一種用於非氧化物陶瓷燒結的連續燒結爐及使用方法
2023-07-11 12:12:11
專利名稱：一種用於非氧化物陶瓷燒結的連續燒結爐及使用方法
技術領域：
本發明涉及一種製備陶瓷材料的方法，更確切地說涉及一種採用非氧化氣氛、高溫、連續燒結的方式生產非氧化物高性能陶瓷或其複合材料的連續燒結爐及其使用方法，屬於陶瓷製品的生產工藝的技術領域。
背景技術：
非氧化物高性能陶瓷材料及其複合材料(例如氮化矽、碳化矽或賽隆(Sialon)等)具有優良的機械物理性能和高溫力學性能，經過幾十年的研究發展，該類材料目前已經在機械、冶金、石油、化工、汽車等工業領域以及航天和國防等高新技術領域得到廣泛應用，例如陶瓷發動機零部件、陶瓷軸承(球)、陶瓷切削刀具、陶瓷導輪、陶瓷吸管、陶瓷密封件、陶瓷耐磨蝕件等等，並建立一定規模的產業，但是其產業規模遠未達到預期的興旺程度，其中成本太高是制約其大規模工業應用的主要因素之一。因此自二十世紀九十年代末以來，降低生產成本成為實現高溫結構陶瓷產業化和廣泛推向市場、提高競爭力的關鍵環節。降低成本成為國際上非氧化物高性能陶瓷材料獲得大規模應用所面臨的主要問題。
眾所周知，氮化矽基或碳化矽基等非氧化物高性能陶瓷及其複合材料均具有Si-N、Si-C等強共價鍵特徵，這樣，在製備這些陶瓷材料的時候都需要在高溫下(通常在1700℃以上)、保溫一定的時間(通常在1小時以上)以實現這些陶瓷材料的緻密化。因此，除了生產原料、原料處理、成型和產品加工以外，燒結成本是非氧化物高性能陶瓷材料降低生產成本的重要環節之一。
從燒結方法來說，非氧化物高性能陶瓷及其複合材料的燒結大致有反應燒結、重燒結、無壓燒結、氣壓燒結、熱壓燒結、熱等靜壓燒結等方法。但是從燒結方式來說，無論採用上述任何一種燒結方法，目前的燒結裝置採用的均是間歇式燒結方式，也就是說，燒結只能間歇地進行，完成一批試樣的燒結後，必須間歇一定的時間以冷卻燒結裝置和燒結試樣，待燒結裝置和試樣冷卻後，依次取出完成燒結的試樣、重新裝入新一批待燒結試樣，然後才能開始新一批試樣的燒結。R.L.耶克利發明的「具有高疲勞壽命的氮化矽軸承球」(CN1143944A)、王佩玲等人發明的「賽隆復相陶瓷及製備方法」(CN1142478A)、張寶林等人發明的「用於軸承球的賽隆陶瓷材料及其製備方法」(CN1270944A)、譚壽洪等人發明的「含反應合成碳硼鋁化合物相的碳化矽陶瓷及其液相燒結法」(CN1369463A)等都是採用間歇式燒結裝置實現陶瓷材料製備的，這種燒結方式普遍存在能量消耗大、生產效率低、燒結成本高等弊端。另一方面，周和平等人發明的「低溫燒結的99氧化鋁陶瓷及其製造方法和用途」(CN1533999)、袁發仁等人發明的「一種氧化鋯工程陶瓷及其製備方法」(CN1510011)、鍾正偉發明的「隧道窯燒結生產氧化鋁的方法及專用隧道窯」(CN1191786)、A.T.達爾等人發明的「陶瓷蜂窩體的燒制方法及所用的隧道窯」(CN1282412)等採用隧道窯燒結裝置可以實現陶瓷材料的大規模生產。相比之下，隧道窯燒結方式減少了上述間歇式燒結帶來的大量能耗損失，提高了生產效率，可以實現規模化連續生產，降低了陶瓷產品的燒結成本，但是目前的隧道窯燒結方式僅能在氧化氣氛下用於氧化鋁(剛玉)、氧化鋯、莫來石、堇青石等氧化物陶瓷材料的燒結。對於氮化矽基和碳化矽基等在高溫下容易發生氧化反應的非氧化物高溫結構陶瓷及其複合材料的燒結來說，目前的隧道窯燒結裝置普遍存在燒結溫度偏低(通常在1700℃以下)和不能滿足非氧化燒結氣氛(例如氮氣、氬氣、真空等)的不足。
