CN103145339B - 一种石英陶瓷材料及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种石英陶瓷材料及其应用，所述的石英陶瓷材料为石英陶瓷颗粒，该石英陶瓷颗粒的SiO₂含量在 99.00% (wt) 以上；所述石英陶瓷颗粒的粒径D50在1~500um；所述的石英陶瓷颗粒的显微结构为：玻璃相85.00% - 99.99%（质量），结晶相0.01-15.00%（质量），剩余为气孔。石英陶瓷颗粒的显气孔率1% - 15% (体积)。粉体粒度分布广泛，流动性高，利于涂料流淌、滴落，非常有利于复杂形状铸件的充型。适用于精密铸造用耐火材料型壳或型芯材料，以及耐火涂层的制作。

Description

一种石英陶瓷材料及其应用

技术领域

本发明涉及一种无机非金属材料，特别涉及一种石英陶瓷材料、及其应用。

背景技术

熔融石英，或称熔融石英玻璃(分子式SiO₂)，是玻璃材料。石英陶瓷，或称熔融石英陶瓷，或称熔融石英玻璃陶瓷(分子式·SiO₂)，为陶瓷材料。两者均为性能优越的无机非金属材料，其中，石英陶瓷不但具有熔融石英玻璃的许多优良性质，如热膨胀系数小、热稳定性好、电绝缘性好、耐化学侵蚀性好，还具备熔融石英所缺乏的性质，如熔融石英玻璃由于其热导率高，很快完全熔融，从而失透（析晶）报废。而石英陶瓷由于导热性差，在使用过程中即使表面发生析晶，其内部析晶也很缓慢，整体强度仍然不低，晶化后仍可使用。

因此，石英陶瓷产品具有广泛的市场前景。但由于陶瓷本身的成型工艺的限制，在成型结构复杂产品时很容易产生开裂、变形，制成率、合格率极低。无形中增加了生产成本造成了浪费。且毛坯经过烧制成型后，通常都须要进行机械加工，才能够达到使用的精度要求。结构复杂的制品在机械加工时受到非常大的局限，因此在某些特定领域使用时受到很大的限制。

在精密铸造中，目前普遍采用型砂来制造壳型或型芯，因型砂的质量不好而造成的铸件废品约占铸件总废品的30～50%。虽然石英玻璃具有良好的强度和热稳定性，但由于本身的结构限制，烧结出的产品透气性和强度上均由一定的欠缺，因为无法将石英玻璃产品完美的应用于铸造壳型或型芯上。

经检索有关文献，目前还未检索到有关石英陶瓷制成颗粒材料及其应用的相关报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种石英陶瓷材料，具有高湿强度，高烧结强度，高抗热震性，高化学稳定性、高透气性以及低的热导率，同时流动性好，能够方便制作成形状复杂的产品，还提供一种该石英陶瓷材料的应用。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种石英陶瓷材料，其创新点在于：所述的石英陶瓷材料为石英陶瓷颗粒，该石英陶瓷颗粒的SiO₂含量在 99.00% (wt) 以上；所述石英陶瓷颗粒的粒径D50在1~500um。

