CN102442819A - 一种低成本制备高性能大型氧化铝制品的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于陶瓷材料领域，特别涉及一种低成本制备高性能大型氧化铝制品的方法。本发明的特征是：首先将氧化铝、透辉石、氧化铁按照一定比例混合球磨；其次采用压力喷雾造粒工艺对混合原料进行造粒处理；再次将造粒后的混合粉体进行真空注浆成型，并在干燥后进行冷等静压压实；最后将成型的毛坯埋入氧化铝粉在空气中无压烧结。用该方法制备的大型氧化铝基陶瓷制品，强度和韧性比相同规格的纯氧化铝制品大幅度提高，其生产成本低、产品的性能稳定性好、成品率高。该材料可用于制备三坐标测量机工作台、航空产品生产过程中使用的精密机床导轨和工作台、高速机床导轨和工作台等零部件。
Description
一、技术领域 本发明属于陶瓷材料领域，特别涉及一种低成本制备高性能大型氧化铝制品的方法。
二、背景技术 氧化铝是一种研究较早、应用广泛的陶瓷材料。长期以来，其制备主要依靠热压烧结，烧成的坯体尺寸小、形状简单、各向异性、生产效率低；随着制造业的飞速发展，氧化铝基陶瓷产品在机械性能和尺寸跨度上都有很大的变化；对于空间尺寸较大的氧化铝基陶瓷制品来讲，正趋向于批量生产、装置大型化的无压烧结便成为其烧制的首选工艺。但目前国内的研究表明，在大尺寸氧化铝基陶瓷制品的无压烧制过程中，往往存在不易成型、烧结过程中易开裂、各向异性等缺点。为了在无压烧结工艺下获得性能优良的陶瓷坯体，提高其成品率，在氧化铝基体中加入低熔点的烧结助剂来促进复合材料的致密化烧结，同时为了提高无压烧结氧化铝陶瓷的力学性能，各种各样的添加相被用来增韧补强大型氧化铝陶瓷。但是在改善其力学性能的同时，往往由于昂贵的增韧补强添加相以及复杂的制备工艺，使得氧化铝基陶瓷制品的生产成本大幅度提高。现有大尺寸氧化铝基陶瓷制品的无压烧结仍然存在不易成型、烧结过程中易开裂、成品率低、性能不稳定、各向异性、成品颜色单一、气孔率较高等缺点。
三、发明内容 本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种生产成本低、硬度高、断裂韧性和抗弯强度好的大尺寸氧化铝基陶瓷制品的制备方法。
本发明通过以下方式实现：
(1)以氧化铝陶瓷作为基体材料，以透辉石为烧结助剂和增韧补强添加相，以氧化铁为调色剂；按照氧化铝89％～99％、透辉石1％～5％、氧化铁0％～6％的质量百分比称取原料；
(2)将称好的原料混合，加入聚乙烯醇(PVA)粘结剂和聚丙稀酸铵分散剂以去离子水为介质强化球磨100～120小时，其中固相含量为50～65％(质量百分数，下同)，粘结剂含量为0.5～1％，分散剂含量为0.5～0.8％。采用压力式喷雾造粒工艺对球磨后的原料进行处理制得圆球状的均匀混合粉体；喷雾压力为0.08～0.1MPa，干燥器入口热风温度350～400℃，出口温度为95～110℃，进料速度为10～14ml/min，喷孔直径为0.7～1.5mm；
(3)将造粒后的混合粉体进行真空注浆成型，真空注浆的毛坯脱模后在20～30℃的温度下进行室温干燥，干燥后的毛坯在180～200MPa的油压下进行冷等静压压实，保压时间为8～12min；
(4)采用梯度升温方式的无压烧结工艺，以纯氧化铝粉作为填粉将冷等静压后的陶瓷毛坯放入燃气节能间歇式烧结炉在空气中埋烧，烧结温度1450～1580℃，升温时间为50～70小时，保温时间为10～15小时，保温后随炉冷却；
(5)烧结出炉的产品毛坯在数控脆性材料加工中心上采用金刚石砂轮进行粗磨、精磨加工，即可制备高韧性、高强度、低成本的大尺寸氧化铝陶瓷制品。
