CN104193307A

CN104193307A - 低成本氧化锆增韧氧化铝陶瓷造粒粉的制备方法

Info

Publication number: CN104193307A
Application number: CN201410416306.5A
Authority: CN
Inventors: 侯宪钦; 王光强; 陈杰; 刘学燕
Original assignee: ZIBOCITY ZHOUCUN LEIBAO REFRACTRIES CO Ltd
Current assignee: ZIBOCITY ZHOUCUN LEIBAO REFRACTRIES CO Ltd
Priority date: 2014-08-22
Filing date: 2014-08-22
Publication date: 2014-12-10

Abstract

本发明涉及一种氧化锆增韧氧化铝陶瓷造粒粉的制备方法，属于陶瓷耐磨材料技术领域。本发明以3mol％氧化钇稳定的氧化锆粉料、微晶氧化铝粉料和结合剂为主要原料，以水为分散介质，在室温条件下球磨混料后得到均匀的混合浆体；再将混合浆体转移到搅拌桶中，加入粘结剂，搅拌后得到混合均匀的浆液；然后浆液经过压力雾化或离心雾化在喷雾造粒塔中进行喷雾造粒获得造粒粉。本发明喷雾造粒工艺和采用的设备简单，成本低，容易实现自动化作业，制备的氧化锆增韧氧化铝陶瓷造粒粉纯度高，球形度好，原晶粒度细小，易于成型。

Description

低成本氧化锆增韧氧化铝陶瓷造粒粉的制备方法

技术领域

本发明涉及一种低成本氧化锆增韧氧化铝陶瓷造粒粉的制备方法，属于陶瓷耐磨材料技术领域。

背景技术

先进陶瓷也称高技术陶瓷、精细陶瓷、新型陶瓷、近代陶瓷、高性能陶瓷、特种陶瓷、工程陶瓷等。先进陶瓷是在传统陶瓷的基础上发展起来的，但远远超出了传统陶瓷的范畴，是陶瓷发展史上一次革命性的变化。先进陶瓷按用途可分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类。先进结构陶瓷材料由于具有一系列优异的性能，在节约能源、节约贵重金属资源、促进环保、提高生产效率、延长机器设备寿命、保证高新技术和尖端技术的实现方面都发挥了积极的作用。由于先进结构陶瓷具有耐高温、高强度、高硬度、高耐磨、耐腐蚀和抗氧化等一系列优异性能，可以承受金属材料和高分子材料难以胜任的严酷工作环境，已成为许多新兴科学技术得以实现的关键，有着广泛的应用前景。

作为一种先进结构陶瓷，氧化铝陶瓷是目前新材料中研究最多、应用最广泛的一类氧化物陶瓷。氧化铝有许多同质异构体，如α、β、γ、χ、η等10多种，常见的就是α-Al2O3、β-Al₂O₃、γ-Al₂O₃，其余的主要是铝土矿热分解过程中的过渡相。

α-Al₂O₃属六方晶系,是氧化铝晶型中唯一的热力学稳定相，也称作刚玉，单晶α-Al₂O₃的熔点达2051℃，密度为3.98g/cm³。

氧化铝陶瓷以其高硬度耐磨蚀著称，99氧化铝陶瓷的硬度接近莫氏硬度9，抗折强度在340MPa左右，断裂韧性比较差，K1c大约在2–3MPa.m^1/2。氧化铝陶瓷是发展比较早、成本较低、应用最广的一种陶瓷材料,在航天、航空、发动机耐磨部件、刀具等方面,具有十分诱人的应用前景。但是，由于它具有高脆性和均匀性差等致命弱点，影响了陶瓷零部件的工作可靠性和使用安全性，因此提高氧化铝陶瓷的韧性、提高强度对其更为广泛的应用具有重大意义。

氧化锆陶瓷是一种十分重要的结构和功能材料。氧化锆陶瓷具有相变增韧特性，属于自增韧陶瓷，具有非常好的韧性和优良的力学性能，能弥补陶瓷材料的脆性缺陷。在几乎所有的陶瓷材料中，ZrO₂陶瓷的断裂韧性是最高的，被誉为“陶瓷钢”；适合制作各种耐磨、抗冲击部件。

