CN101921110A - 一种采用天然斜锆石制备部分稳定氧化锆陶瓷的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采用天然斜锆石制备部分稳定氧化锆陶瓷的方法，以天然氧化锆为原料，经破，配料，球磨后再在1300-1600℃下进行烧结，保温2-6小时后得到部分稳定的氧化锆陶瓷成品，用作特殊陶瓷材料及耐火材料。直接采用选矿所得的天然斜锆石作为原料，无需使用经过加工处理后的工业纯原料，过程中不产生废渣、废气、废液。由于使用天然氧化锆原料，无需进行额外处理，只需要添加一定量的稳定剂经过球磨、压饼进行烧结即可，工艺流程短，降低能耗，实现了无害化处理。用作特殊陶瓷材料及耐火材料。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种采用天然斜锆石制备部分稳定氧化锆陶瓷的方法，具体的说是采用选矿所得的天然氧化锆为原料直接制备氧化锆陶瓷的方法，属于火法冶金技术领域。
二、技术背景
氧化锆(ZrO2)存在三种同素异形体，室温下通常以单斜相(m-ZrO2)存在，随着温度的升高转变为四方晶系(t-ZrO2)，更高温度转变为立方晶系(c-ZrO2)。室温下二氧化锆只能以单斜相的形式存在，若使部分t-ZrO2亚稳至室温，就得到部分稳定氧化锆。部分稳定氧化锆(Partially Stabilized Zirconia/PSZ)，就是使含立方相或四方相亚稳到室温，得到含立方相、四方相和单斜相三相或其中任意两相的混合物。部分稳定氧化锆(PSZ)陶瓷材料以其优良的韧性，较高的强度和耐磨性等较好的综合性能受到广泛关注。PSZ陶瓷主要是通过加入低价金属氧化物，在ZrO2陶瓷内部产生大量氧离子空位，以改变ZrO2陶瓷的介电性能；或者通过在PSZ基体内加入第二相物质改善材料介电性能，制备出具有良好力学性能和一定介电性能的功能结构材料。目前，制备PSZ陶瓷使用的原料大多都是经过处理加工后的分析纯或是工业纯的原料；不仅延长了生产工艺，增加了成本，还造成社会能源浪费和环境污染。公知的文献采用电熔氧化锆或是工业纯ZrOCl2·8H2O为原料制备部分稳定氧化锆；公知的文献1(樊传刚，徐兰，严解荣，等.(MgO)0.1-x(CaO)x(ZrO2)0.9陶瓷的相组成、力学与抗热震性能研究.耐火材料.2007，41(2))以电熔ZrO2为主原料，以碱式碳酸镁和CaCO3为稳定剂，经混合、成型和预烧(1550℃，3h)后，制成(MgO)0.1-x(CaO)x(ZrO2)0.9系列陶瓷粉体，但工艺中使用的原料为纯度98％的电熔氧化锆；公知的文献2(安胜利.氧化镁部分稳定氧化锆的相变与抗热震性能研究.包头钢铁学院学报，2003，22(4))采用工业纯ZrOCl2·8H2O为原料，使用化学沉淀法制备MgO-PSZ粉体，MgO-PSZ粉体再通过一系列处理最后得到氧化镁部分稳定氧化锆，该工艺不仅采用了工业纯ZrOCl2·8H2O作为原料，并且采用的化学沉淀法的过程中使用了氨水，增加了环境污染；公知的文献3(张秀玲，林振汉.部分稳定氧化锆(PSZ)的化学稳定性研究.上海金属(有色分册)，1993，14(4))采用ZrOCl2·8H2O为原料，使用喷雾干燥法和无机胶化法制得PSZ粉末和陶瓷片，同样是使用工业纯ZrOCl2·8H2O作为原料，存在工艺流程长等缺点；在专利一种制备部分稳定二氧化锆的方法(专利授权号：ZL200710066180.3)中，采用的原料为电熔氧化锆，通过加热使其从立方相转变为立方相、四方相和单斜相三相共存的部分稳定氧化锆。因此，采用天然斜锆石，短流程的方法制备部分稳定氧化锆具有实际意义。本发明加入一种稳定剂，采用选矿所得的天然斜锆石为原料经过高温处理，可以得到部分稳定氧化锆陶瓷。实现了缩短流程，降低能耗，环境友好、无害化处理。
三、发明内容
本发明的目的是提供一种采用天然斜锆石制备部分稳定氧化锆陶瓷的方法，以天然氧化锆为原料经破，配料，球磨后进行烧结排胶，再在1300-1600℃下进行烧结，保温2-6小时后得到可用作特殊陶瓷材料及耐火材料的部分稳定氧化锆陶瓷成品。
本发明工艺流程见图1，发明步骤如下：
1)以天然氧化锆为原料，经破碎至5.67-8.97μm的平均粒度占总量的50％，然后加入1.5-8wt.％的稳定剂MgO进行配料并混匀；原料主要化学成分(wt.％)见下表；
