CN102320830A

CN102320830A - 氧化锆陶瓷缸套材料及其制备方法

Info

Publication number: CN102320830A
Application number: CN201110237836A
Authority: CN
Inventors: 张歆; 罗忠义; 王新平; 尹业高; 陈仲丛; 陈潮钿; 王国营; 许小军; 黄超华
Original assignee: DONGFANG ZIRCONIUM INDUSTRY SCIENCE-TECHNOLOGY Co Ltd GUANGDONG; Shantou University
Current assignee: DONGFANG ZIRCONIUM INDUSTRY SCIENCE-TECHNOLOGY Co Ltd GUANGDONG; Shantou University
Priority date: 2011-08-19
Filing date: 2011-08-19
Publication date: 2012-01-18

Abstract

本发明公开了一种氧化锆陶瓷缸套材料及其制备方法，材料组分及含量是ZrO₂60～80wt%，Al₂O₃20～30wt%，Y₂O₃3.2～4.3wt%，TiO₂3～4.2wt%，La₂O₃1.5～2.1wt%。其方法是以Al(NO₃)₃、ZrOCl₂·8H₂O、Y(NO₃)₃、TiCl₄、LaCl₃为原料，C₆H₁₂N₄为沉淀剂，利用共沉淀法制备ZrO₂陶瓷缸套材料。有效地实现了各组分在分子水平上的均匀混合。克服了常规球磨混合工艺造成材料中的各组分混合不够均匀的缺点,制得的氧化锆陶瓷粉体具有分散均匀、粒径均一、流动性良好等特点；实现了低温烧结，该方法制备的ZrO₂复合陶瓷材料生坯体在1330～1380℃煅烧后，抗弯强度、断裂韧性、维氏硬度分别达到980～1200MPa、8.3～10MPa?m^1/2、2GPa-14GPa；而且工艺简单，易于规模化生产。

Description

氧化锆陶瓷缸套材料及其制备方法

技术领域

本发明属于氧化锆陶瓷材料技术领域，具体地说，是一种氧化锆陶瓷缸套材料以及氧化锆陶瓷缸套材料的制备方法。

背景技术

目前，泥浆泵缸套材料大多是复合金属材料。由于泥浆泵的工作环境恶劣，金属材料易受磨损、腐蚀，导致缸套使用寿命短，频繁更换降低了工作效率。因此，如何稳定和提高活塞缸套的使用寿命，是提高泥浆泵工作效率的一个重要方面。

为改进缸套的使用寿命，2009年8月26日公开的、公开号为CN101514104A的中国发明专利申请公布说明书提出氧化锆基陶瓷缸套材料内衬，可将传统金属材料缸套的寿命提高5～10倍。但是，这种陶瓷缸套的制作是将不同组分直接混合，经过湿法球磨制得陶瓷粉体成型后，对坯体高温煅烧制得。由于传统的对原料进行机械混合湿法球磨，原料得不到充分混合，材料组分分布不够均匀，同时由于材料组分不均，高温煅烧后，材料的收缩率也会有所不同，陶瓷的性能受到了影响。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的不足，公开一种原料充分混合、组分均匀、陶瓷性能佳的氧化锆陶瓷缸套材料及其制备方法。

本发明提出一种氧化锆陶瓷缸套材料，包括ZrO₂ 60～80 wt%、Al₂O₃20～30 wt %、Y₂O₃ 3.2～4.3 wt %、TiO₂ 3～4.2 wt %、La₂O₃1.5～2.1 wt %。

上所述的氧化锆复合陶瓷材料，是由四方氧化锆作基体，氧化钇、氧化镧作协同稳定剂。氧化锆陶瓷在高温冷却时发生由t-ZrO₂→m-ZrO₂的相转变，前期研究已经证明，少量氧化镧的引入，能对氧化钇稳定氧化锆的四方晶相起协同效应，提高其稳定效果，同时也能提高陶瓷材料的烧结密度。氧化铝的加入也有利于防止及减少氧化锆相转变时发生的体积收缩。同时氧化铝弹性模量高，能提高材料的强度、硬度和耐磨性等力学性能；氧化钛固融于氧化铝和氧化锆中可以降低材料的烧结温度，缩短烧结时间，增强材料的抗热震性能。

提出利用共沉淀法制备氧化锆陶瓷缸套材料的方法，其制备工艺包括有下列步骤：

（1）反应液的制备：以ZrOCl₂·8H₂O、Al(NO₃)₃、Y(NO₃)₃、TiCl₄、LaCl₃为原料，C₆H₁₂N₄为沉淀剂，配成反应溶液，再向其中加入适量的分散剂。

