挤出成型薄壁氮化硅管件及其制备方法
阅读说明：本技术 挤出成型薄壁氮化硅管件及其制备方法 (Extrusion molding thin-wall silicon nitride pipe fitting and preparation method thereof ) 是由 高礼文 孙林帅 孙百忠 尚庆刚 邱章喜 朱鑫宁 于 2021-01-26 设计创作，主要内容包括：本发明属于陶瓷材料制备领域,具体涉及一种挤出成型薄壁氮化硅管件及其制备方法。所述的挤出成型薄壁氮化硅管件,由如下重量百分比的原料制成：氮化硅粉体80-98％,镁铝尖晶石1-5％,氧化钇1-19％,水16-35％,木质素磺酸镁0.3-0.8％,氢氧化铵0.1-0.3％。本发明的挤出成型薄壁氮化硅管件,抗弯强度高,体积密度大,气孔率低,断裂韧性高,综合性能优异；本发明还提供其制备方法。(The invention belongs to the field of ceramic material preparation, and particularly relates to an extrusion molding thin-wall silicon nitride pipe fitting and a preparation method thereof. The extrusion molding thin-wall silicon nitride pipe fitting is prepared from the following raw materials in percentage by weight: 80-98% of silicon nitride powder, 1-5% of magnesium aluminate spinel, 1-19% of yttrium oxide, 16-35% of water, 0.3-0.8% of magnesium lignosulfonate and 0.1-0.3% of ammonium hydroxide. The extrusion-molded thin-wall silicon nitride pipe fitting has the advantages of high bending strength, large volume density, low porosity, high fracture toughness and excellent comprehensive performance; the invention also provides a preparation method of the composition.)
技术领域
本发明属于陶瓷材料制备领域，具体涉及一种挤出成型薄壁氮化硅管件及其制备方法。
背景技术
氮化硅陶瓷具有高强度、高硬度、耐磨损、抗化学腐蚀、自润滑等优异性能。可以用来制造高端装备的关键部件，广泛应用于钢铁、电力、化工、有色金属冶炼铸造、高铁、航空航天、军事等领域。制造氮化硅陶瓷薄壁管材有冷等静压成型、凝胶注膜成型、注浆成型、热压注成型等方法。但是冷等静压成型工艺效率低下，成本高；凝胶注膜成型干燥易变形、开裂；注浆成型、热压注成型效率低，产品性能低下。挤出成型效率高适合规模化生产。
专利CN201711393046.4中公开了一种氮化硅铁-方镁石-镁铝尖晶石复合材料及制备方法，该材料按重量百分比计的原料组成为72-95％的高纯镁砂，5-18％的镁铝尖晶石，5-25％的氮化硅铁，外加上述原料总量2-5％的亚硫酸纸浆废液为结合剂。制备的产品具有强度高、荷重软化温度高、耐磨性好、热震稳定性好等特点，但其气孔率较高，且韧性不佳，不能用于制备管件。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种挤出成型薄壁氮化硅管件，抗弯强度高，体积密度大，气孔率低，断裂韧性高，综合性能优异；本发明还提供其制备方法。
本发明所述的挤出成型薄壁氮化硅管件，由如下重量百分比的原料制成：
其中氮化硅粉体、镁铝尖晶石、氧化钇的总重量百分比为100％，木质素磺酸镁、氢氧化铵、水以占氮化硅粉体、镁铝尖晶石、氧化钇总重量的百分比计。
氮化硅粉体、镁铝尖晶石、氧化钇的平均粒度D50＝1-10μm。