發明內容
本發明的目的在於提供一種可以用於生產非氧化物高性能陶瓷及其複合材料的連續燒結爐及其使用方法，本發明提供的連續燒結爐可以用於氮化物和碳化物等非氧化物高性能陶瓷及其複合材料的高溫連續燒結，燒結產品的性能與傳統的間歇式燒結相當，適合於非氧化物高性能陶瓷及其複合材料的批量化、連續化、規模化生產。
本發明提供的用於製備非氧化物高性能陶瓷及其複合材料的連續燒結基於這樣一種思路第一，將燒結爐體設計成三個溫區，即預燒結區、高溫燒結區和低溫過渡區。三個溫區的溫度可由三路電氣系統單獨調節控制，三個溫區的水平方向的溫度曲線可以根據不同材質的燒結工藝的需要隨爐膛水平位置而呈梯度變化，但三溫區的溫度基本保持穩定而在連續燒結過程中不隨時間升降。正常開爐後，只需供應維持這個溫度梯度的能源即可。這樣，與傳統的間歇式燒結相比，這種燒結方式可以大幅度地降低燒結能耗。第二，在三溫區的兩端分別設計安裝一個進料室和一個出料室，在進料室和預燒結區之間以及低溫過渡區和出料室之間分別設計安裝閘門，並且進(出)料室均與真空系統相連接，從而滿足非氧化性氣氛連續燒結過程中的安全進料和出料。這樣，與傳統的隧道窯燒結相比，這種燒結方式可以實現非氧化物陶瓷及其複合材料的高溫連續燒結。
所述的連續燒結爐用於高性能陶瓷及其複合材料的使用方法是1)首先，將第一批裝入坩堝或匣缽中的非氧化物高性能陶瓷或其複合材料的陶瓷素坯試樣經進料室(4)送入預燒結區(1)，預熱一段時間之後，而在第二批裝入坩堝或匣缽中的陶瓷素坯試樣之前，先關閉位於進料室和預燒結區之間的閘門(9)；2)然後，將第二批裝入坩堝或匣缽中的陶瓷素坯試樣經進料室(4)推入預燒結區(1)，同時藉助推板將經過預燒的第一批裝入坩堝或匣缽中的陶瓷試樣向前推移進入高溫燒結區(2)，使之在高溫燒結區進行燒結；
3)經過一段時間燒結後，採用同樣的方法，將第三批裝入坩堝或匣缽中的陶瓷素坯試樣經進料室(4)推入預燒結區(1)，同時將第二批裝入坩堝或匣缽中的陶瓷試樣推入高溫燒結區(2)進行高溫燒結，將第一批完成高溫燒結的裝入坩堝或匣缽中的陶瓷試樣推入低溫過渡區(3)進行冷卻；4)再經過一段時間燒結後，採用同樣的方法，將第四批裝入坩堝或匣缽中的陶瓷素坯試樣經進料室(4)推入預燒結區(1)，同時將第三批裝入坩堝或匣缽中的陶瓷試樣推入高溫燒結區(2)進行高溫燒結，將第二批完成高溫燒結的裝入坩堝或匣缽中的陶瓷試樣推入低溫過渡區(3)進行冷卻，將第一批完成冷卻的裝入坩堝或匣缽中的陶瓷試樣經出料室(5)取出，而在取出已燒結試樣之前，先關閉位於低溫過渡區(3)和出料室(5)之間的閘門(10)；5)然後依次打開出料口(12)、取出燒結試樣、關閉出料口(12)、真空排除出料室內空氣、打開位於低溫過渡區(3)和出料室(5)之間的閘門(10)；6)重複上述步驟，實現非氧化物高性能陶瓷或其複合材料的連續燒結。