（2）干凝胶的制备：搅拌下将上述溶液逐渐加热反应，制得溶胶，再加氨水调节pH值。将凝胶洗涤、醇化、抽滤、干燥、过筛制得干凝胶。

（3） ZrO₂陶瓷缸套粉体制备：将上述干凝胶在1000～1 200 ℃下煅烧后，制得ZrO₂陶瓷缸套粉体。

（4）球磨：将（3）中制得的ZrO₂陶瓷缸套粉体倒入行星球磨机的球磨罐中，并加入分散剂和粘结剂，在进行球磨搅拌制得浆料，分散剂的重量为总重量的0.5～1.5 %。

（5）造粒：将步骤（4）中制得的浆料进行喷雾干燥，制得造粒粉。

（6）预压成型：将步骤（5）中制得造粒粉置于模具中预成型压制，再冷等静压处理制成生坯。

（7）烧结：将步骤（6）中制得的生坯进行预烧，除去粘结剂，随后进行第二次烧结，使坯体致密化，从而制得ZrO₂陶瓷缸套材料。

本发明的有益效果是：采用共沉淀有效地实现了各组分在分子水平上均匀的混合。克服了常规机械混合球磨法工艺造成的材料中各组分混合不够均匀的缺点，制得的氧化锆陶瓷粉体具有分散均匀、粒径均一、流动性良好等特点。实现低温烧结（1330～1380℃），降低制备能耗。这种氧化锆纳米复合陶瓷缸套材料具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损等特性，其抗弯强度、断裂韧性、维氏硬度分别达到980～1 200 MPa、8.3～10 MPa·m^1/2、12-14GPa。这种ZrO₂复合陶瓷缸套内衬具有使用寿命长、性价比高的特点。而且该工艺快速、简便，易于规模化生产。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详述。

图1 实施例2中ZrO₂陶瓷缸套材料的背散射图。

图2 实施例2中ZrO₂陶瓷缸套材料的XRD图谱。

图3 实施例2中ZrO₂陶瓷缸套材料断口的SEM照片。

具体实施方案

实施例1 ：参考图1至图3。

（1）反应液的制备：将550 gZrOCl₂∙8H₂O和534 gAl(NO₃)₃∙9H₂O溶于反应釜中，向其中加入300 mL溶有30.6 gTiCl₄酒精，再加入溶有13.6 gY₂O₃和La₂O₃的盐酸溶液配置成C_Zr ⁴⁺=0.1～0.3 mol/L溶液混合溶液，冷却至室温后在搅拌下按计量比缓慢加入沉淀剂C₆H₁₂N₄的溶液（浓度C=0.2～0.6 mol/L）混合均匀。再向其中加入适量的分散剂。

（2）干凝胶的制备：搅拌下将上述溶液逐渐加热反应2小时后，再用氨水调节pH，制得溶胶。将溶胶抽滤，洗涤6至7次后，醇化，在100 ℃的烘箱中干燥，过筛制得干凝胶。

（3）ZrO₂陶瓷缸套粉的制备：将上述干凝胶在1000～1 200 ℃下煅烧后，制得ZrO₂陶瓷缸套粉体。

（4）球磨：将（3）中制得的ZrO₂陶瓷缸套粉体倒入行星球磨机的球磨罐中，并加入分散剂和粘结剂，分散剂的重量为总重量的0.5～1.5 %。采用湿式球磨搅拌的方式，介质为氧化锆球，控制水与混合物料的摩尔比为1:1, 分散剂为聚丙烯酸铵，在进行球磨搅拌3 h后制得浆料。

（5）造粒：将步骤（4）中制得的浆料进行喷雾干燥，除去水分制得造粒粉；造粒在喷雾干燥塔中进行，离心喷雾转盘的转速为5 000～6 500 rpm，进风温度200～260 ℃，出风温度为100～130 ℃，可以使造粒粉具有更好的流动性。

（6）预压成型：将步骤（5）中制得造粒粉置于模具中预成型压制，再冷等静压处理制成生坯小陶瓷块；预成型压制的工作压力230～450 kg/cm²；冷等静压处理的工作压力1370～1500 kg/cm²。

