[发明专利]氮化硅/氮化硼复合材料及其制造方法

说明书

本发明属无机非金属材料科学，高温工程陶瓷领域。

水平连续铸钢工艺具有设备工艺简单，铸坯质量好，节约能源，提高金属收得率等许多优点，近年来在国外得到了较快的发展，如西德的工艺铸造公司，日本住友钢铁公司等都取得了相当研究进展。目前，国内许多钢铁公司也在对此项技术进行开发研究，并开始进入推广应用阶段。

陶瓷分离环是水平连铸装备的技术关键之一，它位于中间包和结晶器的结合处，钢水从中间包流经水口、分离环到结晶器。分离环处于钢水的熔融区和凝固区之间，起铸时经受约1570℃左右钢水的热冲击，连铸过程中承受约150℃-1570℃温差所产生的热应力，并处于熔融钢水的不断侵蚀和冲刷之下。所以，一般耐火材料难以满足它的使用要求。

目前，国内外主要采用热压氮化硼作为分离环材质，使用效果也较好，但氮化硼材质原料价格较贵，而且在保存和运输过程中需要防潮保护，给使用带来诸多不便。另外，由于氮化硼材料的导热系数较大，对铸坯工艺和铸坯质量有不良影响。

氮化硅陶瓷是一种优良的高温工程陶瓷，它具有高硬、高强，化学稳定性好等许多良好性能，但作为分离环材质使用，抗熔钢侵蚀性较差，抗热震性不能满足要求，导致产品性能不稳定。而且异型部件难以进行机加工。

反应烧结Si₃N₄/BN复合材料，由于起始原料及烧结机理与热压工艺不同，因而最终烧结体中主晶相构成及材料性能均不同。反应烧结具有反应周期时 间长（予烧结及反应烧结时间150小时以上）材料气孔率大、密度小，因而强度较低、抗熔钢侵蚀性差，使用寿命较短，同时材料的抗热震强度衰减温度较低（＜600℃），使用过程易产生剥落、碎裂现象，导致连铸工艺不稳定。

本发明材料的目的是综合Si₃N₄材料及BN材料两方面的优点，改善Si₃N₄陶瓷的脆性、抗热震性较低，抗熔钢侵蚀较差及较难加工的缺点，同时也解决一般热压BN工程材料及BN复合烧结体易于吸潮分解，不易保管使用以及导热系数较大，导致连铸机三重点温升过高，使连铸工艺不稳定的缺点，改善分离环的保存条件及使用性能。

本发明材料具有优异的高温物理及化学特性，其高温抗热震强度衰减温度（＞920℃）比一般结构陶瓷材料有极大提高。这种材料还具有优异高温强度，密度适中，与熔钢浸润角较大（约120℃左右），因此材料抗熔钢侵蚀及磨损性好（侵蚀速率＜0.8mm/小时），大大提高了分离环使用寿命。使用这种材料制备出的水平连续铸钢用分离环，能满足水平连铸工艺中对分离环，具有高抗热震性、能承受约1570℃-150℃温差所产生的热应力破坏及耐碳钢、合金钢和不锈钢等熔融钢水侵蚀、磨损等苛刻条件的要求。同时这种复合材料的导热系数较低，使铸坯内外部结晶均匀细致，避免了一般热压BN材料导热系数较大，使连铸机的重要控制参数-三重点温度过高（比要求值高约300℃）而导致连铸工艺不稳定甚至失败的缺点。这种分离环还具有不怕潮、加工精度较高，装配过程不易损坏等优点，经工业化水平连铸考核试验，完全达到工业化水平连铸使用要求。

本发明详细说明是：

使用微细氮化硅粉末（平均粒径小于5微米，α相大于80%）作为基体粉末原料，使用微细氮化硼粉末（未稳定的单斜相，平均粒径小于5微米）作为复合弥散相，从微细（平均粒径小5微米）氧化铝粉末、镁铝尖晶石粉末，氧化锆粉末，碳粉，氧化硼粉末中选取一种至三种作为烧结助剂，按照氮化硅基体粉末55-90%重量比，氮化硼弥散相5～40%重量比，烧结助剂5～15%重量比进行配料，以乙醇（或其它有机溶剂）为分散介质在氧化铝球磨（或衬有橡胶内衬的其它球磨）中采用氧化铝球（或氮化硅球、氧化锆球）混磨5～20小时，经干燥后作为复合材料原始粉料。

将上述复合材料原始粉料装入石墨坩埚后，放入热压电炉，在非氧化气氛保护下，诱导加热到1600～1800℃保温10～80分钟，同时对样品施加100～400Kg/Cm²压力，热压成为氮化硅/氮化硼复合材料。

利用本发明可以制备水平连续铸钢用园坯及方坯分离环和其它高温工程陶瓷部件。

实施例一：