝進(jìn)行真空感應(yīng)熔煉。目前工業(yè)上鈦及鈦合金熔煉常采用真空自耗電極電弧凝殼爐熔煉和強(qiáng)制水冷銅坩堝冷卻。真空電弧凝殼爐熔煉時(shí)先在銅坩堝壁上凝固一薄層“凝殼”，起到保護(hù)鈦液不被坩堝材料污染和隔熱作用，以便在坩堝內(nèi)形成一個(gè)熔池。由于水冷銅坩堝冷卻很快和形成凝殼使鈦液溫度場(chǎng)不均勻，加上鈦合金在液態(tài)保持時(shí)間短，使得澆注后鈦合金鑄件成分不均勻。成分不均勻?qū)辖鸬男阅苡绊懞艽?，如鈦鎳形狀記憶合金的相變點(diǎn)對(duì)成分很敏感。真空電弧凝殼爐熔煉與真空感應(yīng)爐熔煉相比能耗大，熔煉鈦合金耗電為40～60kw/kg。為解決上述問題，有人提出用氧化鈣作鈦及鈦合金熔煉坩堝。但氧化鈣很難燒結(jié)成型，而且氧化鈣坩堝在空氣下易于水解，此外用氧化鈣坩堝熔煉的鈦合金中氧含量會(huì)增高，影響鈦合金的性能。在中國(guó)專利ZL200410025119.0中發(fā)明人公開了一種鈦及鈦合金熔煉坩堝材料及由該材料制成坩堝的制造方法，采用氮化硼和適量的助熔劑為原料，通過經(jīng)冷等靜壓壓制成坩堝毛坯，在1800℃下燒結(jié)1小時(shí)，即可得熔煉坩堝成品，并在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模應(yīng)用上取得了良好的效果，具有高溫下與鈦不發(fā)生反應(yīng)，不與合金粘結(jié)；能耗低、熔煉澆注后的合金成分均勻，性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。但上述專利公開的技術(shù)，由于采用氮化硼加適量的助熔劑經(jīng)冷等靜壓制坯后燒結(jié)成形的制造整體坩堝的技術(shù)方案，無法滿足工業(yè)化生產(chǎn)的要求，因?yàn)楣I(yè)化的生產(chǎn)所需的熔煉坩堝體積大，采用專利ZL200410025119.0的技術(shù)難以生產(chǎn)制造，其原因在于(1)、工業(yè)化生產(chǎn)使用坩堝(一般以噸為單位)體積大，氮化硼坩堝整體制造時(shí)所需的冷等靜壓、燒結(jié)等設(shè)備要求高價(jià)格貴，設(shè)備要特別制造。(2)、整體制造的氮化硼坩堝價(jià)格太貴、一旦損壞無法修復(fù)，必須整體更換，經(jīng)濟(jì)成本不合算。(3)、整體制造的氮化硼坩堝制造和使用過程中易產(chǎn)生裂紋。
此外，趙鳳鳴等在文獻(xiàn)《熱解氮化硼坩堝在特種熔煉上的應(yīng)用》和《熱解氮化硼坩堝材料生長(zhǎng)與性能》2篇論文中公開了一種熱解氮化硼坩堝在鈦及鈦合金熔煉中的初步應(yīng)用效果以及一種熱解氮化硼坩堝的制造方法。熱解氮化硼(PBN)坩堝有許多獨(dú)特的性能，如熱解氮化硼坩堝有極好的化學(xué)和熱的穩(wěn)定性，3000℃升華，其強(qiáng)度隨溫度的升高而提高，當(dāng)溫度為2200℃時(shí)，強(qiáng)度達(dá)最大值；在室溫下耐酸、堿、鹽和有機(jī)試劑便于儲(chǔ)存，在高溫下耐酸；熱解氮化硼坩堝致密度高，無氣孔，其密度接近材料的理論密度(2.27g/cm3)，熔融狀態(tài)的金屬很難滲入坩堝壁內(nèi)，當(dāng)用小坩堝熔煉鈦及鈦合金時(shí)，甚至在隨爐冷卻至室溫的情況也極易倒出，坩堝內(nèi)壁光潔，無粘結(jié)現(xiàn)象，不留殘?jiān)?，坩堝容易清洗，可反?fù)使用；與經(jīng)過冷等靜壓后燒結(jié)成形的氮化硼坩堝相比較，熱解氮化硼坩堝在力學(xué)，熱學(xué)和電學(xué)等性能方面有明顯的各向異性，同時(shí)還具有透微波和紅外線的良好性能，在沉積方向和垂直于沉積面方向上的熱導(dǎo)率相差20倍左右，也就是說坩堝表面為熱的良導(dǎo)體，而垂直于坩堝表面方向?yàn)楦魺狍w，當(dāng)用此坩堝熔煉鈦時(shí)，坩堝內(nèi)部熱場(chǎng)均勻，而熱量又很難通過坩堝壁散出，故提高了保溫性能，可節(jié)省電力近二分之一；另外PBN坩堝的抗熱震性能良好，2000℃直接投入水中未見裂紋。
