專利名稱：一種β-SiC增韌B₄C陶瓷燒結(jié)技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬無機(jī)非金屬材料固相燒結(jié)領(lǐng)域，涉及燒結(jié)B4C陶瓷技術(shù)，尤其涉及一種 β-SiC增韌B4C陶瓷燒結(jié)技術(shù)。
背景技術(shù)：
B4C是一種人工合成的無機(jī)非金屬材料，B4C的制備方法是用過量的碳還原硼酐而得，其反應(yīng)式為2B203+7C = B4C+6C0,因其顯著特點(diǎn)是非常堅硬，其顯微硬度約50000MPa， 在自然界中僅次于金剛石(80000-100000MPa)，金剛石的新莫氏硬度為15，碳化硼的新莫氏硬度為14，具有極高的耐磨性，甚至超過了類金屬碳化物和以它為基硬質(zhì)合金的耐磨性， 所以被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、信息、國防、軍事、航空、航天等各工業(yè)和科研領(lǐng)域。以碳化硼為原料，經(jīng)真空熱壓燒結(jié)制取的碳化硼陶瓷制品如噴砂嘴、密封環(huán)、噴管、軸承、泥漿泵柱塞、研杵和飛機(jī)、艦船、裝甲、車輛、防彈衣、火箭發(fā)射架等的陶瓷防護(hù)涂層，作為一種新型材料，以其特有的高熔點(diǎn)、高硬度、高彈性模量、耐磨力強(qiáng)、自潤性好等特點(diǎn)而被各行業(yè)各領(lǐng)域所認(rèn)可。
然而任何事物都具有其相互矛盾的兩重性，正是因?yàn)樗母呷埸c(diǎn)，相應(yīng)帶來了它生產(chǎn)制作環(huán)節(jié)的難控制和高成本；正是因?yàn)樗母哂捕?，相?yīng)又帶來了它的高脆性和低斷裂韌性，從而出現(xiàn)了產(chǎn)品的可加工性差，裝卡緊固、切割磨削加工中容易出現(xiàn)宏觀缺損，廢品率高，特殊形狀不易獲得等不足。近年來雖然通過超細(xì)原料的制備選擇和生產(chǎn)工藝參數(shù)的多方改進(jìn)嘗試，也有在燒結(jié)過程中添加硼鋁炭助劑的，但仍未滿足高精密軸承、航空航天航海、國防軍事等機(jī)械部件的應(yīng)用需求，目前亟待需要解決的是如何提高此種超硬碳化硼陶瓷制品的斷裂韌性，改善可加工性能，提高成品率，降低生產(chǎn)加工成本，擴(kuò)大服役領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決以上所述現(xiàn)有技術(shù)缺憾，本發(fā)明提供了一種β -SiC增韌B4C陶瓷燒結(jié)技術(shù)，它是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
1、采用復(fù)合材料，在單質(zhì)B4C材料中添加β-SiC，配料比例為B4C :85-90 %， β -SiC :10-15% ；
2、實(shí)施步驟及工藝控制參數(shù)
1)將預(yù)選比例的β-SiC與5%的樹脂結(jié)合劑入砂磨機(jī)研磨，料砂比3 2，研磨時間大于12小時；
2)將砂磨所得漿料與預(yù)選比例的B4C和5 8%的有機(jī)添加劑入球磨機(jī)研磨，料球比4 1，研磨時間8-12小時；
3)將球磨后所得粘稠漿料噴霧干燥、密封分裝腐化72小時；
4)將腐化好的原料經(jīng)合金模具機(jī)壓成型，成型壓力500-1000kg/cm2 ；
5)將成型素坯與石墨模具、附件組裝，找平，入爐定位燒結(jié)，爐內(nèi)真空度為 IO0-IO-1Pao
燒結(jié)溫控機(jī)制為室溫一600°C，升溫速率10°C /min，保溫30min ；600 — 900°C 升溫速率 10 °C /min,保溫 30min ；900 — 1500 °C 升溫速率 10 °C /min,保溫 30min ； 1500 — 2150°C升溫速率10°C /min，保溫45min ；自然冷卻到安全溫度后出爐。熱壓機(jī)制為 OP — 15% P 5min, 15% P — 30% P 7min,30% P — 45% P 9min,45% P — 60% P llmin, 60% P ^ 75% P 13min,75% P ^ 90% P 15min,90% P ^ 100% P 15min，保壓 3min。
