一种含铬增强型氮化硼基薄带连铸陶瓷侧封板的制备方法与流程

本发明属于双辊薄带连铸功能耐火陶瓷材料，具体涉及一种含铬增强型氮化硼基薄带连铸陶瓷侧封板的制备方法。

背景技术：

1、双辊薄带连铸技术凭借短流程、低能耗、近终成形的突出优势，已成为高端薄带钢制造的核心发展方向；侧封板作为薄带连铸机组的核心密封部件，直接决定熔池稳定性、薄带边部质量与连铸作业率；其服役过程面临多场耦合极端工况：工作面长期接触1500℃以上高温钢液，承受钢液与合金元素的化学侵蚀渗透；同时与高速旋转铸辊端面、凝固薄带边缘发生持续动态摩擦，伴随浇铸启停过程中剧烈的冷热交变热冲击与高温氧化作用；随着薄带连铸向高拉速、超洁净钢、特种合金钢方向升级，对侧封板的致密度、高温强度与多性能协同性提出了更高要求。

2、当前工业主流的bn-zro2-sic复相侧封板多采用热压烧结制备，虽能实现一定致密度，但仍存在诸多难以适配高端工况的短板：一是体系成分与高温稳定性不足。sic相高温下易与钢中活性合金元素发生界面反应，生成低熔点相并促进zro2烧结长大形成结瘤；zro2相存在晶型转变体积效应，反复热冲击下易萌生微裂纹，且易被钢液中活性元素还原，结构稳定性与抗渗透能力随服役时间延长快速衰减。 二是热压烧结助剂体系存在固有缺陷。现有热压bn陶瓷多采用稀土氧化物基促烧剂，原料成本高，且形成的晶界玻璃相高温下易软化蠕变，导致侧封板高温承载能力与耐磨性能骤降；普通促烧体系无法充分利用热压应力场诱导

h-bn鳞片定向发育，基体各向异性优势未得到释放，抗渗透与抗热震能力提升瓶颈明显。三是多性能协同性差。现有体系难以同时实现高致密度、高抗侵蚀、高耐磨的平衡：提升硬质相占比会破坏bn的非金属润湿性，加剧粘钢风险；优化润湿性与抗侵蚀性又会导致基体强度不足，磨损速率上升；工作面附着物清理频繁，严重制约高拉速连铸的生产连续性与使用寿命。

3、基于上述行业痛点，本发明开发一种热压烧结制备的含铬增强型氮化硼基陶瓷侧封板，采用cao-b2o3促烧体系，配合热压应力场诱导

h-bn鳞片定向生长，结合cr2o3原位生成高稳定铬铝固溶体增强相，在实现高致密度烧结的同时，同步提升抗侵蚀、抗磨损、抗氧化与抗热冲击性能，工作面长期洁净无附着物，适配高端钢种高拉速薄带连铸生产需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种含铬增强型氮化硼基薄带连铸陶瓷侧封板的制备方法，使其能克服传统热压bn-zro2-sic侧封板高温稳定性差、抗侵蚀与抗磨损难以协同、使用寿命短等缺陷。

2、该方法采用真空-氮气保护热压烧结工艺，通过 cao-b2o3二元促烧剂与轴向压力协同作用，实现 h-bn 高致密度烧结与鳞片定向择优发育，引入cr2o3原位生成高稳定铬铝固溶体增强相，构建多尺度协同增强体系，实现抗钢液侵蚀、抗摩擦磨损、高温抗氧化、抗热冲击性能同步提升，工作面长期保持洁净，综合使用寿命显著提高。

3、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

4、一种含铬增强型氮化硼基薄带连铸陶瓷侧封板的制备方法，包括原料预处理、精准配料、湿法混料、干燥制粉、热压烧结、精加工与成品检测步骤，具体如下：

5、1）原料预处理：

6、选取六方氮化硼粉、α-氧化铝粉、三氧化二铬粉、硼化物粉（cab6）增强相粉体分别进行预处理：六方氮化硼粉经120℃真空烘干2h 去除吸附水分与气体；α-氧化铝粉、三氧化二铬粉经1000℃煅烧2h，去除结晶水与杂质并提高结晶度；硼化物粉体与复合促烧剂经气流磨打散解聚，控制粒径分布均匀；所有原料均经负压筛分去除大颗粒与异物杂质；

