无压烧结碳化硅技术开发样本

铝工业用大型薄壁无压烧结碳化硅管状制品的研究开发

一、项目背景

随着世界经济的快速发展和材料制备技术的持续进步, 无压烧结SiC材料已经进入民用工业, 在汽车、冶金、轻工、化工等行业应用呈现扩大趋势, 对促进相关领域的技术进步、节能和环保的积极作用越来越明显。高性能无压烧结SiC材料已列入工信部发布的《装备制造业技术进步和技术改造投资方向( ) 》报告中, 是中国经济建设需要的高技术产品。

国际上, 铝、锌、镁等有色金属或合金熔体的加热更多的向能量可高效利用的内加热方式发展, 长管状内加热管采用大型薄壁无压烧结SiC材料的理念受到重视, 应用越来越普遍, 国外部分铝业公司在铝加工业过程中已经大量采用这种材料, 仅非州某一家铝业公司年需求长度 mm, 内径150-200mm, 壁厚8-10mm, 一端敞口、一端球形封闭的内加热管近支, 产值近 -3000万元人民币。中国原铝产量居世界第一, 铝加工业的技术进步受世界瞩目, 少数铝加工企业引进国外的整套加热设备中已经使用了这种大型无压烧结SiC内加热管, 该材料是国产化先进加热设备重要的关键部件, 但当前国内尚不能生产该类产品, 只能依赖进口, 国内企业对这种高技术材料的需求较为迫切。总之, 这种大型薄壁无压烧结SiC管状制品的国内外市场前景极好。

本项目拟经过与中国科学院上海硅酸盐研究所合作研究开发, 解决大型薄壁无压烧结SiC管状制品工业化制备的关键技术, 掌握并稳定该材料的生产技术, 实现批量生产。项目实施成功后, 研制的高性能产品将极大地丰富我院碳化硅产品种类, 优化我院碳化硅产品结构, 进一步提升我院在铝工业的服务水平。

二、国内外研究现状及我院研发基础

国内外对无压烧结SiC陶瓷材料进行了大量的研究开发, 已有大量的产品用于民用和军工工业。世界500强之一的圣戈班( SAINT-GOBAIN) 公司是当前先进SiC

陶瓷材料的最大供应商, 产品在部分领域具有一定的垄断地位。该公司经过兼并重组的方式, 将美国、德国等先进SiC材料的老牌研发和生产单位纳入旗下, 使之在该材料的制备技术和应用技术上具有明显优势。该公司产品丰富, 产品包括汽车零部件、机械密封件、换热器、轴承、喷嘴、水龙头滑片、高温窑炉横梁和窑板、造纸行业刮板等, 其铝加工用内加热管在国外占据市场绝对优势。日本旭硝子株式会社在该材料的研究和应用上在亚洲具有技术优势, 产品种类较为丰富, 部分产品已进入中国。

中国在无压烧结SiC陶瓷材料研究方面已进行了大量的工作, 国内浙江等有多家企业已能生产尺寸相对较小的先进SiC陶瓷密封材料, 并已形成了较大的生产规模, 但大型薄壁的管状制品的工业生产和实际应用在国内仍属空白。

我院是世界上碳化硅耐火材料研发和生产的领先企业, 在SiC原料的检验分析方面已形成完整的技术体系。在SiC等非氧化物原料的加工设备上有高效气流磨、干法振动球磨机、湿法球磨机等实验和生产装备, 具备SiC粉体原料的初级加工能力。对刚玉、氧化铬氧化物系材料在湿法球磨、喷雾造粒、等静压成型、坯体或制品的冷加工等装备方面有实验和中试基础, 这些装备可用于本项目的实验研究和中试生产。我院现有数十台中温氮气电热窑炉、真空中高温碳棒加热炉等烧成装备, 可用于无压烧结SiC材料煅烧脱脂等前期热处理。对氧化铝、氧化镁、氧化锆等陶瓷材料, 基于传统浇注成型的制造备技术具有丰富的实践经验, 有助于本项目压力注浆成型技术的研究。在市场方面, 在我院在铝行业具有很高的知名度, 世界著名铝业公司基本上都使用过或正在使用我院的氮化硅结合碳化硅产品, 产品销售有铝行业世界知名代理商的支持, 传统的氮化硅结合碳化硅内加热管等管状产品在国内有稳定的用户群, 新产品在铝行业的推广应用具有良好的基础。

中科院上海硅酸盐研究所在无压烧结SiC材料研究方面具国内领先水平, 研制的高性能材料已在中国航空航天等涉及国家安全的领域成功应用。我院在技术成果产业化和市场开发方面有明显优势, 若能与上硅所的研究优势有机结合, 一定能高效实施成功本项目。

三、项目预期目标

1.掌握大型薄壁无压烧结SiC管状制品的整套工业化制备技术。

2.研制产品的理化技术指标达到表1要求, 产品外观尺寸达到表2要求。

表1 先进SiC陶瓷材料的理化性能要求

表2 先进SiC陶瓷产品外观尺寸技术要求

3.建成无压烧结SiC大型制品完备的生产线, 实现批量生产, 年产量达到50吨,

产品工业化生产合格率不低于85%。

四、项目研究内容

1、技术路线

以国产SiC粉体或自制SiC粉体为原料, 配制含合适添加剂的均匀的水性陶瓷

浆体, 采用经济的成型技术制备坯体, 坯体养护干燥后进行合适的素坯修整或加工, 而后在高温真空炉内于1950℃以上超高温无压烧结制得项目产品。

2、主要研究内容

（1）配方组成技术研究

研究基于国产高品质SiC细粉原料的添加剂技术、泥浆混合技术。根据材料应用条件的不同, 针对性的开展不同添加剂技术体系的系列配方研究, 形成系列配方组成。其中, 国产SiC粉体原料的使用、加工处理、可用性控制标准等系统研究是重要的研究内容, 国产原料的综合研究对产品工业化成本有直接影响。

（2）整套成型技术的开发

选择合适的成型技术方式, 形成全套成型技术。成型技术体系包括: 泥浆制备技术、脱除气技术、模具技术、成型技术参数控制、坯体脱模和干燥处理技术、坯体预加工技术等。

（3）无压烧结成套技术研究

研究包括: 研究比较连续、间隙烧成方式的技术差异及成本差异; 大型产品烧成缺陷( 开裂、变形等) 控制技术的研究, 实现大型薄壁管状制品高的烧成合格率; 同时包括国产超高温真空窑炉及辅附设备的选用或联合开发等。

（4）中试和工业化生产技术的研究

基于国产装备建立完整的中试线, 解决小批量化生产技术难题。重点解决成型技术和高温无压烧成技术, 坯体合格率达到80%以上、烧成合格率达到85%以上。（5）材料性能研究

对试制产品进行物理化学性能综合检测, 进行化学稳定性、耐磨性、抗热震性等使用性能研究。

（6）新产品的工业应用和技术改进

依托我院现有铝工业的用户群, 进行现场试用, 改进提高制备技术水平, 扩大用户数量等。

3、关键技术和创新点

1) 关键技术