CN102320820A - 氧化铝耐磨陶瓷管及其加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种氧化铝耐磨陶瓷管及其加工方法，原料为α-Al2O3微粉74-78%、SiO20.2-1%、Y2O31-2%、CeO21-2%、苏州土1-4%、ZrO218%-22%，外加上述原料总重0.04-0.1%的聚乙烯醇溶液、0.1-0.5%的分散剂、80-85%的水。加工时先按原料组成称料，加水球磨、造粒、等静压成型、压制成坯、坯体车制，座烧方法装窑，烧成温度为1640-1650℃，保温3-3.5h烧成，出窑。本发明产品的抗折强度、断裂韧性、热稳定性、化学稳定性等方面均优于普通陶瓷管，满足物料长期对瓷管的冲刷、冲击、腐蚀及磨损等要求，延长了瓷管的使用寿命。

Description

氧化铝耐磨陶瓷管及其加工方法
技术领域
    本发明涉及一种陶瓷材料，特别是涉及一种氧化铝耐磨陶瓷管及其加工方法。
背景技术
氧化铝陶瓷是一种用途广泛的陶瓷，因为其具有优越的性能，如耐磨、耐腐蚀等性能较好，在工业化生产中应用越来越广泛，能满足各行业的特殊性能的需要。
普通型氧化铝陶瓷按Al2O3含量不同，分为99瓷、95瓷、90瓷、85瓷等品种，形成氧化铝陶瓷系列产品，其中99氧化铝瓷材料用于制作高温坩埚、耐火炉管及特殊耐磨材料，如陶瓷轴承、陶瓷密封件及水阀片等；95氧化铝瓷主要用作耐腐蚀、耐磨部件；85氧化铝瓷中常掺入部分滑石，以提高其电性能和机械强度。
由于氧化铝陶瓷管有脆性弱点，在抗冲击方面性能较差。如何提高陶瓷管的韧性和耐磨性，满足物料长期对瓷管的冲刷、冲击、腐蚀及磨损，提高瓷管的使用寿命，是目前需要解决的技术问题。
发明内容
    本发明要解决的技术问题：提供一种氧化铝耐磨陶瓷管及其加工方法，有效解决了该类产品的耐磨耐腐蚀等问题，延长了陶瓷管的使用寿命。
本发明的技术方案：
一种氧化铝耐磨陶瓷管，由下述重量百分比的原料组成：α-Al2O3微粉74-78%、SiO2 0.2-1%、Y2O3 1-2%、CeO2 1-2%、苏州土 1-4%、ZrO218%-22%，上述原料总重为100%，外加上述原料总重0.04-0.1%的聚乙烯醇溶液、0.1-0.5%的分散剂、80-85%的水。
所述原料粒度为：α-Al2O3微粉5000-6000目、SiO2 300-325目、Y2O3 300-400目、CeO2300-325目、苏州土 240-250目、ZrO2 150-180目。
所述聚乙烯醇溶液的质量浓度为5-8%，所述分散剂为六偏磷酸纳。
所述氧化铝耐磨陶瓷管的加工方法，包括以下步骤：
（1）按原料组成称料，将ZrO2、CeO2投入球磨机，加水球磨，当D50达到4-5微米时，向球磨机中加入50%的α-Al2O3微粉，然后加入SiO2、Y2O3和苏州土，再加入余下的α-Al2O3微粉，加入水和分散剂，球磨45-50h，取样检测粒度，要求粒度D50为2-3微米；加入聚乙烯醇溶液，再球磨1-1.5h开始造粒，得到粒度为40-180目的造粒粉； 
（2）等静压成型  将造粒粉等静压成型，压制成毛坯，毛坯含水量控制在1.5%以下；
（3）坯体车制 采用真空橡皮膨胀夹具车制毛坯，车床转速为200-360r/min；
（4）烧成 将车制后的毛坯按尺寸切割，采用座烧方法装窑，烧成温度为1640-1650℃，在此温度下保温3-3.5h烧成，出窑。
所述等静压成型时的成型压力为150MPa，在此压力下保压3 min。
所述座烧是在棚板上铺一层20目的白刚玉砂，放上垫片并校平，垫片上再铺一层40目的白刚玉砂，然后将瓷管放在垫片上装窑。 
所述棚板材质为SiC，棚板厚度为20-25mm，棚板耐火度≥1750℃。
