CN103567403A - 一种水平连铸结晶器用石墨套及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水平连铸结晶器用石墨套及其制备方法，该石墨套由以下质量分数的原料组成：短切碳纤维10-20%，余量为高纯石墨粉末；所述短切碳纤维的直径为3-5μm，长度为5-10mm，强度2400MPa，模量350GPa。本发明是一种水平连铸结晶器用石墨套，通过在常规的高纯石墨粉末中加入短切碳纤维，可以显著提高石墨套的抗拉强度、耐磨性和使用寿命，克服了单纯采用高纯石墨粉制备的水平连铸结晶器用石墨套寿命短的问题。实验证明，本发明加入短切碳纤维的石墨套抗拉强度比未加入短切碳纤维的石墨套抗拉强度，耐磨性，使用寿命均大幅提高。

Description

一种水平连铸结晶器用石墨套及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种水平连铸结晶器用石墨套，同时还涉及该石墨套的制备方法，属于材料制备领域。
背景技术
高纯石墨，又名鳞片状高导热碳粉，具有强度高、抗热震性好、耐高温、抗氧化、电阻系数小、耐腐蚀、易于精密机加工等优点，是理想的无机非金属材料。用于加工制作电加热元件、结构铸造模、冶炼高纯金属用坩埚舟皿、单晶炉用加热器、电火花加工石墨、烧结模具、电子管阳极、金属涂镀、半导体技术用的石墨坩埚、发射电子管、闸流管和汞弧整流器用的石墨阳极、栅极等。
石墨套是水平连铸结晶器的重要部件，由于其良好的热震稳定性和优良的热传导性，广泛应用在直接熔融金属工艺中，同时，石墨套在高温下具有润滑作用，并兼具有普通铸机“二次冷却”的作用。目前，石墨套采用的是常规的高纯石墨粉进行制备，在实际使用过程中往往存在使用寿命短的问题，如用于特殊铜合金（锌白铜）的水平连铸结晶器石墨套在使用过程中，由于受到纵向的拉应力而使石墨套内表面磨损严重，导致材料表面损伤而报废。
发明内容
本发明的目的是提供一种水平连铸结晶器用石墨套，以提高石墨套的抗拉强度、耐磨性和使用寿命。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是提供一种水平连铸结晶器用石墨套，由以下质量分数的原料组成：短切碳纤维10-20%，余量为高纯石墨粉末；所述短切碳纤维的直径为3-5μm，长度为5-10mm，强度2400MPa，模量350GPa。
所述高纯石墨粉末的粒径为0.03-0.05μm。本发明所用高纯石墨符合JB/T2750-2006的规定。
碳纤维具有元素碳的各种优良性能，如比重小、耐热性极好、热膨胀系数小等。同时，它又有纤维般的柔曲性，能够提高有效载荷，改善性能。
本发明是一种水平连铸结晶器用石墨套，通过在常规的高纯石墨粉末中加入短切碳纤维，可以显著提高石墨套的抗拉强度、耐磨性和使用寿命，克服了单纯采用高纯石墨粉制备的水平连铸结晶器用石墨套寿命短的问题。实验证明，本发明加入短切碳纤维的石墨套抗拉强度比未加入短切碳纤维的石墨套抗拉强度，耐磨性，使用寿命均大幅提高。
本发明的目的还在于提供一种水平连铸结晶器用石墨套的制备方法。
本发明所采用的技术方案还在于提供一种水平连铸结晶器用石墨套的制备方法，包括以下步骤：
1）将高纯石墨粉末在1500-1800℃下煅烧10-15min；
2）将煅烧后的高纯石墨粉末与短切碳纤维混合均匀；
3）将步骤2）的混合料采用冷等静压或挤压制坯；
4）将步骤3）的坯料在1800-2000℃烧结15-20h；
5）将步骤4）烧结后的成型件进行机加工，制成水平连铸结晶器用石墨套。
步骤4）中冷等静压的步骤如下：先将压力升高到5-10MPa，保压2-4min，然后将压力提高到100-180MPa，保压20-25min后，将压力降低至5-10MPa，保压2-4min，最后将压力降至0MPa。
本发明采用冷等静压或挤压制坯与烧结工艺相结合，制备得到抗拉性、耐磨性良好，使用寿命较长的石墨套。本发明的制备方法能够大幅降低石墨套材料中的孔隙或气孔缺陷，从而提高了石墨套的整体密度和性能，本发明的石墨套体积密度可达1.84g/cm3，与高纯石墨的密度十分接近。
具体实施方式
实施例1
本实施例的水平连铸结晶器用石墨套，由以下质量分数的原料组成：短切碳纤维10%，余量为高纯石墨粉末；其中，短切碳纤维的直径为3μm，长度为5mm，强度2400MPa，模量350GPa，高纯石墨粉末的粒径为0.03μm。
本实施例的水平连铸结晶器用石墨套的制备方法，包括以下步骤：
1）将高纯石墨粉末在1500℃下煅烧15min；
2）将煅烧后的高纯石墨粉末与短切碳纤维混合均匀；
3）将步骤2）的混合料采用冷等静压制坯，先将压力升高到5MPa，保压4min，然后将压力提高到180MPa，保压23min后，将压力降低为5MPa，保压3min，最后将压力降为0MPa，取出坯料；
4）将坯料在1800℃烧结20h；
5）将步骤4）烧结后的成型件进行机加工，制成水平连铸结晶器用石墨套。
实施例2