與中國(guó)專利ZL200410025119.0公開的技術(shù)一樣，趙鳳鳴等在文獻(xiàn)《熱解氮化硼坩堝在特種熔煉上的應(yīng)用》和《熱解氮化硼坩堝材料生長(zhǎng)與性能》中公開了一種熱解氮化硼坩堝為整體制造的氮化硼坩堝，僅適合于實(shí)驗(yàn)室和小批量生產(chǎn)，在工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)中都存在前面論及的整體制造的氮化硼坩堝三大缺點(diǎn)，因而需要對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，提出新的技術(shù)方案，改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種組合式熱解氮化硼坩堝內(nèi)襯，以滿足工業(yè)化、大容積、低成本、易維修、壽命長(zhǎng)的要求。
組合式熱解氮化硼坩堝內(nèi)襯，所述的坩堝內(nèi)襯是用熱解氮化硼磚堆砌成的能裝鈦及鈦合金液體的杯形結(jié)構(gòu)。
——所述熱解氮化硼磚之間能形成凹凸配合的定位結(jié)構(gòu)。
——所述坩堝內(nèi)襯是用熱解氮化硼磚堆砌成的單層磚形成的杯形結(jié)構(gòu)或雙層磚形成的杯形結(jié)構(gòu)或兩層以上的磚形成的杯形結(jié)構(gòu)。
——所述熱解氮化硼磚采用化學(xué)氣相沉積工藝制造。
——所述熱解氮化硼磚是采用化學(xué)氣相沉積工藝制造的熱解氮化硼坯料通過機(jī)加工成能相互組裝的磚形。
——所述坩堝內(nèi)襯的外表面包裹有與坩堝內(nèi)襯形狀相匹配的具有絕熱、保溫、承力功能的殼體。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(1)、小尺寸的熱解氮化硼磚的制造工藝成熟，高溫強(qiáng)度大。與用氮化硼粉末為原料加適量的助熔劑通過冷等靜壓制坯后燒結(jié)成型制造的燒結(jié)氮化硼磚相比，性能更加優(yōu)異。燒結(jié)氮化硼磚的致密度比熱解氮化硼磚低，而空隙率高；特別是含有低熔點(diǎn)助熔劑，降低了燒結(jié)氮化硼磚高溫強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性、以及抗熱震性能；燒結(jié)氮化硼磚在力學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)等性能方面為各向同行。因而，熱解氮化硼磚與燒結(jié)氮化硼磚相比有更高的高溫強(qiáng)度、更好的抗熱震性能、更好的抗沖刷性能，更好的化學(xué)和熱的穩(wěn)定性、熱解氮化硼磚在力學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)等性能方面有明顯的各向異性，用熱解氮化硼磚為內(nèi)襯堆砌組裝的組合式熱解氮化硼坩堝內(nèi)部熱場(chǎng)均勻，而熱量又很難通過坩堝壁散出，提高了保溫性能，可節(jié)省電力近二分之一，更適合于鈦及鈦合金的熔煉。
(2)熱解氮化硼磚可以制造成有相互配合的凹凸定位結(jié)構(gòu)，方便堆砌成坩堝的內(nèi)襯，也在損壞時(shí)方便拆下更換，維修成本低。
(3)可堆砌成工業(yè)化生產(chǎn)使用的大坩堝(一般以噸為單位)，成本低。
(4)熱解氮化硼磚體積小，生產(chǎn)制造和使用過程中不容易產(chǎn)生裂紋，坩堝壽命長(zhǎng)。
(5)本發(fā)明之坩堝內(nèi)襯內(nèi)可形成大的熔池，便于合金元素的擴(kuò)散，熔煉澆注后的合金成分均勻，合金性能穩(wěn)定。同時(shí)坩堝的熱解氮化硼內(nèi)襯與鈦不發(fā)生反應(yīng)，不與合金粘結(jié)，無強(qiáng)制水冷銅坩堝熔煉鈦及鈦合金時(shí)出現(xiàn)的“凝殼”現(xiàn)象，成材率高。
(6)大大降低了能耗，鈦及鈦合金熔煉時(shí)的耗電量?jī)H為2～3kw/kg。


圖1為本發(fā)明之坩堝內(nèi)襯的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為雙層磚堆砌成的本發(fā)明之坩堝內(nèi)襯的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為三層磚堆砌成的本發(fā)明之坩堝內(nèi)襯的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為構(gòu)成本發(fā)明之坩堝內(nèi)襯的方形熱解氮化硼磚的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