碳化硅颗粒级配对碳化硅制品烧成影响的探讨

    方仁德 孔令峰

    

    

    

    摘 要:本文以粘土、氧化铝粉及碳化硅为基础配方,采用酚醛树脂、乙二醇为添加剂进行成型,考察不同的颗粒级配及不同的烧成制度,探讨其对烧结性能的影响。最终试验表明,当碳化硅颗粒级配为70#:80#:100#的比例为10:34:6时,其所需要的烧结温度较高,烧结性能好,且热膨胀系数较低,满足碳化硅质陶瓷制品的需求。

    关键词:碳化硅;颗粒级配;烧结性能

    1 前 言

    碳化硅材料由于化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好等优异的物理特性,是良好的耐火材料产品。我司主要研究碳化硅陶瓷辊棒用于辊道窑的急冷带区域使用。众所周知,碳化硅材料的烧成非常关键,温度过高会使其容易氧化,烧成温度过低,烧制的产品又达不到设计要求,为此对于固相法制备碳化硅质产品需严格控制工艺。

    碳化硅颗粒级配对碳化硅制品的烧成及性能显得尤其重要,国内许多学者都取得了一定的成果,如选用亚微米级和纳米级的SiC粉体进行制备碳化硅制品,由于亚微米或纳米级碳化硅粉体的粒径小、比表面积大、表面能高、烧结活性大、高温(1950 ~ 2200℃)下原子扩散剧烈,导致在烧结过程中易出现晶粒异常长大的现象[1],最终达到增强增韧的作用。同时也有研究将部分粗粉引入到亚微米级粉体中进行颗粒级配,粗颗粒在烧结过程中可降低颗粒间的界面扩散,起到钉扎作用,从而抑制晶粒的异常长大,并弱化部分SiC/SiC 晶界处的界面结合,进而改善 SiC 陶瓷的力学性能,粉体颗粒级配的方式来实现碳化硅陶瓷的增强增韧。

    碳化硅质陶瓷辊棒使用的温度一般在1000℃左右,而碳化硅材料在1350℃的氧化气氛下烧成,很容易烧氧化,为了解决这个温度,需结合自身的配方特点,选用合适的颗粒级配的碳化硅进行试验,在不氧化的情况下,烧结性能最佳,产品的性能也最好,这对于碳化硅质陶瓷生产和使用具有重要的意义。

    2 试 验

    2.1 陶瓷的制备

    根据原料及组成点的化学组成进行配方计算,按照下列工艺过程制备试样。

    原料→配料→球磨→加砂、造粒混合→成型→干燥→烧成,加入一定量的添加剂,采用半干压法压制成型,成型压力为30 MPa。

    按照添加剂的比例进行添加,试样尺寸(mm)为 50×14×15的试条。坯体干燥后,将各试样在硅钼棒炉中于1340 ~ 1370℃保温2 h 烧成,停止加热后随炉温自然冷却。

    按照添加剂的比例在练泥时加入,并采用真空挤出成型进行出管成型,并在间歇式窑炉中吊烧。

    2.2 复相陶瓷的性能表征

    采用阿基米德法測试烧结体的吸水率、孔隙率和体积密度,利用Y-4型的X射线衍射仪分析试样的晶相;采用JM-6460LV型扫描电子显微镜观察试样的断面微观形貌;利用三点弯曲法测量烧结体的抗折强度。

    3 结果与讨论

    3.1 试样的烧结状况

    从试样的烧结情况来看,调整碳化硅颗粒级配,烧结性能有很大的影响,SC-1的烧成收缩率最大,这是因为SiC(80#)含量较高,因为SiC(80#)中含有少量的细颗粒,所以整个配方中骨料的粒度较细,故体积密度最大。SC-2、SC-3和SC-4相比,100#的砂含量逐渐增大,体密先降低后增大,那是因为100#砂含量对整个骨料的颗粒度影响最大,因此选用SC-1和SC-3进行出管试验,搭烧SC-4配方。

    3.2 碳化硅制品的成型

    从图1可知,采用同样的添加剂,只是改变碳化硅的颗粒级配,管坯的水溶性相差较大,SC-3因为颗粒较小,比表面积较大,因此水溶较快,这些现象反映碳化硅颗粒度对陶瓷管的烧成影响也较大。

    从照片可知,SC-1的外表面较SC-3的要粗,检测管坯的抗折强度基本相当,因此进行烧成试验。

    3.3 碳化硅制品的烧成

    将两个配方的坯体进行窑炉烧制,SC-1配方出现掉棒,但是SC-3未出现掉棒,这是因为颗粒级配较粗时,管坯在烧制过程中抗拉强度较低,导致掉棒。

    3.4 碳化硅制品的结构和性能表征

    我们知道,高温机械性能主要取决于显微结构特征,主要体现在液相的含量,气相及晶相的含量及分布状况,而最为重要的是晶相的含量和晶体的生长状况,因此本文就不同添加剂对晶相和液相及其造成的性能影响进行分析。

    从结构来看,陶瓷的物相相当,区别在于颗粒小的碳化硅易于致密。

    从表4可知,SC-3配方的性能明显较低,这是因为引入粗砂,阻止了大尺寸的长棒状转化为细小的晶体,从而影响了烧结体的烧结性能,尤其是抗拉强度,导致了工艺的失败,因此说明碳化硅颗粒较粗和较细对其烧成均不利。

    4 结 论

    (1)碳化硅的颗粒级配对碳化硅陶瓷的烧结性能影响较大,尤其是在抗拉强度性能上相差较大,导致工艺的可信性。

    (2)碳化硅的颗粒度太小,因为活性较大,易造成因过烧而掉棒的现象。

    参考文献

    [1] MAGNANI G, BRENTARI A, BURRSI E, et al. Pressureless sintered silicon carbide with enhanced meachanical properties obtained by the two-step sintering method. Ceram. Int., 2014,40(1):1759-1763.