所述等静压成型时的压力曲线为：压力由表压0 MPa逐渐升压至150MPa，历时10min，保压2min；由150MPa逐渐减压至100MPa，历时2 min，保压1min；由100 MPa逐渐减压至60MPa，历时0.5min，保压2min；由60MPa逐渐减压至0MPa，历时2min。
所述烧成温度要求为：毛坯由室温经3h升温至300℃，再经3.5h升温至600℃，再经5h升温至950℃，保温1h；再由950℃经5h升温至1200℃，经3h升温至1350℃，保温2h；再由1350℃经7h升温至1640-1650℃，保温3-3.5 h；然后由1640-1650℃经7h降温至1200℃，再经6h降温至950℃，最后自然冷却至200℃。
本发明的积极有益效果：
（1）本发明的氧化铝耐磨陶瓷管性能优良，其抗折强度、断裂韧性、热稳定性、化学稳定性等方面均优于普通陶瓷管。具体的性能指标见下表1。
表1：本发明的氧化铝耐磨陶瓷管性能指标
Figure 25265DEST_PATH_IMAGE001
 注：表1中的10%HC1，是指质量浓度；1:9的NaOH是指质量比。
（2）本发明通过改进原料配方和生产工艺，采用等静压成型工艺，严格控制压力曲线和烧结温度曲线，解决了该类产品烧结易变形、耐磨耐腐蚀等问题，有效控制了产品质量。
（3）由于普通氧化铝陶瓷管的脆性较大，抗冲击性能较差，本发明在一定程度上提高了陶瓷管的韧性和耐磨性，陶瓷管使用温度可达200度以上，满足物料长期对瓷管的冲刷、冲击、腐蚀及磨损等要求，延长了瓷管的使用寿命，减少更换频率，节省检修时间，提高产品的性价比，提高了生产效率。
具体实施方式
例1：一种氧化铝耐磨陶瓷管及其加工方法  
1.原料组成：以重量百分比表示，α-Al2O3微粉74-78%、SiO2 0.2-1%、Y2O3 1-2%、CeO2 1-2%、苏州土 1-4%，ZrO218%-22%，上述原料总重为100%，外加上述原料总重0.04-0.1%的聚乙烯醇溶液、0.1-0.5%的分散剂、80-85%的水；其中聚乙烯醇溶液的质量浓度为5-8%，分散剂为六偏磷酸纳。
原料粒度要求：α-Al2O3微粉5000-6000目、SiO2 300-325目、Y2O3 300-400目、CeO2 300-325目、苏州土 240-250目、ZrO2 150-180目。 
2.陶瓷管的加工方法，包括以下步骤：
（1）按原料组成称料，将ZrO2、CeO2投入球磨机，加水球磨30小时左右，当D50达到4-5微米时，向球磨机中加入50%的α-Al2O3微粉，然后加入SiO2、Y2O3和苏州土，再加入余下的α-Al2O3微粉，加入水和分散剂，球磨45-50h，取样检测粒度，要求粒度D50为2-3微米；加入聚乙烯醇溶液，再球磨1-1.5h开始造粒，得到粒度为40-180目的造粒粉； 
（2）等静压成型  将造粒粉压制成型，成型压力为150MPa，在此压力下保压3 min，压制成毛坯，毛坯含水量控制在1.5%以下；
成型时压力曲线为：压力由表压0 MPa逐渐升压至150MPa，历时10min，保压2min；由150MPa逐渐减压至100MPa，历时2 min，保压1min；由100 MPa逐渐减压至60MPa，历时0.5min，保压2min；由60MPa逐渐减压至0MPa，历时2min。
（3）坯体车制  采用真空橡皮膨胀夹具车制，芯轴套上真空橡皮圈和挡板，毛坯套在真空橡皮圈上，挡板外侧设有螺母；装上毛坯后锁紧两端螺母，车床转速为200-360r/min；
其中的真空橡皮膨胀夹具的结构，见申请号为201020507551.4、名称为：氧化铝陶瓷管等静压成型毛坯车制夹具。
（4）切割、烧成 将车制后的毛坯按形状和尺寸要求切割，采用座烧方法装窑，烧成温度为1640-1650℃，在此温度下保温3-3.5h烧成，自然冷却后出窑。