进一步的，所述石英陶瓷颗粒材料的结晶程度以方石英含量计算为0.01 – 15.00%（质量）。

进一步的，所述的石英陶瓷颗粒的显微结构为：玻璃相85.00% - 99.99%（质量），结晶相0.01-15.00%（质量），剩余为气孔。

进一步的，所述石英陶瓷颗粒的显气孔率1% - 15% (体积)。

将石英陶瓷材料作为铸造用耐火型壳或型芯材料的应用。

将石英陶瓷材料在耐火涂料中的应用。

将石英陶瓷材料喷涂在金属件结构件表面作为耐磨、耐蚀、耐高温氧化以及良好电绝缘性能涂层的应用。

本发明的优点在于： 本发明的石英陶瓷颗粒材料是采用石英陶瓷制成的颗粒材料，与之前铸造行业中所用的粘土砂、水玻璃砂、树脂自硬砂相比，其具有良好的圆度，良好的流动性，可塑型，制作为各种形状的产品，把石英陶瓷颗粒材料混合纯净水，塑型以后，在高温条件下使用时，石英陶瓷颗粒材料热膨胀率极低，直接得到最终尺寸产品，而不需要机械加工最终成型；同时，相较石英玻璃粉体，石英陶瓷颗粒具有石英玻璃所没有的优点，是陶瓷结构，包括玻璃相，结晶相，闭口气孔，开口气孔，热导率极低，而在1720°C直接熔融，没有软化过程，拥有良好的烧结强度和抗热震性等特性，而显气孔率1% - 15% (体积)，使其具有良好的透气性。石英陶瓷颗粒作为精密铸造工业使用的型壳和型芯，能够提高制造产品的精度，非常有利于复杂形状铸件的充型。同时，石英陶瓷颗粒能够与硅溶胶混合制作耐火涂料，颗粒粒度分布广泛，流动性高，利于涂料流淌、滴落，防止出现流挂、针孔等缺陷。本发明中的石英陶瓷粉体材料还能够广泛应用于半导体行业、光伏行业、玻璃行业、陶瓷行业和钢铁行业中。

此外，本发明中的石英陶瓷粉料采用高纯石英陶瓷为基础原料，主要经过预破碎，破碎，预筛分，研磨，整型，筛分，包装等工序后制得。其中，在每一工艺环节均严格检测控制质量。该工艺中相比传统工艺增加了粉体整型工序，保证了石英陶瓷颗粒的圆度，这一工序极大改善粉体的颗粒形貌，确保其具有良好的流动性。

附图说明

图1 为石英陶瓷砂粒形图。

图2为熔融石英砂粒形图。

具体实施方式

本发明中所述的石英陶瓷材料为石英陶瓷颗粒，该石英陶瓷颗粒的SiO₂含量在 99.00wt%以上，其余为杂质；石英陶瓷颗粒的D50在1~500um。石英陶瓷颗粒的显微结构下为球形或近似球形。

石英陶瓷颗粒材料的显微结构为陶瓷晶相，具体包括：玻璃相85.00% - 99.99%（质量），结晶相0.01-15.00%（质量），剩余为气孔。

本发明中石英陶瓷颗粒材料制备的工艺路线是：选用石英陶瓷为原料，该石英陶瓷原料是熔融石英玻璃经由烧结瓷化获得，通过预破碎、破碎两个工序将石英陶瓷破碎成颗粒状，再通过预筛分、研磨、筛分工序制得一定目数大小的石英陶瓷颗粒；并在研磨、筛分工序之间增加整形工序。并在每一工艺环节均严格检测控制质量，确保制得SiO₂含量在 99.00% （质量）以上的石英陶瓷颗粒材料。

如图1、2所示，本发明中SiO₂含量在 99.00% （质量）以上的石英陶瓷颗粒与熔融石英玻璃材料（简称熔融石英，石英玻璃，石英砂，石英粉），锆英石，铝-硅系耐火材料等材料，在精密铸造工业的应用特性对比：

湿强度（抗弯强度）比较：

石英陶瓷粉体与熔融石英粉均为SiO₂，与硅溶胶的主要成分为同一种材料，在与硅溶胶混合制作涂料后，同种材料的结合稳定性是所有耐火材料中最稳定的，好于铝硅系材料和锆英石材料。

石英陶瓷粉制壳的湿强度（抗弯强度）和断裂韧度高于熔融石英粉，这是因为石英陶瓷颗粒的颗粒形貌为近似球形，且粉体粒度分布广泛，流动性高，利于涂料流淌、滴落，非常有利于复杂形状铸件的充型。而熔融石英砂粒形为多角形，容易产生拱桥效应，造成浮砂。

烧结强度：

石英陶瓷型壳在浇铸高温后烧结，型壳高温强度比熔融石英提高0.4MPa，也比铝-硅系材料要高，从而减少浇注漏壳现象。石英陶瓷型壳的烧结温度在1000°C左右，在浇铸过程中，型壳完全瓷化，其断裂模量（MOR）达到40MPa，超过石英砂，与铝-硅系材料相比无差异。