本发明通过上述工艺制备的大尺寸氧化铝基陶瓷制品，有白色和红色两个系列，产品致密化程度高，强度和韧性比相同规格的纯氧化铝制品大幅度提高。其生产成本低、产品的性能稳定性好、成品率高，可用于制备三坐标测量机工作台、航空产品生产过程中使用的精密机床导轨和工作台、高速机床导轨和工作台等零部件。
四、具体实施方式
下面给出本发明的两个最佳实施例：
实施例一：按照氧化铝97％、透辉石3％的质量百分比称取原料；将称好的原料混合，加入0.8％(质量百分数，下同)PVA和0.5％聚丙稀酸铵，与去离子水以3∶2的质量比混合，装入聚氨酯制成的球磨桶中强化球磨100小时后进行喷雾造粒处理；喷雾压力为0.1MPa，干燥器入口热风温度控制在350～400℃，出口温度为95～110℃，进料速度控制在10～14ml/min，喷孔直径为1mm；将造粒后的混合粉体进行真空注浆成型，真空注浆的毛坯脱模后在20～30℃的温度下进行室温干燥，干燥后的毛坯在180MPa的油压下进行冷等静压压实，保压时间为10min；以纯氧化铝粉作为填粉将冷等静压后的陶瓷毛坯放入燃气节能间歇式烧结炉在空气中埋烧，烧结温度1500℃，升温时间为70小时，保温时间为15小时，保温后随炉冷却；烧结出炉的产品毛坯在数控脆性材料加工中心上采用金刚石砂轮进行粗磨、精磨加工，即可制备高韧性、高强度、低成本的大尺寸氧化铝陶瓷制品。
实施例二：其他同实施例一，不同之处是按照氧化铝93％、透辉石4％、氧化铁3％的质量百分比称取原料；喷雾造粒时粘结剂含量为1％，分散剂含量为0.8％；冷等静压油压为200MPa，烧结温度为1580℃。
Claims (3)
1.一种低成本制备高性能大型氧化铝制品的方法，以透辉石作为烧结助剂和增韧补强添加相，以氧化铁为调色剂，其特征是具有白色和红色两个系列，透辉石与氧化铝基体发生界面反应，增强材料晶粒之间的界面结合强度，从而获得性能优良的陶瓷制品。
2.根据权利要求1所述一种低成本制备高性能大型氧化铝制品的方法，其特征包括以下步骤：
(1)配料：以氧化铝陶瓷作为基体材料，以透辉石为烧结助剂和增韧补强添加相，以氧化铁为调色剂；按照氧化铝89％～99％、透辉石1％～5％、氧化铁0％～6％的质量百分比称取原料；
(2)造粒：将称好的原料混合，加入聚乙烯醇(PVA)粘结剂和聚丙稀酸铵分散剂以去离子水为介质强化球磨100～120小时，其中固相含量为50～65％(质量百分数，下同)，粘结剂含量为0.5～1％，分散剂含量为0.5～0.8％。采用压力式喷雾造粒工艺对球磨后的原料进行处理制得圆球状的均匀混合粉体；喷雾压力为0.08～0.1MPa，干燥器入口热风温度350～400℃，出口温度为95～110℃，进料速度为10～14ml/min，喷孔直径为0.7～1.5mm；
(3)成型：将造粒后的混合粉体进行真空注浆成型，真空注浆的毛坯脱模后在20～30℃的温度下进行室温干燥，干燥后的毛坯在180～200MPa的油压下进行冷等静压压实，保压时间为8～12min；
(4)烧制：采用梯度升温方式的无压烧结工艺，以纯氧化铝粉作为填粉将冷等静压后的陶瓷毛坯放入燃气节能间歇式烧结炉在空气中埋烧，烧结温度1450～1580℃，升温时间为50～70小时，保温时间为10～15小时，保温后随炉冷却；
(5)加工：烧结出炉的产品毛坯在数控脆性材料加工中心上采用金刚石砂轮进行粗磨、精磨加工，即可制备高韧性、高强度、低成本的大尺寸氧化铝陶瓷制品。
3.根据权利要求2所述一种低成本制备高性能大型氧化铝制品的方法，其特征是透辉石中各成分的质量百分比为二氧化硅55％、氧化钙24％、氧化镁18％。
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