所述座烧是在棚板上铺一层20目的白刚玉砂，放上垫片并校平，垫片上再铺一层40目的白刚玉砂，然后将瓷管放在垫片上装窑。 
所述棚板材质为SiC，外形尺寸为400x400，厚度为20-25mm，棚板耐火度≥1750℃；棚板的具体要求为：SiC含量≥98%，气孔率15-7%，体积密度为 2.4-2.6g/cm3，抗折强度（20-1300℃）为90-140MPa，导热系数为23w/m.k，使用温度≥1650℃。
烧成温度要求：毛坯由室温经3h升温至300℃，再经3.5h升温至600℃，再经5h升温至950℃，保温1h；再由950℃经5h升温至1200℃，经3h升温至1350℃，保温2h；再由1350℃经7h升温至1640-1650℃，保温3-3.5h；然后由1620℃经7h降温至1200℃，再经6h降温至950℃，最后自然冷却至200℃。
例2：氧化铝耐磨陶瓷管及加工方法，同例1基本相同，不同之处在于：
1.原料组成：α-Al2O3微粉75%、SiO2 1%、Y2O3 1%、CeO2 2%、苏州土 1%，ZrO220%，上述原料总重为100%，外加上述原料总重0.04%的聚乙烯醇溶液、0.3%的分散剂、80%的水；其中聚乙烯醇溶液的质量浓度为8%，分散剂为六偏磷酸纳。
2.陶瓷管的加工方法，同例1不同之处在于：
（4）切割、烧成 将车制后的毛坯按形状和尺寸要求切割，采用座烧方法装窑，烧成温度为1640℃，在此温度下保温3.5h烧成。
烧成温度要求为：毛坯由室温经3h升温至300℃，再经3.5h升温至600℃，再经5h升温至950℃，保温1h；再由950℃经5h升温至1200℃，经3h升温至1350℃，保温2h；再由1350℃经7h升温至1640，保温3.5h；然后由1620℃经7h降温至1200℃，再经6h降温至950℃，最后自然冷却至200℃。
例3：氧化铝耐磨陶瓷管及其加工方法，同例1基本相同，不同之处在于：
1.原料组成：α-Al2O3微粉78%、SiO2 0.2%、Y2O3 1%、CeO2 1%、苏州土 1%，ZrO218.8%，上述原料总重为100%，外加上述原料总重0.1%的聚乙烯醇溶液、0.2%的分散剂、85%的水。其中聚乙烯醇溶液的质量浓度为5%，分散剂为六偏磷酸纳。
2.陶瓷管的加工方法，同例1不同之处在于：
（4）切割、烧成 将车制后的毛坯按形状和尺寸要求切割，采用座烧方法装窑，烧成温度为1650℃，在此温度下保温3h烧成；
烧成温度要求为：毛坯由室温经3h升温至300℃，再经3.5h升温至600℃，再经5h升温至950℃，保温1h；再由950℃经5h升温至1200℃，经3h升温至1350℃，保温2h；再由1350℃经7h升温至1650℃，保温3h；然后由1620℃经7h降温至1200℃，再经6h降温至950℃，最后自然冷却至200℃。
例4：氧化铝耐磨陶瓷管及其加工方法，同例1基本相同，不同之处在于：
原料组成：α-Al2O3微粉77%、SiO2 0.2%、Y2O3 1%、CeO2 1%、苏州土 1%，ZrO219.8%，上述原料总重为100%，外加上述原料总重0.08%的聚乙烯醇溶液、0.4%的分散剂、83%的水；其中聚乙烯醇溶液的质量浓度为6%，分散剂为六偏磷酸纳。
例5：氧化铝耐磨陶瓷管及其加工方法，同例1基本相同，不同之处在于：
原料组成：α-Al2O3微粉76%、SiO2 0.3%、Y2O3 1.8%、CeO2 1.5%、苏州土 2%，ZrO218.4%，上述原料总重为100%，外加上述原料总重0.06%的聚乙烯醇溶液、0.5%的分散剂、84%的水；其中聚乙烯醇溶液的质量浓度为7%，分散剂为六偏磷酸纳。
例6：氧化铝耐磨陶瓷管及其加工方法，同例1基本相同，不同之处在于：
原料组成：α-Al2O3微粉75%、SiO2 0.5%、Y2O3 2%、CeO2 1%、苏州土 3%，ZrO218.5%，上述原料总重为100%，外加上述原料总重0.05%的聚乙烯醇溶液、0.3%的分散剂、82%的水；其中聚乙烯醇溶液的质量浓度为6%，分散剂为六偏磷酸纳。