同时，石英陶瓷颗粒制壳在1100℃以下其强度随着温度的升高而增加，从室温至1100°C其强度增加33%. 这使得石英陶瓷型壳在1000°C高温时有最高的烧结强度以经受所浇铸金属的重量和冲击。

由于莫来石的热膨胀系数为5.7×10^-6/℃，同时莫来石为棒状晶体，热膨胀为各向异性，使浇注料在烧结过程中内部形成大量微裂纹。

抗热震性、尺寸稳定性

下表为莫来石为代表铝-硅系耐火材料、锆英石、熔融石英粉和石英陶瓷颗粒线性热膨胀系数对比：

抗热震性结论：由于铝-硅系耐火材料和锆石材料的线性热膨胀系数高，在使用中容易使铸件产生裂纹，变形，且要烘烤。石英陶瓷粉型壳和熔融石英粉型壳拥有最高的抗热震性能，防止在浇铸金属时温度剧烈变化铸件产生裂纹。

尺寸稳定性结论：石英陶瓷颗粒成的型壳材料在高温下，由于线性热膨胀系数仅0.50 x 10^-6/°C (20~1000°C)，变形尺寸同熔融石英材料变形尺寸相比都非常微小，要远小于铝-硅系材料和锆石材料的变形尺寸。因而与铝-硅系材料和锆石材料的型壳相比，铸件成型精度更高。经过特殊设计的石英陶瓷颗粒材料热膨胀系数可以更低，以至实现材料的净尺寸成型，浇铸后的产品可以减少机械加工量甚至完全不需要机械加工。

化学稳定性

采用石英陶瓷材料作面层耐火材料需要特别注意它的适用范围。石英陶瓷材料是非常稳定的，在常温下只与HF反应。在高温下，和石英陶瓷材料起反应的元素也非常有限。从热力学角度，少数金属和合金元素，碱金属，在浇注温度下有和二氧化硅反应的可能性。金属可以置换出硅而污染合金铸件。但从动力学角度，由于浇铸高温时间短暂，反应速度是来不及的。因此，即使在这样的条件下，使用石英陶瓷材料也是稳定安全的。

透气性

为了允许在浇铸金属时封在型腔中的空气可以透过型壳逸出，型壳必须要有高的透气性。石英陶瓷本身是有显气孔的材料，在制成粉体后，表面的显气孔数量大幅提高。制成型壳后，这些显气孔连通成透气性能良好的微蜂窝陶瓷，浇铸时石英陶瓷型壳有高的透气性。

下表为熔融石英材料，铝-硅系耐火材料和石英陶瓷材料的透气性对比：

结论：石英陶瓷颗粒的透气性高于熔融石英粉、莫来石粉。

   下表为不同粒度范围内的石英陶瓷材料透气性对比

结论：石英陶瓷颗粒的粒度越小透气性越差，粒度越大透气性越好；而粒度的范围越大则透气性则下降。从可行性分析，当粒度范围达到500以上时虽然透气性增加但是型砂的强度下降，在起模、搬运砂型、下芯、合型等过程中，可能曾受不住金属液的冲刷和冲击，冲坏型砂而造成砂眼等缺陷，或造成胀砂或跑火等现象。而粒度范围在1以下时，制备成本高，不符合型砂低成本的要求。

热导率

结论：当温度低于600°C时，石英陶瓷颗粒成型型壳热导率低于铝-硅系材料，而比热容又只有锆石的50%，这使得金属液体在较低温度时能保持良好流动性，利于薄壁铸件的充型。而温度高于600°C时，石英陶瓷颗粒制成的型壳由白色或乳白色变为半透明，辐射散热快，易将足够的热量通过型壳散发掉，使铸件冷却快，易获得致密铸件。熔融石英玻璃拥有更高的热导率，但是，石英陶瓷颗粒成型材料热导率远低于熔融石英，铸件产生裂纹的趋向比熔融石英要低。石英陶瓷颗粒由于具有热导率低的特性使充型容易，铸件致密，同时散热效率高。