常压下纯的ZrO₂有三种形态：单斜相(Monoclinic)、四方相(Tetragonal)和立方相(Cubic)。根据亚稳四方相在应力诱导下的相变增韧作用，ZrO₂相变增韧陶瓷主要类型有以下三种：1)立方相基体上弥散分布着四方相氧化锆的双相组织，即部分稳定的氧化锆(PSZ)增韧陶瓷，如Mg-PSZ；2)四方相氧化锆弥散分布到其它陶瓷基体中中，即弥散四方相氧化锆(ZTC)增韧陶瓷，如ZTA；3)完全由四方相氧化锆微晶组成的四方多晶氧化锆(TZP)增韧陶瓷，如Y-TZP。

有学者的实验室研究表明：完全由四方相氧化锆微晶组成的四方多晶氧化锆(TZP)增韧陶瓷，如3mol％氧化钇稳定的氧化锆陶瓷即Y-TZP是目前力学性能最好的陶瓷材料。它的断裂强度可达到2000MPa，断裂韧性达到20MPa·m^1/2；硬度HRc达到88。它本身还可以作为增韧剂添加到其它体系的陶瓷中来改善其脆性；最成功的例子就是氧化锆增韧氧化铝陶瓷即ZTA陶瓷。

ZTA陶瓷最常用的制备方法就是化学共沉淀法。具体过程如下：

(1)用含有锆、钇、铝三种离子的盐类在严格控制酸碱度以及温度的条件下化学共沉淀先得到三种离子的氢氧化物；

(2)烘干、煅烧；

(3)球磨分散成浆体；

(4)喷雾造粒成类似球状的细小颗粒；

上述制备过程是目前ZTA陶瓷造粒粉典型的制备方法，存在如下缺点：

(1)生产成本高，所用原料都是试剂级的；

(2)环境有污染，废水问题；

(3)工艺过程复杂，不易于批量化生产。

发明内容

本发明的目的是提供一种低成本氧化锆增韧氧化铝陶瓷造粒粉的制备方法，其工艺和设备简单、成本低、无污染，易于批量化生产，本发明制备的氧化锆增韧氧化铝陶瓷造粒粉纯度高、球形度好、原晶粒度细小、好成型、易于烧结。

本发明所述的低成本氧化锆增韧氧化铝陶瓷造粒粉的制备方法，具体步骤如下：

(1)以3mol％氧化钇稳定的氧化锆粉料、微晶氧化铝粉料和结合剂为主要原料，以水为分散介质，在室温条件下球磨混料得到均匀的混合浆体；

(2)将步骤(1)中得到的混合浆体转移到搅拌桶中，加入粘结剂，搅拌后得到混合均匀的浆液；

(3)将步骤(2)中得到的浆液经过压力雾化或离心雾化在喷雾造粒塔中进行喷雾造粒获得氧化锆增韧氧化铝陶瓷造粒粉。

所述3mol％氧化钇稳定的氧化锆粉料，粒度为D90小于0.5微米。

所述微晶氧化铝粉料的粒度为D90小于2.0微米。

3mol％氧化钇稳定的氧化锆粉料与微晶氧化铝粉料的质量比为20-40：80-60。

所述结合剂为氧化镁、碳酸镁、硝酸镁或镁铝尖晶石中的一种或多种，其用量占粉料总质量的0.75-1.5％。优选硝酸镁和碳酸镁的混合物，两者的质量比为1:1-1:5。

步骤(1)中粉料与去离子水的质量比为1:1-1:1.5，球磨混料1-5小时。

步骤(2)中粘结剂为聚乙烯醇和/或羧甲基纤维素，加入量占粉料总质量的0.1-0.5％，搅拌1-2小时。

步骤(3)中喷雾造粒塔的进风口温度为290-330℃，出风口温度为80-110℃。

本发明中所述的粉料总质量是指：3mol％氧化钇稳定的氧化锆粉料与微晶氧化铝粉料的总质量。

本发明所述的喷雾造粒使料浆中的固体物质干燥成形状规则的球状粉粒，可有效改善粉料的流动性，提高生坯的相对密度。应用喷雾造粒工艺还可以避免ZrO₂/Al₂O₃料浆中各组分的再团聚和沉降分离，保持了料浆原有的均匀性，保持ZrO₂在基体中均匀分布和基体均匀细致的显微结构，最大发挥相变增韧的作用。

