一種碳化矽‑石墨升液管及製備方法與流程
2023-11-07 17:59:47
本發明屬於耐火材料技術領域，主要涉及一種碳化矽-石墨升液管及其製備方法。
背景技術：
低壓鑄造升液管是低壓鑄造機上的關鍵部件之一，工作時鋁熔液(溫度700~900℃)每隔3~5min從升液管內被壓送到模具型腔。這種工況要求該部件具有耐高溫、抗熱震、與金屬熔液不潤溼、良好的氣密性和長期的抗熱衝擊疲勞性等性能。目前，國內鑄鋁用升液管主要是鑄鐵升液管，而鐵在鋁熔液中的滲熔，會極大地降低鑄鋁件的質量。國外多採用陶瓷質升液管，如日本多採用si3n4反應結合sic陶瓷升液管，具有使用壽命長、耐侵蝕、不汙染鋁液等優點，而極大地提高鑄鋁產品的質量和生產效率，但由於si3n4反應結合sic陶瓷升液管生產成本高，價格昂貴，在我國推廣較困難。同時，國內外開發出了鈦酸鋁陶瓷質的升液管，正常情況下該材質升液管可連續運行60天以上。鈦酸鋁陶瓷不僅具有較高的熔點(1860℃)、較低的熱膨脹係數(α≤2.0×10-6)和優良的抗熱震性，且具有與鋁等許多有色金屬熔體不潤溼的特性,成為製備鑄鋁用升液管材質之一。但鈦酸鋁在750~1300℃之間易於分解為α-al2o3和金紅石型tio2，導致材料力學和抗熱震性能降低，製品破壞。
技術實現要素：
本發明目的是提供一種碳化矽-石墨升液管及其製備方法，使其能代替目前普遍應用的陶瓷質升液管例如氮化矽結合碳化矽和鈦酸鋁陶瓷升液管。
本發明為完成上述目的採用如下技術方案：
一種碳化矽-石墨升液管，所述升液管的原料包括有主相材料和基質部份；所述的主相材料為碳化矽和石墨，所述的基質部份為金屬矽粉、碳化硼和硼玻璃粉；升液管的原料組成及質量百分比為：
碳化矽：30%~40%；粒度2~1mm，
10%~20%1~0mm，；
石墨：15%~25%；595#，
金屬矽粉：5%~10%≤1000目，
碳化硼：5%~10%≤1000目，
硼玻璃粉：10%~20%≤1000目；
所述的升液管還外加有作為結合劑的酚醛樹脂粉和作為溶劑的糠醛，酚醛樹脂粉和糠醛加入量分別為上述原料總重量的3%~6%、4%~7%；酚醛樹脂粉，固含量≥80%，游離酚≤8%硼玻璃粉的成分為：鉀長石25%～30%；葉蠟石12%～17%；硼砂47%～53%；矽石5%～11%，將上述物料裝入振動球磨罐中進行充分混合，混磨時間5~15h，混合細粉的粒度≤1000目。
利用所述的一種碳化矽-石墨升液管進行製備的方法，其特徵在於：先將鉀長石、葉蠟石、硼砂、矽石按比例加入振動球磨灌中進入預混獲得硼玻璃粉，然後將碳化矽、石墨、金屬矽粉、硼玻璃粉、酚醛樹脂粉按照比例加入到高速造粒機混料罐中，高速旋轉10~30min；然後將糠醛加入高速造粒機混料罐中繼續高速混煉10~20min，再低速混煉5min出料；坯料須進行料過篩，篩子孔徑尺寸<3mm；將坯料乾燥後並控制揮發份後裝入升液管壓制模具中在等靜壓機中液壓成型，成型的坯體在氮氣氛下進行熱處理，形成了碳化矽-石墨高抗熱震高緻密性升液管。
物料揮發份控制在0.8%~1.2%。
物料烘拷溫度≤70℃。
成型壓力不低於100mp，保壓時間≥2min。熱處理溫度950℃~1250℃，升溫速度1℃/分，保溫時間5h；熱處理氣氛為氮氣，氮氣純度≥99.9999%，爐內氮氣壓力≥0.1mpa；保溫時間結束後，在600℃以上控制爐內降溫速率≤1℃/分。
升液管的成型方式為等靜壓，液壓介質為油或是水，成型用膠套材質為聚氨酯或是人造橡膠。