氮化硅粉体的氮化硅含量≥99wt％，α-氮化硅含量≥92wt％。
镁铝尖晶石、氧化钇的纯度≥99.999wt％。
木质素磺酸镁、氢氧化铵的纯度≥99.98wt％。
本发明加入氢氧化铵阻止了氮化硅在水基泥料状况的分解，减少了制品中的氧含量，提高制品抗弯强度、热导率等性能。
本发明所述的挤出成型薄壁氮化硅管件的制备方法，步骤如下：
(1)将镁铝尖晶石、氧化钇在水介质中细磨至D50＝0.3-0.5μm，干燥备用；将氮化硅粉体在乙醇介质中细磨至D50＝0.3-0.5μm，喷雾干燥备用；
(2)将步骤(1)干燥后的镁铝尖晶石、氧化钇、氮化硅粉体和木质素磺酸镁、氢氧化铵混合，在强力搅拌机中进行干混，再加入水湿混，制得泥料；
(3)将步骤(2)制得的泥料装入有塑料内衬的容器内，均化4-12h，加入塑性挤出机中挤出，制得坯体；
(4)挤出的坯体采用半圆型真空吸盘吸住再转送至角铝托架放在干燥架上干燥，坯体干燥后备用；
(5)干燥后的坯体装入V型石墨托架，再装入气压烧结炉中，气压烧结即得氮化硅管件。
步骤(1)中，细磨采用砂磨机细磨4-8h，砂磨机的砂磨球直径为0.6-0.8mm。
步骤(1)中，乙醇纯度≥98wt％，水为去离子水。
步骤(2)中，强力搅拌机的快速搅拌转子转速≥1000r/min，慢速搅拌转子转速为100-120r/min，筒体转速为20-30r/min。
步骤(3)中，挤出模具型口倾角α角≤30°。
步骤(4)中，干燥的进风温度为120-300℃，出风温度为60-80℃；干燥至坯体水分含量≤0.01％。
步骤(5)中，烧结温度为1700-1850℃；烧结时间为20-25h。
步骤(5)中，接坯用的V型槽的高度＝产品管直径的1.1倍。
本发明制备的氮化硅管件典型理化指标：抗弯强度≥800MPa，体积密度≥3.25k/cm3，气孔率≤0.1％，断裂韧性≥7.5Mpa·m1/2。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明利用氮化硅粉体烧结助剂混合制备出泥料，采用木质素镁质磺酸盐作为增塑剂，采用氢氧化铵提高泥料的氨分压阻止氮化硅水解，从而挤出成型制备低氧含量氮化硅管件，保证氮化硅管件的产品性能优异；
(2)本发明制备的氮化硅管件抗弯强度≥800MPa，体积密度≥3.25k/cm3，气孔率≤0.1％，断裂韧性≥7.5Mpa·m1/2。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明做进一步描述。
实施例1-5和对比例1的原料用量如表1所示，其中氮化硅粉体、镁铝尖晶石、氧化钇的平均粒度D50＝5±1μm；氮化硅粉体的氮化硅含量≥99wt％，α-氮化硅含量≥92wt％；镁铝尖晶石、氧化钇的纯度≥99.999wt％；木质素磺酸镁、氢氧化铵的纯度≥99.98wt％。氮化硅粉体、镁铝尖晶石、氧化钇的总重量百分比为100％，木质素磺酸镁、氢氧化铵、水以占氮化硅粉体、镁铝尖晶石、氧化钇总重量的百分比计。
表1实施例1-5和对比例1的原料用量
原料
实施例1
实施例2
实施例3
实施例4
实施例5
对比例1
氮化硅粉体，％
92
91
91.5
91
92
92
镁铝尖晶石，％
2
1
1.5
1
4
2
氧化钇，％
6
8
7
8
4
6
水，％
20
20
20
20
20
20
木质素磺酸镁，％
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
氢氧化铵，％
0.2
0.2
0.2
0.2
0.2
—
实施例1-2制备方法如下：
(1)将镁铝尖晶石、氧化钇在去离子水介质、0.6mm的砂磨球中细磨8h，至粒径D50＝0.3μm，干燥备用；将氮化硅粉体在乙醇介质、0.6mm的砂磨球中细磨8h，至粒径D50＝0.3μm，喷雾干燥备用；
(2)将步骤(1)干燥后的镁铝尖晶石、氧化钇、氮化硅粉体和木质素磺酸镁、氢氧化铵加入强力搅拌机中，筒体转速设置为20r/min，快速搅拌设置为1000r/min低速搅拌转速设置为100r/min，干混3min，再加入水湿混20min，制得泥料；
(3)将步骤(2)制得的泥料装入有塑料内衬的容器内，均化8h，加入塑性挤出机中挤出，挤出模具型口倾角α角为30°，制得坯体；
(4)挤出的坯体采用半圆型真空吸盘吸住再转送至角铝托架放在干燥架上干燥，干燥的进风温度为200℃，出风温度为60℃，干燥至坯体水分含量≤0.01％，备用；