由于氧化铝和氧化锆具有良好的化学与物理相容性，加入后极大地改善了氧化铝的力学性能，使其抗折强度、断裂韧性、强度等有了较为显著的提高。

本发明中所使用的物质均为市售产品。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明喷雾造粒工艺和采用的设备简单、成本低，容易实现自动化作业；

(2)本发明制备的氧化锆增韧氧化铝陶瓷造粒粉纯度高，球形度好，原晶粒度细小，易于成型；

(3)以本发明制备的陶瓷造粒粉为原料制得的氧化锆增韧氧化铝陶瓷性能优异，耐磨性极好。

附图说明

图1是3mol％氧化钇稳定的氧化锆扫描照片；

图2是微晶氧化铝粉料的扫描照片；

图3是实施例1氧化锆增韧氧化铝陶瓷造粒粉的扫描电镜照片。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述，但其并不限制本发明的实施。

实施例1

本发明所述氧化锆增韧氧化铝陶瓷造粒粉的制备方法，具体步骤如下：

(1)以3mol％氧化钇稳定的氧化锆粉料(D90小于0.5微米)、微晶氧化铝粉料(D90小于2.0微米)和结合剂(硝酸镁与碳酸镁的混合物，两者质量比例为1：1)为主要原料，以去离子水为分散介质，在室温条件下球磨混料3小时得到均匀的混合浆体；其中，3mol％氧化钇稳定的氧化锆粉料与微晶氧化铝粉料的质量比为30：70，结合剂用量占粉料总质量的1.0％，粉料与去离子水的质量比为1：1；

(2)将步骤(1)中得到的混合浆体转移到搅拌桶中，加入粘结剂，搅拌1小时后得到混合均匀的浆液；粘结剂为聚乙烯醇，加入量占粉料总质量的0.5％；

(3)将步骤(2)中得到的浆液经过压力雾化或离心雾化在喷雾造粒塔中进行喷雾造粒获得氧化锆增韧氧化铝陶瓷造粒粉，喷雾造粒塔的进风口温度为320℃，出风口温度为90℃。

配料后按上述步骤制备造粒粉，烧成后的陶瓷经测定得抗折强度为828.13MPa，断裂韧性为9.16MPa·m^1/2。

实施例2

如实施例1，所不同的是：3mol％氧化钇稳定的氧化锆粉料与微晶氧化铝粉料的质量比为25：75，结合剂用量占粉料总质量的1.5％，粘结剂为羧甲基纤维素，其加入量占粉料总质量的0.2％，球磨混料2小时，搅拌2小时，喷雾造粒塔的进风口温度为300℃，出风口温度为80℃；烧成后的陶瓷测得抗折强度为810.31MPa，断裂韧性为8.96MPa·m^1/2。

实施例3

如实施例1，所不同的是：3mol％氧化钇稳定的氧化锆粉料与微晶氧化铝粉料的质量比为20：80，结合剂用量占粉料总质量的0.75％，粘结剂(聚乙烯醇、羧甲基纤维素两者质量比为1:1)加入量占粉料总质量的0.1％，球磨混料5小时，搅拌1小时，喷雾造粒塔的进风口温度为300℃，出风口温度为90℃；烧成后的陶瓷测得抗折强度为807.65MPa，断裂韧性为7.87MPa·m^1/2。

实施例4

如实施例1，所不同的是：3mol％氧化钇稳定的氧化锆粉料与微晶氧化铝粉料(D90小于1.8微米)的质量比为35：65，结合剂用量占粉料总质量的1.2％，粘结剂加入量占粉料总质量的0.3％，球磨混料1小时，搅拌2小时，喷雾造粒塔的进风口温度为290℃，出风口温度为85℃；烧成后的陶瓷测得抗折强度为880.77MPa，断裂韧性为9.37MPa·m^1/2。