蠕变

当采用石英陶瓷颗粒撒砂料代替铝-硅系材料时，型壳高温抗蠕变能力提高。石英陶瓷颗粒在高温（约1100℃）下发生晶型转变，产生方石英晶相，连接形成骨架，抵消熔融石英在1200°C以上玻璃软化导致的强度降低。

工艺操作特点

熔融石英的缺点是在常温状态熔融石英涂料浆透明度高，涂挂模组过程中，操作者难于识别涂层厚度和均匀程度。作为面层撒砂材料，由于熔融石英砂粒形为多角形，不利于蜡模上精细部位的充填，再加上密度小，砂粒容易架桥，形成浮砂，熔融石英粉配成涂料的流变行为不理想，流淌性、覆盖性等均不如石英陶瓷粉和锆石粉，粉液比也不易达到期望的水平。处置不当，浇注时容易造成钢液渗漏。而石英陶瓷粉在常温状态下白色或乳白色，非透明状态。操作者易于判断涂层厚度和均匀程度。石英陶瓷粉粒形为球形，石英陶瓷粉配成涂料的黏度，流速均可控制，设计的流变行为可以达到理想状态，流淌性、覆盖性等非常有利于蜡模上精细部位的充填。石英陶瓷颗粒形貌为球形，更好的避免了拱桥效应，浇铸时不形成浮砂。

由于石英陶瓷颗粒材料与熔融石英玻璃粉体材料性能的相似性，下面对本发明中的石英陶瓷颗粒材料实样与市面上的熔融石英玻璃粉体实样性能具体参数对比为：

因此，综上所述，本发明中石英陶瓷颗粒材料适合作为精密铸造用耐火材料型壳或型芯材料。其应用时的主要工艺路线是：将石英陶瓷粉同湿润剂、粘结剂等按一定的比例、添加顺序加入搅拌机中制成涂装涂料，然后涂挂蜡模，脱蜡，焙烧制成型壳或型芯。也可将石英陶瓷粉同湿润剂、粘结剂等按一定的比例、添加混合后通过静压制成型壳或型芯。石英陶瓷颗粒也可作为耐火涂料的主要成分，例如采用目数在50~200目范围的石英陶瓷颗粒作为耐火细骨料，加入适当的结合剂、水或其他液体结合剂、外加剂制成。

当然，本发明中的石英陶瓷颗粒不仅仅局限于铸造行业的应用，同时其由于具有上述优点，还能够取代传统的石英玻璃粉在半导体行业、光伏行业、玻璃行业、陶瓷行业和钢铁行业中应用。

例如：采用等离子体喷涂金属构件表面可以制得有良好耐高温，低热传导率，高韧性的复合材料，从而避免陶瓷的脆性和不耐冲击，又能够避免高温蠕变和疲劳。方法是：采用直流电驱动的等离子电弧作为热源，将石英陶瓷颗粒加热到半熔融状态，并以高速喷向经过预处理的工件表面而形成附着牢固的表面层。在半导体行业作为制作半导体硅片的输送辊，光伏行业作为制作太阳能电池烧结炉的传送辊，玻璃行业的退火窑辊，钢铁行业的炉底辊，液晶、等离子平板显示器件制造用成型板。同时可作为新型的生物活性陶瓷涂层，经过适当的工艺处理后可具有良好的生物活性，在人体体液环境下具有高稳定性和生物相容性。

在陶瓷行业，可作为复合陶瓷材料的原料。上述石英陶瓷颗粒的应用仅仅是示例性的，而不是局限性的。

Claims (1)

1.一种石英陶瓷材料，其特征在于：所述的石英陶瓷材料为石英陶瓷颗粒或粉体，该石英陶瓷颗粒的SiO₂含量在 99.00% (wt) 以上；所述石英陶瓷颗粒的粒径D50在1~500μm；所述石英陶瓷颗粒材料的结晶程度以方石英含量计算为0.01 – 15.00%（质量）；所述的石英陶瓷颗粒的显微结构为：玻璃相85.00% - 99.99%（质量），结晶相0.01-15.00%（质量），剩余为气孔；所述石英陶瓷颗粒的显气孔率1% - 15% (体积)。