CN100469732C - 一种陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于陶瓷及其制造领域，本发明提供的陶瓷材料，以重量百分比计，其基本化学组成为：Al₂O₃：90.8-91.2wt%；MnO₂：3.6-3.8wt% TiO₂：2.0-2.5wt%；Cr₂O₃：2.0-2.2wt%；CoO：0.4-0.6wt%；SiO₂：0.35-0.45wt%；余量为钛酸铝。同时，本发明提供了一种该陶瓷材料的制备方法，包括配料、成型、烘干、熔烧等步骤，其中，熔烧步骤中的熔烧温度为1650℃-1680℃，熔烧时间为16-18小时。本发明提供的陶瓷材料中添加了一定数量的CoO、MnO₂、Cr₂O₃、SiO₂、TiO₂，它们分别对材料的力学性能产生了不同的作用，使该陶瓷材料的抗弯强度、抗压强度、抗热震性都能满足石化行业的使用要求。

Description

一种陶瓷材料及其制备方法

技术领域

本发明及一种氧化铝陶瓷材料以及该陶瓷材料的制备方法，属于陶瓷及其制造领域。

背景技术

我国属于矿产资源不发达的国家，特别是某些贵重金属，例如以往石化行业上所需要的高温耐磨、耐冲刷部件大都是使用金属钴做为基材的，而我国是属于金属钴资源缺乏的国家，所以，以往各行各业所需的钴原材料大都依赖进口，近两年来受国际金属材料价格的影响，金属钴的价格也是一直在攀升，最高时达到了60万元/吨，如此高的价格已经使国内大多数钴产品生产厂家难以承受，而石化行业又不能因为原材料太贵而对其降低需求，因此，目前迫切需要一种钴基材料的替代品。

另一方面，陶瓷材料作为钴基材料的替代品具有很大的优势，特别是氧化物陶瓷，我国不但拥有着广泛的资源，而且价格非常低廉。从机理上来讲，陶瓷材料的化学键为离子键，共价键和混合键，由于离子键和共价键的键能高，原子间的结合力强，原子间距小，表面自由能低，没有自由电子运动等特性，所以使得陶瓷材料具有高熔点、高硬度、高刚度、高化学惰性、高绝缘能力，低热导率、热膨胀小等的鲜明特点。而氧化物陶瓷高温下的化学稳定性非常良好，一般不受腐蚀介质的侵蚀，这是它在高温情况下耐蚀性的另一大特征，基于氧化物陶瓷的上述特点，陶瓷材料非常适合用于石油化工领域中。国外一些发达国家早已在20-30年前就已将陶瓷产品用在高温耐蚀行业中，并且取得了非常好的经济效益和社会效益，目前在我国陶瓷产品正处在起步阶段，目前业内人员已看到了陶瓷产品的发展前景，我们有理由相信陶瓷产品在今后的我们各行各业中，特别是石化行业中将起到越来越重的作用。

基于上述内容，找到一种合适的钴基材料的陶瓷替换品是本领域迫切需要解决的技术问题，本申请人的发明人正是从这一技术问题出发，经过长期的努力，制备了一种可代替钴基材料的陶瓷材料，并具有符合石化行业使用的性能参数。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种陶瓷材料，该陶瓷材料成本低廉且各种力学性能优异，适合用在石化领域。

本发明的另一目的是提供一种该陶瓷材料的制备方法。

本发明的上述目的是采用如下的技术方案得以实现的：

本发明提供了一种陶瓷材料，其基本化学组成为：(以重量百分比计)Al₂O₃：90.8—91.2wt％；MnO₂：3.6—3.8wt％ TiO₂：2.0—2.5wt％；Cr₂O₃：2.0--2.2wt％；CoO：0.4—0.6wt％；SiO₂：0.35—0.45wt％；余量为钛酸铝。

该陶瓷材料进一步优选包括Al₂O₃：91wt％；MnO₂：3.7wt％；TiO₂：2.3wt％；Cr₂O₃：2.1％wt％；CoO：0.4wt％；SiO₂：0.4wt％，钛酸铝为0.1wt％。

本发明提供了一种上述陶瓷材料的制备方法，包括配料、成型、烘干、熔烧等步骤，其中，熔烧步骤中的熔烧温度为1650℃-1680℃，熔烧时间为16-18小时。

上述制备方法中，熔烧步骤中的熔烧温度优选为1670℃--1680℃，熔烧时间优选为17小时。

上述制备方法中，配料步骤中采用的Al₂O₃为分析纯氧化铝或者氧化铝含量至少99.1％的天然陶瓷原料，该原料中，以重量百分比计，各成分的含量为：Al₂O₃：99.1wt％；SiO₂：0.13—0.16wt％；Fe₂O₃：0.035—0.04wt％；CaO：0.02—0.025wt％；MgO：0.038—0.046wt％；Na₂O：0.38—0.4wt％；余量为其它微量杂质。