实施例5

如实施例1，所不同的是：3mol％氧化钇稳定的氧化锆粉料与微晶氧化铝粉料(D90小于1.8微米)的质量比为40：60，结合剂用量占粉料总质量的1.5％，粘结剂加入量占粉料总质量的0.4％，球磨混料5小时，搅拌2小时，喷雾造粒塔的进风口温度为320℃，出风口温度为90℃；烧成后的陶瓷测得抗折强度为905.33MPa，断裂韧性为9.67MPa·m^1/2。

实施例6

如实施例1，所不同的是：微晶氧化铝粉料，D90小于1.2微米，烧成后的陶瓷测得抗折强度为942.50MPa，断裂韧性为9.79MPa·m^1/2。

实施例7

如实施例1，所不同的是：微晶氧化铝粉料，D90小于0.9微米，烧成后的陶瓷测得抗折强度为963.09MPa，断裂韧性为9.81MPa·m^1/2。

实施例8

如实施例1，所不同的是：3mol％氧化钇稳定的氧化锆粉料D90变为小于0.4微米，烧成后的陶瓷测得抗折强度为854.02MPa，断裂韧性为9.25MPa·m^1/2。

实施例9

如实施例1，所不同的是：3mol％氧化钇稳定的氧化锆粉料D90变为小于0.3微米，烧成后的陶瓷测得抗折强度为879.63MPa，断裂韧性为9.35MPa·m^1/2。

实施例10

如实施例1，所不同的是：步骤(1)中硝酸镁与碳酸镁的质量比变为1：2，烧成后的陶瓷测得抗折强度为830.22MPa，断裂韧性为9.18MPa·m^1/2。

实施例11

如实施例1，所不同的是：步骤(1)中硝酸镁与碳酸镁的质量比变为1：3，烧成后的陶瓷测得抗折强度为839.21MPa，断裂韧性为9.20MPa·m^1/2。

实施例12

如实施例1，所不同的是：步骤(1)中硝酸镁与碳酸镁的质量比变为1：4，烧成后的陶瓷测得抗折强度为841.18MPa，断裂韧性为9.23MPa·m^1/2。

实施例13

如实施例1，所不同的是：步骤(1)中粉料与去离子水的质量比变为1：1.1，烧成后的陶瓷测得抗折强度为829.07MPa，断裂韧性为9.17MPa·m^1/2。

实施例14

如实施例1，所不同的是：步骤(1)中粉料与去离子水的质量比变为1：1.3，烧成后的陶瓷测得抗折强度为832.94MPa，断裂韧性为9.21MPa·m^1/2。

实施例15

如实施例1，所不同的是：步骤(1)中粉料与去离子水的质量比变为1：1.5，烧成后的陶瓷测得抗折强度为840.06MPa，断裂韧性为9.24MPa·m^1/2。

Claims

1.一种低成本氧化锆增韧氧化铝陶瓷造粒粉的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：3mol％氧化钇稳定的氧化锆粉料粒度为D90小于0.5微米。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：微晶氧化铝粉料粒度为D90小于2.0微米。

4.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于：3mol％氧化钇稳定的氧化锆粉料与微晶氧化铝粉料的质量比为20-40：80-60。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：结合剂为氧化镁、碳酸镁、硝酸镁或镁铝尖晶石中的一种或多种，其用量占粉料总质量的0.75-1.5％。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：结合剂为硝酸镁和碳酸镁的混合物，两者的质量比为1:1-1:5。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中粉料与去离子水的质量比为1:1-1:1.5，球磨混料1-5小时。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中粘结剂为聚乙烯醇和/或羧甲基纤维素，加入量占步骤(1)中粉料总质量的0.1-0.5％，搅拌1-2小时。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中喷雾造粒塔的进风口温度为290-330℃，出风口温度为80-110℃。