本發明的特點是採用該方法可以實現氮化物和碳化物等非氧化物高性能陶瓷及其複合材料的高溫連續燒結，與傳統的間歇式燒結相比，明顯減少了能耗損失，提高了生產效率，降低了燒結成本，可以實現非氧化物高性能陶瓷及其複合材料的批量化、連續化、規模化生產。
圖1本發明提供的連續燒結爐結構示意中1.預燒結區 2.高溫燒結區 3.低溫過渡區 4.進料室 5.出料室 6.真空系統 7.變壓器 8.電氣控制櫃 9.進口閘門 10.出口閘門 11.進料門 12.出料門
具體實施例方式
本發明提供的連續燒結爐如圖1所示，其特徵在於(1)將燒結爐體設計成三溫區，即預燒結區(1)、高溫燒結區(2)和低溫過渡區(3)；在三個溫區的兩端分別設計安裝進料室(4)和出料室(5)，進料室(4)和出料室(5)各自與真空系統(6)相連接，從而實現非氧化氣氛連續燒結過程中的進料和出料；(2)三個溫區的溫度分別由三路電氣系統(7)和與之相連接的控制系統(8)控制。
爐內氣氛為氮氣、氬氣、或者真空。適用於非氧化高性能陶瓷如Si3N4、SiC、Sialon及其複合材料的無壓燒結，具體使用方法是首先，將第一批裝入坩堝或匣缽中的非氧化物高性能陶瓷或其複合材料的陶瓷素坯試樣經進料室(4)送入預燒結區(1)，預熱一段時間之後，而在裝入第二批裝入坩堝或匣缽中的陶瓷素坯試樣之前，先關閉位於進料室和預燒結區之間的閘門(9)，以防止空氣進入爐體高溫區域；然後，依次將試樣送入進料室(4)、關閉進料口(11)、真空排除進料室內空氣、打開位於進料室(4)和預燒結區(1)之間的閘門(9)，最後將第二批裝入坩堝或匣缽中的陶瓷素坯試樣經進料室(4)推入預燒結區(1)，同時藉助推板將經過預燒的第一批裝入坩堝或匣缽中的陶瓷試樣向前推移進入高溫燒結區(2)，使之在高溫燒結區進行燒結；經過一段時間燒結後，採用同樣的方法，將第三批裝入坩堝或匣缽中的陶瓷素坯試樣經進料室(4)推入預燒結區(1)，同時將第二批裝入坩堝或匣缽中的陶瓷試樣推入高溫燒結區(2)進行高溫燒結，將第一批完成高溫燒結的裝入坩堝或匣缽中的陶瓷試樣推入低溫過渡區(3)進行冷卻；再經過一段時間燒結後，採用同樣的方法，將第四批裝入坩堝或匣缽中的陶瓷素坯試樣經進料室(4)推入預燒結區(1)，同時將第三批裝入坩堝或匣缽中的陶瓷試樣推入高溫燒結區(2)進行高溫燒結，將第二批完成高溫燒結的裝入坩堝或匣缽中的陶瓷試樣推入低溫過渡區(3)進行冷卻，將第一批完成冷卻的裝入坩堝或匣缽中的陶瓷試樣經出料室(5)取出，而在取出已燒結試樣之前，先關閉位於低溫過渡區(3)和出料室(5)之間的閘門(10)；然後依次打開出料口(12)、取出燒結試樣、關閉出料口(12)、真空排除出料室內空氣、打開位於低溫過渡區(3)和出料室(5)之間的閘門(10)。這樣，每間隔一定的時間就可以完成一批陶瓷試樣的燒結，同時放入下一批的陶瓷試樣進行新的燒結，周而復始，實現非氧化物高性能陶瓷或其複合材料的連續燒結。
權利要求
1.一種連續燒結爐，其特徵在於將燒結爐體設計成三溫區，即預燒結區(1)、高溫燒結區(2)和低溫過渡區(3)；在三個溫區的兩端分別設計安裝進料室(4)和出料室(5)，進料室(4)和出料室(5)各自與真空系統(6)相連接，從而實現非氧化氣氛連續燒結過程中的進料和出料。