（7）烧结：将步骤（6）中制得的生坯进行预烧，除去粘结剂，随后进行第二次烧结，使坯体致密化，从而制得ZrO₂复合陶瓷缸套材料。预烧温度600～900 ℃，保温时间9 h，对坯体进行第二次烧结的温度1350 ℃，保温时间10 h，使坯体致密化，制得ZrO₂复合陶瓷缸套材料。该材料的性能指标如下：抗弯强度、断裂韧性、维氏硬度分别达到980 MPa、9.5 MPa·m^1/2、1 3 GPa。

实施例2 ：（1）反应液的制备：将650 gZrOCl₂∙8H₂O和434 gAl(NO₃)₃∙9H₂O溶于反应釜中，向其中加入300 mL溶有30.6 gTiCl₄酒精，再加入溶有14.6 gY₂O₃和La₂O₃的盐酸溶液配置成C_Zr ⁴⁺=0.1～0.3 mol/L溶液混合溶液，冷却至室温后在搅拌下按计量比缓慢加入沉淀剂C₆H₁₂N₄的溶液（浓度C=0.2～0.6 mol/L）混合均匀。再向其中加入适量的分散剂。

（5）造粒：将步骤（4）中制得的浆料进行喷雾干燥，除去水分制得造粒粉；造粒在喷雾干燥塔中进行，离心喷雾转盘的转速为5000～6500 rpm，进风温度200～260 ℃，出风温度为100～130 ℃，可以使造粒粉具有更好的流动性。

（7）烧结：将步骤（6）中制得的生坯进行预烧，除去粘结剂，随后进行第二次烧结，使坯体致密化，从而制得ZrO₂复合陶瓷缸套材料。预烧温度600～900 ℃，保温时间9 h，对坯体进行第二次烧结的温度1350 ℃，保温时间10 h，使坯体致密化，制得ZrO₂复合陶瓷缸套材料。该材料的性能指标如下：抗弯强度、断裂韧性、维氏硬度分别达到1 120 MPa、9.5 MPa·m^1/2、1 2.50 GPa。

Claims

1.一种氧化锆陶瓷缸套材料，包括ZrO₂ 60～80 wt%，Al₂O₃20～30 wt %，Y₂O₃ 3.2～4.3 wt %，TiO₂ 3～4.2 wt %，La₂O₃1.5～2.1 wt %。

2.一种氧化锆陶瓷缸套材料的制备方法，包括下列各步骤：

（1）反应液的制备：以ZrOCl₂·8H₂O、Al(NO₃)₃、Y(NO₃)₃、TiCl₄、LaCl₃为原料，C₆H₁₂N₄为沉淀剂，配成反应溶液，再向其中加入适量的分散剂；

（2）干凝胶的制备：搅拌下将上述溶液逐渐加热反应，制得溶胶，再加氨水调节pH值，将凝胶洗涤、醇化、抽滤、干燥、过筛制得干凝胶；

（3） ZrO₂陶瓷缸套粉体制备：将上述干凝胶在1000～1 200 ℃下煅烧后，制得ZrO₂陶瓷缸套粉体；

（4）球磨：将（3）中制得的ZrO₂陶瓷缸套粉体倒入行星球磨机的球磨罐中，并加入分散剂和粘结剂，再进行球磨搅拌制得浆料，分散剂的重量为总重量的0.5～1.5 %；

（5）造粒：将步骤（4）中制得的浆料进行喷雾干燥，制得造粒粉；

（6）预压成型：将步骤（5）中制得造粒粉置于模具中预成型压制，再冷等静压处理制成生坯；

3.根据权利2所述的氧化锆陶瓷缸套材料的制备方法，其特征是：在步骤（1）中，制备混合溶液时，必须在室温下进行，反应液中C_Zr ⁴⁺=0.1～0.3 mol/L，其中锆离子与C₆H₁₂N₄的物质的比1:（1.2～1.5）。

4.根据权利2所述的氧化锆陶瓷缸套材料的制备方法，其特征是：在步骤（1）中，TiCl₄应事先溶于无水乙醇中，其中无水乙醇与TiCl₄的体积比10:1。

5.根据权利2所述的氧化锆陶瓷缸套材料的制备方法，其特征是：在步骤（5）中，预成型压制的工作压力为200～400 kg/cm²；冷等静压处理的工作压力是1 300～1 800 kg/cm²。

6.根据权利2所述的氧化锆陶瓷缸套材料的制备方法，其特征是：在步骤（6）中，坯体预烧温度600～900 ℃，保温时间8～12 h；第二步烧结温度1330～1380 ℃。