(5)干燥后的坯体装入特制的V型石墨托架，V型槽的高度＝产品管直径的1.1倍，再装入气压烧结炉中，在1750℃下烧结23h，即得氮化硅管件。
实施例3-4制备方法如下：
(1)将镁铝尖晶石、氧化钇在去离子水介质、0.8mm的砂磨球中细磨4h，至粒径D50＝0.5μm，干燥备用；将氮化硅粉体在乙醇介质、0.8mm的砂磨球中细磨4h，至粒径D50＝0.5μm，喷雾干燥备用；
(2)将步骤(1)干燥后的镁铝尖晶石、氧化钇、氮化硅粉体和木质素磺酸镁、氢氧化铵加入强力搅拌机中，筒体转速设置为30r/min，快速搅拌设置为1200r/min低速搅拌转速设置为120r/min，干混2min，再加入水湿混30min，制得泥料；
(3)将步骤(2)制得的泥料装入有塑料内衬的容器内，均化4h，加入塑性挤出机中挤出，挤出模具型口倾角α角为25°，制得坯体；
(4)挤出的坯体采用半圆型真空吸盘吸住再转送至角铝托架放在干燥架上干燥，干燥的进风温度为150℃，出风温度为60℃，干燥至坯体水分含量≤0.01％，备用；
(5)干燥后的坯体装入特制的V型石墨托架，V型槽的高度＝产品管直径的1.1倍，再装入气压烧结炉中，在1700℃下烧结25h，即得氮化硅管件。
实施例5制备方法如下：
(1)将镁铝尖晶石、氧化钇在去离子水介质、0.7mm的砂磨球中细磨6h，至粒径D50＝0.4μm，干燥备用；将氮化硅粉体在乙醇介质、0.7mm的砂磨球中细磨6h，至粒径D50＝0.4μm，喷雾干燥备用；
(2)将步骤(1)干燥后的镁铝尖晶石、氧化钇、氮化硅粉体和木质素磺酸镁、氢氧化铵加入强力搅拌机中，筒体转速设置为25r/min，快速搅拌设置为1100r/min低速搅拌转速设置为110r/min，干混3min，再加入水湿混15min，制得泥料；
(3)将步骤(2)制得的泥料装入有塑料内衬的容器内，均化6h，加入塑性挤出机中挤出，挤出模具型口倾角α角为25°，制得坯体；
(4)挤出的坯体采用半圆型真空吸盘吸住再转送至角铝托架放在干燥架上干燥，干燥的进风温度为300℃，出风温度为80℃，干燥至坯体水分含量≤0.01％，备用；
(5)干燥后的坯体装入特制的V型石墨托架，V型槽的高度＝产品管直径的1.1倍，再装入气压烧结炉中，在1800℃下烧结20h，即得氮化硅管件。
对比例1制备方法如下：
(1)将镁铝尖晶石、氧化钇在去离子水介质、0.7mm的砂磨球中细磨6h，至粒径D50＝0.4μm，干燥备用；将氮化硅粉体在乙醇介质、0.7mm的砂磨球中细磨6h，至粒径D50＝0.4μm，喷雾干燥备用；
(2)将步骤(1)干燥后的镁铝尖晶石、氧化钇、氮化硅粉体和木质素磺酸镁加入强力搅拌机中，筒体转速设置为25r/min，快速搅拌设置为1100r/min低速搅拌转速设置为110r/min，干混3min，再加入水湿混15min，制得泥料；
(3)将步骤(2)制得的泥料装入有塑料内衬的容器内，均化6h，加入塑性挤出机中挤出，挤出模具型口倾角α角为25°，制得坯体；
(4)挤出的坯体采用半圆型真空吸盘吸住再转送至角铝托架放在干燥架上干燥，干燥的进风温度为300℃，出风温度为80℃，干燥至坯体水分含量≤0.01％，备用；
(5)干燥后的坯体装入特制的V型石墨托架，V型槽的高度＝产品管直径的1.1倍，再装入气压烧结炉中，在1800℃下烧结20h，即得氮化硅管件。
将实施例1-5和对比例1制备的氮化硅管件进行性能测试，抗弯强度参照GB/T6569-2006测试，气孔率参照GB/T25995-2010测试，体积密度参照GB/T25995-2010测试，断裂韧性参照GB/T23806-2009测试，氧含量参照GB/T37258-2018测试。测试结果如表2所示。
表2实施例1-5制备的氮化硅管件的性能测试结果
原料
实施例1
实施例2
实施例3
实施例4
实施例5
对比例1
抗弯强度，MPa
832
883
832
809
865
645
体积密度，kg/cm<sup>3</sup>
3.25
3.26
3.25
3.26
3.25
3.25
气孔率，％
0.1
0.1
0.1
0.1
0.1
0.1
断裂韧性，Mpa.m<sup>1/2</sup>
7.5
7.5
7.5
7.5
7.5
6.0
氧含量，％
2.05
2.34
2.14
2.41
2.01
4.07