本实施例的水平连铸结晶器用石墨套，由以下质量分数的原料组成：短切碳纤维15%，余量为高纯石墨粉末；其中，短切碳纤维的直径为4μm，长度为10mm，强度2400MPa，模量350GPa，高纯石墨粉末的粒径为0.04μm。
本实施例的水平连铸结晶器用石墨套的制备方法，包括以下步骤：
1）将高纯石墨粉末在1800℃下煅烧10min；
2）将煅烧后的高纯石墨粉末与短切碳纤维混合均匀；
3）将步骤2）的混合料采用冷等静压制坯，先将压力升高到10MPa，保压3min，然后将压力提高到150MPa，保压25min后，将压力降低为10MPa，保压2min，最后将压力降为0MPa，取出坯料；
4）将坯料在2000℃烧结15h；
5）将步骤4）烧结后的成型件进行机加工，制成水平连铸结晶器用石墨套。
实施例3
本实施例的水平连铸结晶器用石墨套，由以下质量分数的原料组成：短切碳纤维20%，余量为高纯石墨粉末；其中，短切碳纤维的直径为5μm，长度为8mm，强度2400MPa，模量350GPa，高纯石墨粉末的粒径为0.05μm。
本实施例的水平连铸结晶器用石墨套的制备方法，包括以下步骤：
1）将高纯石墨粉末在1600℃下煅烧13min；
2）将煅烧后的高纯石墨粉末与短切碳纤维混合均匀；
3）将步骤2）的混合料采用冷等静压制坯，先将压力升高到8MPa，保压2min，然后将压力提高到100MPa，保压20min后，将压力降低为8MPa，保压4min，最后将压力降为0MPa，取出坯料；
4）将坯料在1900℃烧结18h；
5）将步骤4）烧结后的成型件进行机加工，制成水平连铸结晶器用石墨套。
对比例
本对比例的水平连铸结晶器用石墨套，采用高纯石墨粉末制备，高纯石墨粉末的粒径为0.05μm。
本对比例的水平连铸结晶器用石墨套的制备方法，包括以下步骤：
1）将高纯石墨粉末在1600℃下煅烧13min；
2）将步骤1）的高纯石墨粉末采用冷等静压制坯，先将压力升高到5MPa，保压2min，然后将压力提高到100MPa，保压20min后，将压力降低为5MPa，保压2min，最后将压力降为0MPa，取出坯料；
3）将坯料在1900℃烧结18h；
4）将步骤3）烧结后的成型件进行机加工，制成水平连铸结晶器用石墨套。
实验例1
本发明的水平连铸结晶器用石墨套的抗拉强度分析
将实施例1-3和对比例的石墨套进行抗拉强度测试，结果如表1所示。
表1实施例1-3和对比例的石墨套抗拉强度测试结果
实施例1 实施例2 实施例3 对比例
抗拉强度（MPa） 10.52 9.46 8.81 7.50
从表1可以看出，加入了短切碳纤维的石墨套，其抗拉强度显著提高。
实验例2
本发明的水平连铸结晶器用石墨套的耐磨性分析
实验方法：在摩擦磨损试验机上进行干摩擦试验，接触压力为40N，用感量为1mg的LP3200D电子分析天平测定试样的磨损质量损失。
结果如表2所示。
表2实施例1-3和对比例的石墨套耐磨性测试结果
实施例1 实施例2 实施例3 对比例
耐磨性（mg/m2） 4.2 5.1 5.8 6.4
从表2可以看出，加入了短切碳纤维的石墨套，其耐磨性显著提高。
实验例3
本发明的水平连铸结晶器用石墨套的使用寿命分析
实验方法：将实施例1-3和对比例制备的结晶器石墨套进行锌白铜的水平连铸装机试验，考察同等工况条件下不发生破坏的石墨套最长使用时间。
结果如表3所示。
表3实施例1-3和对比例的石墨套使用寿命测试结果
实施例1 实施例2 实施例3 对比例
使用寿命（h） 3800 4000 3600 1800
从表3可以看出，加入了短切碳纤维的石墨套，其使用寿命显著提高。

Claims (4)

1.一种水平连铸结晶器用石墨套，其特征在于，由以下质量分数的原料组成：短切碳纤维10-20%，余量为高纯石墨粉末；所述短切碳纤维的直径为3-5μm，长度为5-10mm，强度2400MPa，模量350GPa。
2.根据权利要求1所述的水平连铸结晶器用石墨套，其特征在于，所述高纯石墨粉末的粒径为0.03-0.05μm。
3.一种如权利要求1所述的水平连铸结晶器用石墨套的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）将高纯石墨粉末在1500-1800℃下煅烧10-15min；
2）将煅烧后的高纯石墨粉末与短切碳纤维混合均匀；
3）将步骤2）的混合料采用冷等静压或挤压制坯；
4）将步骤3）的坯料在1800-2000℃烧结15-20h；
5）将步骤4）烧结后的成型件进行机加工，制成水平连铸结晶器用石墨套。
4.根据权利要求3所述的水平连铸结晶器用石墨套的制备方法，其特征在于，步骤4）中冷等静压的步骤如下：先将压力升高到5-10MPa，保压2-4min，然后将压力提高到100-180MPa，保压20-25min后，将压力降低至5-10MPa，保压2-4min，最后将压力降至0MPa。
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