[发明专利]陶瓷复合材料及制法

说明书

本发明涉及一种陶瓷复合材料以及制造耐熔融金属腐蚀和腐蚀性能出色的该陶瓷复合材料的方法。

在连续铸造熔融金属的过程中，在炉子喷嘴和铸模之间使用隔断环（break    ring）起热屏障的作用。这种隔断环必须既具有抗热震性，高温稳定性，而且对流过隔断环进入铸模的高温熔融金属必须是能耐其腐蚀和腐蚀的。熔融金属流入挤压铸模时先流经隔断环，此时隔断环抵抗熔融金属侵蚀的性能决定着在不中断操作以更换隔断的情况下一次铸造中所铸的金属重量。成本是另一重要的因素，为此要求隔断环易于机械加工。

氮化硼是一种用于制造隔断环的常规材料，因为它具有优良的抗热震性、高温稳定性以及可加工性。但是，它的耐磨性能差，所以与流动的熔融金属接触时有很高的磨损。曾将氮化硼和氧化铝（Al₂O₃）复合在一起形成一种陶瓷复合材料，因其坚硬、耐磨以及化学稳定性好，它也用于熔融金属的用途。此外，曾将氮化硼分别与氮化铝（AlN）、二硼化钛（TiB₂）、莫来石（3Al₂O₃-2SiO₂）、或者与氮化铝和二硼化钛复合使用。也曾将其他材料（如氮化硅）和氮化硼制成复合材料，用作隔断环。但是，含氮化硅的该复合材料不易加工。BN-AlN，BN-3Al₂O₃-2SiO₂，和BN-TiB₂-AlN这些氮化硼复合材料是容易机械加工的，可从Ohio州Cleveland的the Praxair InC.的高级陶瓷部购得。Al₂O₃-BN复合材料和莫来石-BN复合材料的机械性能及物理性能在Lewis等题为“Microstructure and Thermomechanical Properties in Alumina and Mullite BoronNitride    Particulate    Ceramic-Ceramic    Composites”，Ceram.Eng.Sci.Proc.2：719-727（Nos.7-8，1981）的一文中有所描述，该文还有这些复合材料抗热震性能的数据。此外，美国专利No.4，997，605公开了一种以熔铸锆莫来石和氮化硼混合物为原料，通过热压制成的陶瓷复合材料，它具有优良的抗热震性以及相当好的耐熔融金属磨蚀和腐蚀的性能。

上述的那些易加工的氮化硼陶瓷复合材料目前都是通过热压制成的，而且在模拟连续铸造过程条件的测试条件下，具有大致相似的耐磨蚀和腐蚀的性能。任何一种上述已知的氮化硼复合材料的配方都可进行调整以增加其耐磨蚀和腐蚀性，但这仅仅是作为影响其他性能尤其是加工性的一种权衡。

本发明发现，含有氮化硼、莫来石和氮化铝的陶瓷复合材料的耐熔融金属磨蚀和腐蚀的性能与已知的氮化硼复合材料BN-AlN和BN-3Al₂O₃-2SiO₂以及单独的氧化硼相比，出乎意料地好得多。

本发明还发现，由复合的氮化硼、莫来石和氮化铝构成的复合材料是容易加工的，既可用热压法，也可用冷成形然后烧结法制造。该复合材料BN-AlN-3Al₂O₃-2SiO₂只要按照本发明的配方，其抗热震性很高，而且与所有目前已知的易加工氮化硼复合材料的耐磨蚀/腐蚀性能相比，其相同操作条件下的耐磨蚀/腐蚀性能更为优越。当本发明的氮化硼复合材料是热压制成时，在模拟的连续铸造操作条件下，其耐磨蚀/腐蚀性能即每小时的质量降低率小于1%。如果BN-AlN-3Al₂O₃-2SiO₂复合陶瓷材料是根据本发明的冷成形然后烧结法制造，则其耐磨蚀/腐蚀性能与热压制成的那些易加工的已知氮化硼复合材料同样好。

本发明的陶瓷复合材料含有：18.5-29.0%（重量）莫来石，35-18%（重量）氮化铝，余下的是最低含量至少约40%（重量）的氮化硼，这三者是复合在一起的。

本发明包括一种冷成形然后烧结制备陶瓷复合材料的方法，其步骤如下：

（a）将含18.5-29.0%（重量）莫来石，35-18%（重量）氮化铝以及至少40%（重量）氮化硼的物料进行混合;

（b）研磨此混合物至平均粒度小于约5微米;