例7：氧化铝耐磨陶瓷管及其加工方法，同例1基本相同，不同之处在于：
原料组成：α-Al2O3微粉74%、SiO2 1%、Y2O3 1%、CeO2 1%、苏州土 1%，ZrO222%，上述原料总重为100%，外加上述原料总重0.09%的聚乙烯醇溶液、0.1%的分散剂、80%的水；其中聚乙烯醇溶液的质量浓度为6%，分散剂为六偏磷酸纳。

Claims (9)

1.一种氧化铝耐磨陶瓷管，其特征是，由下述重量百分比的原料组成：
α-Al2O3微粉74-78%、SiO2 0.2-1%、Y2O3 1-2%、CeO2 1-2%、苏州土 1-4%、ZrO218%-22%，上述原料总重为100%，外加上述原料总重0.04-0.1%的聚乙烯醇溶液、0.1-0.5%的分散剂、80-85%的水。
2.根据权利要求1所述的氧化铝耐磨陶瓷管，其特征在于：所述原料粒度为：α-Al2O3微粉5000-6000目、SiO2 300-325目、Y2O3 300-400目、CeO2300-325目、苏州土 240-250目、ZrO2 150-180目。
3.根据权利要求1所述的氧化铝耐磨陶瓷管，其特征在于：所述聚乙烯醇溶液的质量浓度为5-8%，所述分散剂为六偏磷酸纳。
4.一种权利要求1所述氧化铝耐磨陶瓷管的加工方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
（1）按原料组成称料，将ZrO2、CeO2投入球磨机，加水球磨，当D50达到4-5微米时，向球磨机中加入50%的α-Al2O3微粉，然后加入SiO2、Y2O3和苏州土，再加入余下的α-Al2O3微粉，加入水和分散剂，球磨45-50h，取样检测粒度，要求粒度D50为2-3微米；加入聚乙烯醇溶液，再球磨1-1.5h开始造粒，得到粒度为40-180目的造粒粉； 
（2）等静压成型  将造粒粉等静压成型，压制成毛坯，毛坯含水量控制在1.5%以下；
（3）坯体车制 采用真空橡皮膨胀夹具车制毛坯，车床转速为200-360r/min；
（4）烧成 将车制后的毛坯按尺寸切割，采用座烧方法装窑，烧成温度为1640-1650℃，在此温度下保温3-3.5h烧成，出窑。
5.根据权利要求4所述的加工方法，其特征在于：所述等静压成型时的成型压力为150MPa，在此压力下保压3 min。
6.根据权利要求4所述的加工方法，其特征在于：所述座烧是在棚板上铺一层20目的白刚玉砂，放上垫片并校平，垫片上再铺一层40目的白刚玉砂，然后将瓷管放在垫片上装窑。
7.根据权利要求6所述的加工方法，其特征在于：所述棚板材质为SiC，棚板厚度为20-25mm，棚板耐火度≥1750℃。
8.根据权利要求4所述的加工方法，其特征在于：所述等静压成型时的压力曲线为：压力由表压0 MPa逐渐升压至150MPa，历时10min，保压2min；由150MPa逐渐减压至100MPa，历时2 min，保压1min；由100 MPa逐渐减压至60MPa，历时0.5min，保压2min；由60MPa逐渐减压至0MPa，历时2min。
9.根据权利要求4-8任一项所述的加工方法，其特征在于：所述烧成温度要求为：毛坯由室温经3h升温至300℃，再经3.5h升温至600℃，再经5h升温至950℃，保温1h；再由950℃经5h升温至1200℃，经3h升温至1350℃，保温2h；再由1350℃经7h升温至1640-1650℃，保温3-3.5 h；然后由1640-1650℃经7h降温至1200℃，再经6h降温至950℃，最后自然冷却至200℃。
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