2)配料并混匀的原料入球磨罐中，球磨8-24小时，控制球磨转速250-350转/分钟，球磨中的分散剂为酒精，酒精的加入量与原料的质量比为2～3∶1，球磨后取出物料，在80-100℃下干燥6-8小时脱除物料中的酒精，得干燥后物料；
3)在干燥好的物料中加入3-4wt.％的粘结剂PVA，混合搅拌30-40分钟，使物料混合均匀后，在60-300MPa的单轴压力下成型为圆饼状物料；
4)将圆饼状物料放入箱式炉中，以升温速率3-5℃/min，升温至850-900℃保温1-3小时的烧结制度进行排胶；
(所述排胶过程就是通过一定的烧结制度达到粘结剂PVA的挥发点后通过保温一段时间，将其从物料中挥发完全，到达排除所加入粘结剂的过程。)
5)将排胶后的物料在1300-1600℃下进行烧结，烧结的升温速率为1-10℃/min，保温烧结2-6小时，以1-10℃/min降温速率降至室温，得到部分稳定氧化锆陶瓷成品。
与公知技术相比的的特点：
1)直接采用选矿所得的天然斜锆石作为原料，无需使用经过加工处理后的工业纯原料，过程中不产生废渣、废气、废液；
2)由于使用天然氧化锆原料，无需进行额外处理，只需要添加一定量的稳定剂经过球磨、压饼进行烧结即可，省略了很多中间环节，工艺流程短，降低能耗，实现了环境友好、无害化处理。
四、附图说明：图1为本发明工艺流程图。
五、具体实施方式
实施例1：
称取天然氧化锆进行破碎，粒度磨碎至5.67μm的平均粒度占总量的50％，将加入3.0wt.％的MgO的天然氧化锆移入玛瑙球磨罐中，用行星球磨机球磨24小时(转速250转/分钟)，分散剂为酒精，加入量为物料质量的2倍，球磨后取出物料，在80℃干燥6小时，脱除物料中的酒精，在干燥好后的物料中加入3wt.％的粘结剂聚乙烯乙二醇，混合搅拌30分钟，使物料混合均匀后，在100MPa的单轴压力下成型为圆饼状物料，再在850℃进行排胶，保温1小时，升温速率为5℃/min，排胶后以升温速率为4℃/min升至1500℃进行烧结保温4小时，以8℃/min降温速率降至室温，最后得到部分稳定氧化锆陶瓷。采用阿基米德排水法测出产品的体积密度为5.5363g/cm3，相对密度为97.63％，说明产品有着较高的致密度。
实施例2：
称取天然氧化锆进行破碎，粒度磨碎至7.76μm的平均粒度占总量的50％，将加入4.5wt.％剂量MgO稳定剂的天然氧化锆移入玛瑙球磨罐中，用行星球磨机球磨12小时(转速350转/分钟)，分散剂为酒精，加入量为物料质量的2.5倍，球磨后取出物料，在100℃干燥6小时，脱除物料中的酒精，在干燥好后的物料中加入3.5wt.％的粘结剂PVA(聚乙烯乙二醇)，混合搅拌40分钟，使物料混合均匀后，在150MPa的单轴压力下成型为圆饼；再在850℃进行排胶保温2h，升温速率为3℃/min，排胶后以升温速率为6℃/min升至1550℃进行烧结保温5h，以10℃/min降温速率降至室温，最后得到部分稳定的氧化锆陶瓷成品。采用阿基米德排水法测出产品的体积密度为5.6004g/cm3，相对密度为98.76％，说明产品有着较高的致密度。
Claims (2)
1.一种采用天然斜锆石制备部分稳定氧化锆陶瓷的方法，其特征在于：其按以下步骤完成，
1)以天然氧化锆为原料，经破碎至5.67-8.97μm的平均粒度占总量的50％。然后加入1.5-8wt.％的稳定剂MgO进行配料并混匀；
2)配料并混匀的原料入球磨罐中，球磨8-24小时，控制球磨转速250-350转/分钟，球磨中的分散剂为酒精，酒精的加入量与原料的质量比为2～3∶1，球磨后取出物料，在80-100℃下干燥6-8小时脱除物料中的酒精，得干燥后物料；
3)在干燥好的物料中加入3-4wt.％的粘结剂PVA，混合搅拌30-40分钟，使物料混合均匀后，在60-300MPa的单轴压力下成型为圆饼状物料。
4)将圆饼状物料放入箱式炉中，以升温速率3-5℃/min，升温至850-900℃保温1-3小时的烧结制度进行排胶。
5)将排胶后的物料在1300-1600℃下进行烧结，烧结的升温速率为1-10℃/min，保温时间2-6小时，以1-10℃/min降温速率降至室温，得到部分稳定氧化锆陶瓷成品。
2.根据权利要求1所述的采用天然斜锆石制备部分稳定氧化锆陶瓷的方法，其特征在于：所述原料主要成分重量百分比为ZrO2+HfO2≥99.30％，SiO2≤0.25％，Fe2O3≤0.10％，TiO2≤0.10％，总量100％。
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