為構(gòu)成本發(fā)明之坩堝內(nèi)襯的帶凹槽的方形熱解氮化硼磚的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為構(gòu)成本發(fā)明之坩堝內(nèi)襯的帶凸棱的方形熱解氮化硼磚的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7為構(gòu)成本發(fā)明之坩堝內(nèi)襯的帶凸棱及凹槽的方形熱解氮化硼磚的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖8為構(gòu)成本發(fā)明之坩堝內(nèi)襯的弧形熱解氮化硼磚的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖9為構(gòu)成本發(fā)明之坩堝內(nèi)襯的帶凹槽的弧形熱解氮化硼磚的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖10為構(gòu)成本發(fā)明之坩堝內(nèi)襯的帶凹槽的弧形熱解氮化硼磚的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖11為本發(fā)明之坩堝內(nèi)襯的堆砌方法的原理圖。
圖12為本發(fā)明之坩堝內(nèi)襯安置在坩堝殼體內(nèi)的結(jié)構(gòu)示意圖。
上述圖中1為本發(fā)明之坩堝的內(nèi)襯，2為構(gòu)成本發(fā)明之坩堝內(nèi)襯的熱解氮化硼磚，3為殼體，4為凹槽，5為凸棱。
具體實(shí)施例方式
熱解氮化硼磚的制造采用化學(xué)氣相沉積工藝制造的熱解氮化硼磚的坯料，然后機(jī)加工成所需的形狀和尺寸，即可得到熱解氮化硼磚，具體如下將高純的原料氣體BCl3和NH3，按一定的比例混合通入高溫反應(yīng)室內(nèi)，反應(yīng)室的溫度高達(dá)2000℃，混合氣體在反應(yīng)室內(nèi)，按下列化學(xué)反應(yīng)方程進(jìn)行BCl3+NH3＝BN+3HCl在熱解氮化硼(PBN)材料的生長(zhǎng)過程中，人們總是習(xí)慣于把它比喻為落雪，即反應(yīng)中生長(zhǎng)的六角形BN小雪片，不斷地堆落在加熱的石墨基體(芯模)上，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，堆積層在加厚，即形成了熱解氮化硼的殼體，脫模取下即是獨(dú)立的、純的熱解氮化硼坯料。熱解氮化硼有良好的機(jī)加工性能，將熱解氮化硼坯料加工成圖紙要求的形狀和尺寸，即得到了本發(fā)明所需的熱解氮化硼磚。
熱解氮化硼材料的化學(xué)汽相沉積既簡(jiǎn)單又復(fù)雜。設(shè)備簡(jiǎn)單，原理簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)單；但工藝的影響因素復(fù)雜，譬如，原料的進(jìn)氣方式、裝爐方式、爐膛的尺寸、幾何形狀、芯模的擺放位置和方式等等，都要對(duì)汽相沉積產(chǎn)生影響，嚴(yán)重時(shí)也會(huì)造成整爐的報(bào)廢。但汽相沉積的主要影響參數(shù)還是基體的溫度、爐內(nèi)的壓力和氣體的流量比。一般選用溫度1800～1900℃，爐內(nèi)壓力1～2mmHg，氣體的流量要視爐體空間的大小、沉積物的要求而定，對(duì)于生長(zhǎng)坩堝內(nèi)襯用的熱解氮化硼磚，通常選用高溫工藝。
熱解氮化硼磚可以有不同的幾何形狀，特別是可以設(shè)計(jì)成凹凸配合的能相互定位的形狀，不僅可以方便堆砌成內(nèi)襯，而且在熱解氮化硼磚損毀后便于更換。參考圖4至圖11。
組合式熱解氮化硼坩堝內(nèi)襯的制造將做好的熱解氮化硼磚，按坩堝圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求進(jìn)行堆砌組裝，即得到本發(fā)明之組合式熱解氮化硼坩堝內(nèi)襯。