7、2）配料组成：

8、含铬增强型氮化硼基薄带连铸陶瓷侧封板原料按质量百分比组成如下，总质量为100%；

9、六方氮化硼粉（

h-bn）  45~52wt%、α-氧化铝粉 36~45wt%；三氧化二铬粉 4~8wt%；b4c  2-4wt%、cab6  3~6wt%；促烧剂cao-b2o3二元体系1-2wt%；

10、3）制备工艺：

11、按照以下步骤进行：

12、（1）干混阶段：将预处理后的

h-bn 粉、氧化铝粉、三氧化二铬粉、硼化物增强相、复合促烧剂按配比加入高速强力混合机，以 550~750r/min 转速干混 18~28min，确保各固相组分分散均匀、无团聚偏析；

13、（2）湿法混料：将干混料转入行星式球磨机，加入无水乙醇，以氮化硅球为研磨介质，球料质量比2.5:1，以350~550r/min 转速湿法球磨5~9h，得到均匀分散的混合浆料；

14、（3）干燥制粉：将球磨后的浆料置于真空干燥箱中，60~80℃下烘干去除无水乙醇，破碎后过100目筛，得到混合均匀的烧结粉料；

15、（4）热压烧结：将烧结粉料装入内壁粘有石墨纸的石墨模具中，置于真空热压烧结炉内，先抽真空至10pa以下，以5~10℃/min 升温至 1000℃后通入高纯氮气维持微正压保护；继续以 4~7℃/min升温至1700~1800℃，同步施加 20~30mpa轴向压力，保温保压1~3h；保温结束后先卸除压力，再随炉冷却至室温后取出，得到侧封板烧结坯体；

16、热压烧结过程中，轴向机械压力与cao-b2o3形成的低熔点钙硼液相协同作用，通过颗粒重排、塑性变形与溶解-沉淀多重传质机制大幅加速烧结致密化进程；同时轴向应力场诱导

h-bn晶体沿垂直于压力方向的基面择优取向生长，形成高度有序、定向排列的片层堆叠结构：定向排列的

h-bn片层堆叠结构通过片间滑移、裂纹偏转高效耗散热应力，也能起到润滑剂作用，减缓铸辊侧端的磨损消耗。微米级b4c/cab6非氧化物硬质相能提高材料耐磨性，也能起到抗氧化剂的作用，保护

h-bn，从而提高抗侵蚀性；高温烧结过程中，cr2o3与al2o3原位反应生成连续固溶的铬铝固溶体 (cr,al)2o3相，均匀弥散于bn基体中，加强抗带材侵蚀与磨损的作用；

17、（5）精加工成品：将热压烧结后的坯体按照侧封板尺寸图纸进行数控精密磨削加工，尺寸允许偏差符合双辊薄带连铸氮化硼基侧封板标准（t/cisa491- 2024）；经清洗、外观检查、尺寸检测和无损检测后，得到成品侧封板。

18、所述的六方氮化硼粉的纯度≥99wt%，粒径 5~15μm。

19、所述的α-氧化铝粉中al2o3≥99.5wt%，粒径 1~3μm。

20、所述的三氧化二铬粉中cr2o3≥99wt%，粒径 2~5μm。

21、所述b4c的纯度≥98wt%，粒径 2~5μm。

22、所述cab6的纯度≥98wt%，粒径 2~5μm；

23、所述促烧剂cao-b2o3二元体系的粒径＜10μm；所述的促烧剂为cao-b2o3、2cao-b2o3、3cao-b2o3中的一种。

24、本发明采用cao-b2o3促烧体系耦合热压应力场，协同实现

h-bn 高致密度烧结与鳞片定向生长，结合cr2o3原位增强相设计，从烧结致密化、抗侵蚀、抗磨损、抗氧化、抗热震五个维度实现侧封板性能协同升级：

25、（1）热应力-液相传质协同致密化与鳞片定向调控机制：

26、热压烧结过程中，轴向机械压力与cao-b2o3形成的低熔点钙硼液相协同作用，通过颗粒重排、塑性变形与溶解-沉淀多重传质机制大幅加速烧结致密化进程，成品显气孔率降至3%以下，基体致密度与结构均匀性显著优于常压烧结体系；同时轴向应力场诱导

h-bn晶体沿垂直于压力方向的基面择优取向生长，平均片径提升60%以上，形成高度有序的片层堆叠结构：一方面显著延长钢液渗透路径，大幅提升抗钢液渗透侵蚀能力；另一方面通过定向片层滑移增韧，同步提升基体断裂韧性与抗热震性能；此外有序片层赋予工作面各向异性固体润滑特性，有效降低摩擦磨损速率。