其中，配料步骤中采用的各原料的目数不大于200目。

其中，成型中原料的干温度控制为常温且步骤不低于4℃，成型磨具的挤压压力为0.7MPa-0.8MPa。

其中，熔烧步骤的具体步骤为：

1)用于烧结陶瓷的炉膛温度不能过高，放置胚体前的温度必须在40℃以下；

2)在放入胚体进炉腔内时要防止胚体在烧结过程中坍塌。

3)将炉膛从室温开始升温，升温需三个小时：第一个小时升温从20℃(室温)到480℃，升温速度为每分钟7--8℃；第二个小时升温从480℃到1200℃，升温速度为每分钟11--12℃；第三个小时升温从1200℃到所采用的熔烧温度，升温速度为7--8℃，然后再保温熔烧16—18小时。

4)随后先将成品随炉冷至800℃以下，后将炉门打开空冷，冷却至80℃以下，然后取出。

其中，烘干步骤为自然干燥24小时或者在120℃-150℃烘干2-3小时。

本发明提供的陶瓷材料中，添加了一定数量的CoO、MnO₂、Cr₂O₃、SiO₂、TiO₂，它们分别对材料的力学性能产生了不同的作用，例如CoO的添加提高耐磨性；MnO₂的添加提高韧性；Cr₂O₃使陶瓷具有冷热疲劳；SiO₂提高耐磨性；而TiO₂提高高温状态下的使用强度。最终使本发明的陶瓷材料具有适合于石化领域使用的各种性能要求。

具体实施方式

实施例1

按照Al₂O₃：90.8wt％；MnO₂：3.8wt％；TiO₂：2.4wt％；Cr₂O₃：2.1wt％；CoO：0.5wt％；SiO₂：0.35wt％；余量为钛酸铝进行配料。

采用的Al₂O₃为含量达到99.1％以上的天然陶瓷原料(其具体组分参见表1)，其它各组分的纯度分别达到99.9％以上。各陶瓷原料的目数都需要在200目以下，如果采购的原料满足不了该要求时，必须进行研磨，研磨可采用常规的方法，例如球磨法进行。然后按照所制备的陶瓷材料的比例进行各陶瓷原料的准确称量，并对原料混合均匀，混合可采用搅拌，搅拌可以为机械搅拌或人工搅拌，机械搅拌时间一般控制在20分钟以上。

表1 达式天然陶瓷原料氧化铝的化学成份(重量％，余量为其它杂质)

 

Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	SiO<sub>2</sub>	Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	CaO	MgO	Na<sub>2</sub>O
						99.10	0.15	0.04	0.02	0.04	0.38

2)成型

产品成型是根据实际需要而加工成型的模具挤制而成型的，该成型特点是：工艺简单、生产效率高、操作简单。内腔必须圆滑，不许有毛刺或凹凸不平现象。成型温度为常温，压力为0.7—0.8MPa，这样使得挤压出来的胚体既不能发生形变又不会出现脱料现象。另外，脱壳时不可用力过大，以防胚体变形。

其具体步骤为：

1、先将成型磨具用干净空气吹3—5分钟，确保磨具内腔干净整洁、无异物。

2、将优先好的陶瓷原料(要求原料目数必须在150—200目之间)，沿磨具孔注入到内腔，注满后再向腔内原料进行挤压，挤压压力为0.7—0.8MPa。如果室温过低，应将陶瓷原料加热，正常工作温度不低于4℃。

3、挤压成型好的胚体在取放过程中要求轻拿轻放，以确保胚体不发生型变。

3)烘干

胚体的烘干可以为自然干燥，其时间为24小时或者在150℃下烘干两小时。

4)熔烧

将胚体在常温下放入炉膛内，升温速度不易过快，应尽量控制在三小时达到正常烧结温度1650℃(正负误差为15℃)。以防胚体受热过快产生爆裂。并注意放置时胚体的稳定性，每层胚体放置时要搭上架子，不可落放，熔烧时间为16小时。具体过程为：

1、用于烧结陶瓷的炉膛温度不能过高，放置胚体前的温度必须在40℃以下。

2、在放入胚体进炉腔内时要注意对胚体的保护，以防胚体在烧结过程中坍塌。

3、升温过程：炉膛升温从室温开始，升温需三个小时：第一个小时升温从20℃(室温)到480℃，升温速度为每分钟7--8℃；第二个小时升温从480℃到1200℃，升温速度为每分钟11--12℃；第三个小时升温从1200℃到1650℃，升温速度为7--8℃，然后再保温熔烧16小时。

4、冷却：(1)先将成品随炉冷至800℃以下；(2)将炉门打开空冷，冷却至80℃以下，在确定产品温度不高于80℃情况下方可取出。

采用常规测量方法对上述方法所制备的陶瓷材料进行测量，其主要技术性能指标如下：

该陶瓷材料的抗弯强度和硬度以及吸水率示于表2中。表3给出了陶瓷材料的抗压强度和击穿强度。

表2

 

抗弯强度(MPa)	洛氏硬度	吸水率
			240	>82	<0.03％

表3

 