2.按權利要求1所述的一種連續燒結爐，其特徵在於三溫區的溫度分別由三路電氣系統(7)和與之相連接的控制系統(8)控制。
3.按權利要求1或2所述的連續燒結爐，其特徵在於所述的三個溫區水平方向的溫度曲線依不同燒結材質的燒結工藝的需要，呈梯度變化，且在連續燒結過程中保持不變。
4.按權利要求1所述的一種連續燒結爐，其特徵在於爐內氣氛為氮氣、氬氣或者真空。
5.使用按權利要求1所述的連續燒結爐燒結非氧化物高性能陶瓷及其複合材料的方法，其特徵在於1)首先，將第一批裝入坩堝或匣缽中的非氧化物高性能陶瓷或其複合材料的陶瓷素坯試樣經進料室(4)送入預燒結區(1)，預熱一段時間之後，而在第二批裝入坩堝或匣缽中的陶瓷素坯試樣之前，先關閉位於進料室和預燒結區之間的閘門(9)；2)然後，將第二批裝入坩堝或匣缽中的陶瓷素坯試樣經進料室(4)推入預燒結區(1)，同時藉助推板將經過預燒的第一批裝入坩堝或匣缽中的陶瓷試樣向前推移進入高溫燒結區(2)，使之在高溫燒結區進行燒結；3)經過一段時間燒結後，採用同樣的方法，將第三批裝入坩堝或匣缽中的陶瓷素坯試樣經進料室(4)推入預燒結區(1)，同時將第二批裝入坩堝或匣缽中的陶瓷試樣推入高溫燒結區(2)進行高溫燒結，將第一批完成高溫燒結的裝入坩堝或匣缽中的陶瓷試樣推入低溫過渡區(3)進行冷卻；4)再經過一段時間燒結後，採用同樣的方法，將第四批裝入坩堝或匣缽中的陶瓷素坯試樣經進料室(4)推入預燒結區(1)，同時將第三批裝入坩堝或匣缽中的陶瓷試樣推入高溫燒結區(2)進行高溫燒結，將第二批完成高溫燒結的裝入坩堝或匣缽中的陶瓷試樣推入低溫過渡區(3)進行冷卻，將第一批完成冷卻的裝入坩堝或匣缽中的陶瓷試樣經出料室(5)取出，而在取出已燒結試樣之前，先關閉位於低溫過渡區(3)和出料室(5)之間的閘門(10)；5)然後依次打開出料口(12)、取出燒結試樣、關閉出料口(12)、真空排除出料室內空氣、打開位於低溫過渡區(3)和出料室(5)之間的閘門(10)6)重複上述步驟，實現非氧化物高性能陶瓷或其複合材料的連續燒結。
全文摘要
本發明涉及一種採用非氧化氣氛、高溫、連續燒結的方式生產非氧化物高性能陶瓷或其複合材料的連續燒結爐及其使用方法，屬於陶瓷製品的生產工藝的技術領域。其特徵在於將燒結爐體設計成三溫區，即預燒結區(1)、高溫燒結區(2)和低溫過渡區(3)；在三個溫區的兩端分別設計安裝進料室(4)和出料室(5)，進料室(4)和出料室(5)各自與真空系統(6)相連接，從而實現非氧化氣氛連續燒結過程中的進料和出料，燒結產品的性能與傳統的間歇式燒結相當，適合於非氧化物高性能陶瓷及其複合材料的連續化和規模化生產。與傳統的間歇式燒結相比，具有明顯減少能耗、提高生產效率、降低燒結成本的特點。
文檔編號F27B5/02GK1831457SQ20051002433
公開日2006年9月13日 申請日期2005年3月11日 優先權日2005年3月11日
發明者劉學建, 孫興偉, 葛其明, 黃莉萍, 潘裕柏 申請人:中國科學院上海矽酸鹽研究所