27、（2）铬铝固溶体原位强化与抗钢液侵蚀机制：

28、高温烧结过程中，cr2o3与al2o3原位反应生成连续固溶的铬铝固溶体 (cr,al)2o3相，均匀弥散于bn基体中；该固溶体相硬度高、化学惰性极强，在含 cr、ni、mn 的合金钢液以及超低碳洁净钢液中几乎不发生溶解与界面反应，可显著抵御钢液与合金元素的渗透侵蚀；同时固溶体相填充晶界孔隙，结合热压带来的高致密度，双重阻断钢液渗透通道，使钢液侵蚀深度降低45%以上；此外，cr2o3可适度调节渣-钢界面张力，进一步降低钢液与夹杂物在工作面的粘附倾向，保障工作面长期洁净无结瘤。

29、(3) 双尺度相协同抗磨机制：

30、构建 “晶界陶瓷相强化+微米硬质相承载+定向片层润滑” 的三级耐磨体系：微米级b4c/cab6硬质相作为主承载相，抵御铸辊端面与薄带边缘的宏观切削磨损；铝铬固溶体也能进一步抑制微观犁削与剥落磨损；定向排列的

h-bn片层发挥各向异性固体润滑作用，稳定摩擦系数并减少粘着磨损；三者协同作用下，实现抗钢液侵蚀与抗摩擦磨损的协同优化，适配高拉速连铸的强磨损工况。

31、(4) 多层级高温抗氧化防护机制：

32、形成 “表层硼化物钝化 + 次表层铬氧化物致密化 + 基体 bn 稳定” 的多层抗氧化结构：高温有氧环境下，表层b4c/cab6优先氧化生成b2o3，传统侧封板熔池区bn氧化为b2o3后容易直接挥发，但cr2o3能够起到抑制b2o3高温挥发的作用；带材区因为温度低b2o3不易挥发能起到润滑作用；内部高致密度bn基体因氧气被有效阻隔，氧化速率大幅下降；1000℃静态氧化 10h 氧化增重率低于 0.6mg/cm²，抗氧化性能显著优于传统含sic体系。

33、(5) 多机制耦合抗热冲击机制：

34、定向排列的

h-bn 片层结构通过片间滑移、裂纹偏转高效耗散热应力；原位生成的铬铝固溶体热膨胀系数与 bn 基体匹配性优异，避免热循环过程中界面开裂；体系不含zro2相变组分，消除晶型转变体积效应引发的热震损伤源；同时热压带来的高致密度与晶界陶瓷相强化，进一步抑制热震裂纹扩展；1000℃水冷热震循环可达35次以上，热震后强度保留率大于90%，抗热冲击性能优异。

35、本发明提出的一种含铬增强型氮化硼基薄带连铸陶瓷侧封板的制备方法，采用上述技术方案，具有如下有益效果：

36、 (1) 采用cao-b2o3新型促烧剂，耦合热压应力场协同致密化，在较低烧结温度与压力下即可实现

h-bn 高致密度烧结与鳞片定向择优生长，既降低热压模具损耗与生产能耗，又避免杂质元素析出风险，适配超洁净钢、高端合金钢连铸的高要求。

37、 (2) 引入cr2o3原位生成铬铝固溶体增强相，结合热压高致密度优势，大幅提升基体化学稳定性与抗钢液侵蚀能力，工作面无明显粘钢附着物，薄带边部缺陷率显著下降。

38、 (3) 构建三级协同耐磨体系，结合

h-bn定向片层的润滑作用，抗铸辊摩擦磨损与抗薄带切削磨损性能同步提升，铬铝固溶体硬度高，较传统热压bn-zro2-sic体系磨损率显著降低，实现抗侵蚀与抗磨损的性能协同。

39、(4) 多层级抗氧化结构与多机制热震稳定性设计，使侧封板高温抗氧化性、抗热冲击性同步优化，综合使用寿命较传统体系提升30%以上，大幅提高薄带连铸生产效率。

40、(5) 热压烧结坯体组织结构均匀、力学性能优异，后续精加工余量小、成品率高；体系无氟、无有毒有害组分，服役过程洁净环保，符合高端钢种绿色低碳生产要求。

41、综上，本发明以六方氮化硼（

h-bn）为基体相，复配al2o3、cr2o3及b4c/cab6耐磨抗蚀相，引入 cao-b2o3型复合促烧剂，通过热压烧结工艺实现

h-bn致密化烧结，兼具优异抗钢液侵蚀、抗铸辊/带材磨损、高温抗氧化与抗热冲击性能的特点。