采用熱解氮化硼磚堆砌內(nèi)襯時(shí)，可以用單層熱解氮化硼磚堆砌，也可以采用雙層或多層熱解氮化硼磚堆砌，可以根據(jù)具體要堆砌的坩堝的大小和容量來決定。參考圖1至圖3組合式熱解氮化硼坩堝內(nèi)襯的應(yīng)用將組裝好的組合式熱解氮化硼坩堝內(nèi)襯安裝在與之相匹配的外殼中，殼體可以采用耐火材料(如石墨、氧化鈣、氧化鋯等)制造，達(dá)到絕熱、保溫、承力的功能。殼體可以減少熱量的擴(kuò)散，節(jié)省能源，并有利于保持鈦及鈦合金熔池的溫度，即得到以組合式熱解氮化硼為內(nèi)襯的坩堝，可用于鈦及鈦合金的熔煉。將這種坩堝安裝置于真空感應(yīng)爐中熔煉鈦合金，其平均耗電量為2-3kw/kg。熔煉時(shí)坩堝的內(nèi)襯在高溫下與鈦不發(fā)生反應(yīng)，不與合金粘結(jié)。熔池流動(dòng)性好，熔煉澆注后的合金成分均勻，性能穩(wěn)定。
應(yīng)該注意，本文中公開和說明的結(jié)構(gòu)可以用其它效果相同的結(jié)構(gòu)代替，同時(shí)本發(fā)明所介紹的實(shí)施例并非實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的唯一結(jié)構(gòu)。雖然本發(fā)明的優(yōu)先實(shí)施例已在本文中予以介紹和說明，但本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員都清楚知道這些實(shí)施例不過是舉例說明而已，本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員可以做出無數(shù)的變化、改進(jìn)和代替，而不會(huì)脫離本發(fā)明，因此，應(yīng)按照本發(fā)明所附的權(quán)利要求書的精神和范圍來的限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.組合式熱解氮化硼坩堝內(nèi)襯，其特征在于，所述的坩堝內(nèi)襯是用熱解氮化硼磚堆砌成的能裝鈦及鈦合金液體的杯形結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合式熱解氮化硼坩堝內(nèi)襯，其特征在于，所述的熱解氮化硼磚之間能形成凹凸配合的定位結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合式熱解氮化硼坩堝內(nèi)襯，其特征在于，所述坩堝內(nèi)襯是用熱解氮化硼磚堆砌成的單層磚形成的杯形結(jié)構(gòu)或雙層磚形成的杯形結(jié)構(gòu)或兩層以上的磚形成的杯形結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合式熱解氮化硼坩堝內(nèi)襯，其特征在于，所述熱解氮化硼磚采用化學(xué)氣相沉積工藝制造。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的組合式熱解氮化硼坩堝內(nèi)襯，其特征在于，所述熱解氮化硼磚是采用化學(xué)氣相沉積工藝制造的熱解氮化硼坯料通過機(jī)加工成能相互組裝的磚形。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合式熱解氮化硼坩堝內(nèi)襯，其特征在于，所述坩堝內(nèi)襯的外表面包裹有與坩堝內(nèi)襯形狀相匹配的具有絕熱、保溫、承力功能的殼體。
全文摘要
組合式熱解氮化硼坩堝內(nèi)襯，本發(fā)明屬于鈦及鈦合金熔煉坩堝材料，特別是涉及熱解氮化硼坩堝內(nèi)襯。所述的坩堝內(nèi)襯是用熱解氮化硼磚堆砌成的能裝鈦及鈦合金液體的杯形結(jié)構(gòu)。本發(fā)明之坩堝內(nèi)襯可以安裝在具有絕熱、保溫、承力功能的殼體內(nèi)，能滿足工業(yè)化生產(chǎn)的大容積、低成本、易維修、壽命長(zhǎng)的要求。制作工藝成熟、設(shè)備簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、維修方便。鈦及鈦合金熔煉時(shí)不粘結(jié)坩堝內(nèi)襯，并可在坩堝內(nèi)襯內(nèi)形成大的熔池，便于合金元素的擴(kuò)散，熔煉澆注后的合金成分均勻、性能穩(wěn)定。
文檔編號(hào)C04B35/583GK1995884SQ20061003263
公開日2007年7月11日 申請(qǐng)日期2006年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月4日
發(fā)明者朱明 , 周星, 劉宏葆, 李重河, 毛協(xié)民 申請(qǐng)人:朱明 , 周星