抗压强度(MPa)	击穿强度KV/mm
		>1300	15

表4示出的是该陶瓷材料在不同温度下的抗热震性能。由于产品中加入了抗高温热裂的耐高温低膨胀的钛酸铝材料，因此使产品抗热震性能有明显的提高。其在不同腐蚀介质中的化学稳定性(抗腐蚀性)示于表5中。该陶瓷材料在不同时间里的耐磨性结果在表6中给出，其测量是在橡胶轮试验机上进行干砂磨损试验，磨损试验条件：磨料为20目干石英砂，流量为200g/min，滑行距离为1440mm。

表4

表5

 

1：9HCl	10％NaOH	10％H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>
			≤7mg/cm<sup>2</sup>	≤0.2mg/cm<sup>2</sup>	≤0.86mg/cm<sup>2</sup>

表6

 

25小时	50小时	100小时
			体积磨损2.9mm<sup>3</sup>	体积磨损6.2mm<sup>3</sup>	体积磨损13.4mm<sup>3</sup>

实施例2

按照Al₂O₃：91wt％；MnO₂：3.7wt％；TiO₂：2.3wt％；Cr₂O₃：2.1％wt％；CoO：0.4wt％；SiO₂：0.4wt％，钛酸铝为0.1wt％进行配料。其中熔烧温度为1670℃，熔烧时间为17小时，其余步骤完全同实施例1。

实施例3

按照Al₂O₃：91.2wt％；MnO₂：3.6wt％；TiO₂：2.0wt％；Cr₂O₃：2.1wt％；CoO：0.4wt％；SiO₂：0.45wt％；余量为钛酸铝进行配料。其中熔烧温度为1680℃，熔烧时间为18小时，其余步骤完全同实施例1。

通过对陶瓷产品的综合性能试验可以得出结论，陶瓷产品用于石化产品是完全能够满足要求的，数据表明，通过产品的使用，如宁鲁石化、中原油田等单位使用过后，用户反应产品质量良好，完全能够满足设计使用要求。其某些方面比钴基合金性能还要优越，而使用陶瓷的最大优势烛成分低廉。因此，陶瓷产品在石油产品化工方面具有很好的使用前景。我们相信通过对高性能、低成本陶瓷产品的开发和应用，必将会给国家和社会创造出很好的社会效益和经济效益。

值得注意的是，上文结合实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，但是本领域的技术人员容易想到，在本发明技术方案基础上，可以对本发明的技术方案进行各种变化和修改，但都不脱离本发明所要求保护的权利要求书概括的范围。

Claims (9)

1、一种陶瓷材料，以重量百分比计，其基本化学组成为：Al₂O₃：90.8—91.2wt％；MnO₂：3.6—3.8wt％TiO₂：2.0—2.5wt％；Cr₂O₃：2.0--2.2wt％；CoO：0.4—0.6wt％；SiO₂：0.35—0.45wt％；余量为钛酸铝。

2、如权利要求1所述的陶瓷材料，其包括Al₂O₃：91wt％；MnO₂：3.7wt％；TiO₂：2.3wt％；Cr₂O₃：2.1％wt％；CoO：0.4wt％；SiO₂：0.4wt％，钛酸铝为0.1wt％。

3、一种权利要求1或2所述陶瓷材料的制备方法，包括配料、成型、烘干、熔烧步骤，其特征在于，所述熔烧步骤中的熔烧温度为1650℃-1680℃，熔烧时间为16—18小时。

4、如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述熔烧步骤中的熔烧温度为1670℃--1680℃，熔烧时间为17小时。

5、如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述配料步骤中采用的Al₂O₃为分析纯原料或者氧化铝含量至少99.1％的天然陶瓷原料，该原料中，以重量百分比计，各成分的含量为：Al₂O₃：99.1wt％；SiO₂：0.13—0.16wt％；Fe₂O₃：0.035—0.04wt％；CaO：0.02—0.025wt％；MgO：0.038—0.046wt％；Na₂O：0.38—0.4wt％，余量为其它微量杂质。

6、如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述配料步骤中采用的各原料的目数不大于200目。

7、如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述成型步骤中原料的干温度控制为常温且不低于4℃，成型磨具的挤压压力为0.7-0.8MPa。

8、如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述熔烧步骤的具体步骤为：

1)用于烧结陶瓷的炉膛温度不能过高，放置胚体前的温度必须在40℃以下；

2)在放入胚体进炉腔内时要防止胚体在烧结过程中坍塌；

3)将炉膛从室温开始升温，升温需三个小时：第一个小时升温从20℃到480℃，升温速度为每分钟7--8℃；第二个小时升温从480℃到1200℃，升温速度为每分钟11--12℃；第三个小时升温从1200℃到所述熔烧温度，升温速度为7--8℃，然后再保温熔烧16—18小时；

4)随后先将成品随炉冷却至800℃以下，后将炉门打开空冷，冷却至80℃以下，然后取出。

9、如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述烘干步骤为自然干燥24小时或者在120℃--150℃，烘干2-4小时。