本發(fā)明β -SiC增韌B4C陶瓷燒結(jié)技術(shù)的理論依據(jù)是SiC本身具有良好的力學(xué)性能和物理性能，而且與B4C的性能十分接近，包括比強(qiáng)度、比模量、高硬度，良好的抗腐蝕性和抗熱沖擊性，低密度和低熱膨脹系數(shù)，在元素周期表中Si的位置與B、C毗鄰，因此性能上十分相似，根據(jù)相似相容原理，SiC的存在會改善和優(yōu)化B4C陶瓷的燒結(jié)擴(kuò)散和燒結(jié)過程。 混合研磨后的β-SiC和B4C混合料經(jīng)電子顯微鏡觀測，清晰可見小比例的β-SiC微粒均勻分布在B4C微粒周邊間隙之間，恰好添充了 B4C粉末的自然堆積間隙，達(dá)到了混合后的最高堆積密度和震實(shí)密度。
另外由于β -SiC是SiC的一種低溫晶型，達(dá)到一定燒結(jié)溫度后會發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變， 即由β-SiC轉(zhuǎn)化為α-SiC，正是因這種過程的出現(xiàn)，會大大增加B4C陶瓷的燒結(jié)動力，促進(jìn)晶格蠕動，氣孔關(guān)閉，產(chǎn)品致密化過程加快；在晶型轉(zhuǎn)化過程中揮發(fā)和游離出來的Si可以與B4C陶瓷中游離C發(fā)生合成反應(yīng)生成SiC陶瓷，同時游離出來的C又可以與B4C陶瓷中的部分游離B和BnC (η > 4)化合物發(fā)生反應(yīng)生成B4C組分，經(jīng)高溫?zé)釅汉笞兂葿4C陶瓷，實(shí)現(xiàn) β-SiC增韌B4C陶瓷燒結(jié)的目的。值得注意的是本發(fā)明燒結(jié)溫度比現(xiàn)有技術(shù)降低了 100°C， 所以要控制好燒結(jié)溫度，以避免B4C共晶液相和二次結(jié)晶的出現(xiàn)，在二次結(jié)晶出現(xiàn)之前開始減壓和降溫。
依據(jù)本發(fā)明制得的B4C陶瓷與單質(zhì)B4C陶瓷對比
產(chǎn)品密度由2. 5g/cm3 提高到 2. 65-2. 70g/cm3 ；
斷裂韌性Kic 由 3-3. 5 提高到5-5. 5MPa. yfm ；
燒結(jié)溫度降低100°C ；
產(chǎn)品加工進(jìn)刀量可增加到0. 15mm，提高加工效率50% ；
產(chǎn)品加工成品率由85 90%提高到88 92% ；
節(jié)能、降耗、提高燒結(jié)爐使用壽命等綜合效益非常顯著。
具體實(shí)施例方式
通過下面對實(shí)施例的描述，將更有助于公眾理解本發(fā)明，但不能也不應(yīng)當(dāng)將申請人所給出的具體實(shí)施例視為對本發(fā)明技術(shù)方案的限制，它可以是本發(fā)明技術(shù)方案中的任意組合。
具體實(shí)施例一本實(shí)施例原料組分由B4C 85 90%，β -SiC 10-15%構(gòu)成。
具體實(shí)施例二 本實(shí)施例原料組分由B4C 88%, β -SiC 12%構(gòu)成。
具體實(shí)施例三本實(shí)施例原料組分由B4C 86%, β -SiC 14%構(gòu)成。
具體實(shí)施例四本發(fā)明實(shí)施步驟及工藝控制參數(shù)如下
1)將預(yù)選比例10 15%的β -SiC與5%重量比的樹脂結(jié)合劑入砂磨機(jī)研磨，料砂比例3 2，研磨時間大于12小時；
2)將砂磨所得漿料與預(yù)選比例85-90%的B4C和5_8%的有機(jī)添加劑入球磨機(jī)研磨，料球比4 1，研磨時間8-12小時；
3)將球磨后所得粘稠漿料噴霧干燥、密封分裝腐化72小時；
4)將腐化好的原料經(jīng)合金模具機(jī)壓成型，成型壓力500-1000kg/cm2 ；
5)將成型素坯與石墨模具、附件組裝，找平，入爐定位燒結(jié)，爐內(nèi)真空度為 IO0-IO-1Pao
燒結(jié)溫控機(jī)制為室溫一600°C，升溫速率10°C /min,保溫30min ；600 — 900°C 升溫速率 10 °C /min,保溫 30min ；900 — 1500 °C 升溫速率 10 °C /min,保溫 30min ； 1500 — 2150°C升溫速率10°C /min，保溫45min ；自然冷卻到安全溫度后出爐。熱壓機(jī)制為 OP — 15% P 5min, 15% P — 30% P 7min,30% P — 45% P 9min,45% P — 60% P llmin, 60% P ^ 75% P 13min,75% P ^ 90% P 15min,90% P ^ 100% P 15min，保壓 3min。