本發明提出的一種碳化矽-石墨升液管及其製備方法，利用低膨脹性原料碳化矽、石墨作為所製備升液管的主相材料，同時熱處理後的結合相為樹脂殘碳，因而熱震性能好。為了滿足升液管的氣密性要求，必須先獲取高緻密性生坯，而酚醛樹脂粉是極好的塑性結合劑，通過控制合適的加入量和控制合適的揮發份，在高壓下生坯氣孔率可以控制在2%以下；在熱處理過程中，無法通過燒結來降低材料氣孔率，同時，所採用的結合劑是有機物，會有一部份燒失，造成了氣孔率的提高，我們採用能夠促進酚醛樹脂殘碳的糠醛作為溶劑，糠醛在混料器中可以與酚醛樹脂反應，增加了其支鏈，進而獲得較高的殘碳，從而獲得高緻密熟坯；為了進一步提高材料的抗氧化性和緻密性，還需適當添加金屬矽粉、硼玻璃粉；因為上述超細粉，會在樹脂碳化完成後的溫度範圍內呈現熔融狀態能夠填充其間隙，從而提高材料的緻密度；該方法製備的升液管不但可以滿足鑄造過程中的熱震條件和氣密性要求（顯氣孔率3%以下），並且成本較低，可以大面積推廣，具有很好的經濟效益。
具體實施方式
實施例1
碳化矽和石墨為主要原料，其中粒度2~1mm碳化矽：30%，粒度1~0mm碳化矽20%，石墨含量18%，並添6%金屬矽粉，6%碳化硼，20%硼玻璃粉（硼玻璃製備方法：鉀長石25%、葉蠟石15%、硼砂50%、矽石10%，在振動球磨罐中預混10h，料球比例：1:2）。固態樹脂粉作為結合劑，溶劑為糠醛，加入量分別為上述原料總量的4%和5%，經高速混料機混練，60℃烘乾後得到坯料揮發份0.9%，並於mpa等靜壓成型，最後在氮氣氛保護處理爐中進行熱處理，n2含量大於99.999vol%，以1℃/min升溫至950℃，保溫300min以1℃/min降溫至600℃。熱處理後材料的顯氣孔率為2.6%，材料的常高溫強度分別18mpa和14mpa。1100℃水冷熱震4次後殘餘強度為10mpa。
實施例2
碳化矽和石墨為主要原料，其中粒度2~1mm碳化矽：33%，粒度1~0mm碳化矽20%，石墨含量15%，並添6%金屬矽粉，10%碳化硼，16%硼玻璃粉（硼玻璃製備方法：鉀長石30%、葉蠟石10%、硼砂50%、矽石10%，在振動球磨罐中預混10h，料球比例：1:2）。固態樹脂粉作為結合劑，溶劑為糠醛，加入量分別為上述原料總量的3%和4%，經高速混料機混練，65℃烘乾後得到坯料揮發份0.8%，並於120mpa等靜壓成型，最後在氮氣氛保護處理爐中進行熱處理，n2含量大於99.999vol%，以1℃/min升溫至1150℃，保溫300min以1℃/min降溫至600℃。熱處理後材料的顯氣孔率為2.5%，材料的常高溫強度分別20mpa和13mpa。1100℃水冷熱震4次後殘餘強度為7.4mpa。
實施例3
碳化矽和石墨為主要原料，其中粒度2~1mm碳化矽：33%，粒度1~0mm碳化矽10%，石墨含量25%，並添6%金屬矽粉，10%碳化硼，16%硼玻璃粉（硼玻璃製備方法：鉀長石26%、葉蠟石17%、硼砂52%、矽石5%，在振動球磨罐中預混10h，料球比例：1:2）。固態樹脂粉作為結合劑，溶劑為糠醛，加入量分別為上述原料總量的6%和7%，經高速混料機混練，70℃烘乾後得到坯料揮發份1.2%，並於120mpa等靜壓成型，最後在氮氣氛保護處理爐中進行熱處理，n2含量大於99.999vol%，以1℃/min升溫至1150℃，保溫300min以1℃/min降溫至600℃。熱處理後材料的顯氣孔率為2.0%，材料的常高溫強度分別23mpa和12mpa。1100℃水冷熱震4次後殘餘強度為8.6mpa。
實施例4
碳化矽和石墨為主要原料，其中粒度2~1mm碳化矽：40%，粒度1~0mm碳化矽15%，石墨含量20%，並添6%金屬矽粉，7%碳化硼，12%硼玻璃粉（硼玻璃製備方法：鉀長石22%、葉蠟石15%、硼砂53%、矽石10%，在振動球磨罐中預混10h，料球比例：1:2）。固態樹脂粉作為結合劑，溶劑為糠醛，加入量分別為上述原料總量的5%和6%，經高速混料機混練，65℃烘乾後得到坯料揮發份1.0%，並於120mpa等靜壓成型，最後在氮氣氛保護處理爐中進行熱處理，n2含量大於99.999vol%，以1℃/min升溫至1150℃，保溫300min以1℃/min降溫至600℃。熱處理後材料的顯氣孔率為2.1%，材料的常高溫強度分別20mpa和13mpa。1100℃水冷熱震4次後殘餘強度為7mpa。