具體實(shí)施例五本實(shí)施例與具體實(shí)施例四不同的是，步驟1)中將預(yù)選比例12%的 β -SiC與5%重量比的樹脂結(jié)合劑入砂磨機(jī)研磨，步驟2)中將砂磨所得漿料與預(yù)選比例 88 %的B4C和5-8 %的有機(jī)添加劑入球磨機(jī)研磨，其它與具體實(shí)施例四相同。
當(dāng)然，本發(fā)明還可以有其它多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下， 熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明做出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種β-SiC增韌B4C陶瓷燒結(jié)技術(shù)，其特征在于采用復(fù)合材料，在單質(zhì)B4C材料中添加β -SiC0
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述β-SiC增韌B4C陶瓷燒結(jié)技術(shù)中β-SiC的添加比例為 10-15%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述β-SiC增韌B4C陶瓷燒結(jié)技術(shù)中β-SiC的添加比例為12%0
4.一種β-SiC增韌B4C陶瓷燒結(jié)技術(shù)的實(shí)施步驟及工藝控制參數(shù)，其特征在于1)將預(yù)選比例的β-SiC與5%樹脂結(jié)合劑入砂磨機(jī)研磨，料砂比3 2，研磨時間大于12小時；2)將砂磨所得漿料與預(yù)選比例的B4C和5 8%的有機(jī)添加劑入球磨機(jī)研磨，料球比 4 1，研磨時間8-12小時；3)將球磨所得粘稠漿料噴霧干燥、密封分裝、腐化72小時；4)將腐化好的原料經(jīng)合金模具機(jī)壓成型，成型壓力500-1000kg/cm2；5)將成型素坯與石墨模具、附件組裝，找平，入爐定位燒結(jié)，爐內(nèi)真空度為lOMO—Ta。 燒結(jié)溫控機(jī)制為室溫一600°C，升溫速率10°C /min，保溫30min ；600 — 900°C升溫速率 10°C /min，保溫 30min ；900 — 1500°C升溫速率 10°C /min，保溫 30min ； 1500 — 2150°C 升溫速率10°C /min，保溫45min ；自然冷卻到安全溫度后出爐。熱壓機(jī)制為0P - 15% P 5min, 15% P ^ 30% P 7min,30% P ^ 45% P9min,45% P ^ 60% P llmin,60% P ^ 75% P 13min,75% P ^ 90% P 15min,90% P ^ 100% P 15min，保壓 3min。
全文摘要
本發(fā)明提供一種β-SiC增韌B4C陶瓷燒結(jié)技術(shù)，它是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的1、采用復(fù)合材料，在單質(zhì)B4C材料中添加β-SiC，配料比例為B4C85-90％，β-SiC10～15％；2、實(shí)施步驟如下1)將β-SiC與結(jié)合劑入砂磨機(jī)研磨；2)將砂磨所得漿料與B4C和添加劑入球磨機(jī)研磨；3)將球磨所得粘稠漿料噴霧干燥、密封分裝腐化；4)將腐化好的原料經(jīng)合金模具機(jī)壓成型；5)將成型素坯與石墨模具、附件組裝，找平，入爐定位燒結(jié)，燒結(jié)所得即為增韌B4C陶瓷。本發(fā)明不儀增加B4C陶瓷韌性，改善可加工性能，提高加工效率和正品率，同時降低燒結(jié)溫度，節(jié)約能源，提高燒結(jié)爐使用壽命，可帶來顯著經(jīng)濟(jì)效益。
文檔編號C04B35/622GK102531604SQ201110439169
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月26日
發(fā)明者張忠岐, 魏德軍 申請人:遷安市樂達(dá)特種陶瓷制品有限公司, 魏德軍