CN107881391A - 一种氧化锆基金属陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氧化锆基金属陶瓷材料及其制备方法，它主要由氧化锆基陶瓷粉末与铁金属粉末按照质量比为（70‑75）：（25‑30）复合制成，其中，氧化锆基陶瓷粉末包括坯料和釉料，所述坯料和釉料的质量比为（93‑96）：（4‑7）。本发明提供的一种用于制造预热炉换热管的氧化锆基金属陶瓷材料及其制备方法，主要解决传统预热炉中金属陶瓷换热管不耐用、换热效率差的问题，通过复配一种具有良好导热性和伸长率的金属陶瓷材料，以克服传统换热管使用寿命短、换热效率低的问题，其导热系数达到213.3 W/m·K，伸长率达到4.0%，尤其适用于预热温度在800℃以上的气相预热炉中。

Description

一种氧化锆基金属陶瓷材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及高温预热炉制造技术领域，特别涉及一种用于制造预热炉换热管的氧化锆基金属陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

纳米级二氧化钛的制备方法主要包括物理法和化学法，物理法主要包括溅射法、热蒸发法及激光蒸发法，化学法主要包括液相法和气相法，液相法主要包括均匀沉淀法和溶胶-凝胶法，气相法主要包括TiCl₄气相氧化法，目前一般采用TiCl₄气相氧化法来制备纳米二氧化钛。TiCl₄气相氧化法一般是以氮气作为TiCl₄的载气，以氧气作为氧化剂，在高温管式反应器中进行氧化反应，经气固分离，获得纳米级二氧化钛粉体。在实际生产中，氧气需要预加热到800℃以上才能与气相的TiCl₄混合反应，于是需要用到气相预热炉，而传统的气相预热炉存在诸多缺陷，例如，预热炉所用的换热管采用的是耐高温的氧化铝或氧化硅基金属陶瓷材料，而氧化铝或氧化硅基金属陶瓷材料导热系数较低，需要在加热一定时间后才能进行换热，其换热效率差，而且在急速升温下易产生热裂，由此导致传统的换热管的使用周期较短，需要时常更换。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种用于制造预热炉换热管的氧化锆基金属陶瓷材料及其制备方法，通过复配一种具有良好导热性和伸长率的金属陶瓷材料，以克服传统换热管使用寿命短、换热效率低的问题。

本发明采用的技术方案如下：一种氧化锆基金属陶瓷材料，其特征在于，它主要由氧化锆基陶瓷粉末与铁金属粉末按照质量比为（70-75）：（25-30）复合制成，其中，氧化锆基陶瓷粉末包括坯料和釉料，所述坯料和釉料的质量比为（93-96）：（4-7）。

在本发明的氧化锆基金属陶瓷材料中，金属成分占比达到25-30%，这使得金属陶瓷具有了更多的金属的性质，主要表现为：具有良好的导热性，这一特性的改善使得其制成的换热管的热传导率得到显著增强，并明显优于传统使用的金属陶瓷换热管。在抵抗热胀冷缩方面，由于含有较高的金属成分，金属陶瓷能够较好地缓冲和释放这种应力变形，其表面不易产生热裂，由此有效延长了金属陶瓷制的换热管的使用周期。

在本发明的氧化锆基金属陶瓷材料中，为了使陶瓷粉末能更好地与金属粉末复合形成复合材料，并使制得的金属陶瓷换热管的强度及其他性能能够满足所需，所述坯料的原料中含有以下质量百分比含量的组分：二氧化钛含量为1-1.5%、碱金属的氧化物含量为2-6%、铜的氧化物含量为1.2-1.6%、钒的氧化物含量为0.1-0.3%、镓的氧化物含量为0.05-0.1%和稀土元素的氧化物含量不大于1.3%。

在本发明的氧化锆基金属陶瓷材料中，为了配合坯料形成符合要求的陶瓷粉末，所述釉料的原料中含有以下质量百分比含量的组分：铁的氧化物含量为1-3%、钴的氧化物含量为2-4%，碱金属的氧化物含量为2-6%、铜的氧化物含量为1.2-1.6%、镓的氧化物含量为0.05-0.1%、铟的氧化物含量不大于0.05%和稀土元素的氧化物含量不大于1.3%。

在本发明的氧化锆基金属陶瓷材料中，所述稀土元素选自镧、钕、钇、钐、钪和铈的一种或几种；所述碱金属的氧化物选自氧化钾、氧化钠和氧化锂中的一种或几种。

在本发明的氧化锆基金属陶瓷材料中，所述陶瓷粉末的制备方法包括以下步骤：

步骤1、采用现有工艺制备坯料，然后在坯料的表面均匀涂覆釉料，再在1300℃以下将烧制成烧制体；

步骤2、将烧制而成的预制体同氧化锌一起粉碎研磨成平均粒径小于50μm的粉末，即得到陶瓷粉末，其中，加入的氧化锌的质量不高于烧制体质量分数的3.5%。

在上述的制备方法中，氧化锆基陶瓷粉末制备的关键点在于烧制温度和氧化锌的含量，烧制温度过低，则会“烧生”，导致瓷化不完全，温度过高，则会“烧熔”，因此，要求烧制温度须在1300℃左右，可上下浮动5℃。相应地，氧化锌作为助熔剂，其在本发明的中的使用量不应超过烧制体质量分数的3.5%，以保证烧制体的质量。

在本发明的氧化锆基金属陶瓷材料中，所述氧化锆基金属陶瓷材料的制备方法包括以下步骤：

步骤1、取设计量的金属粉末和陶瓷粉末置于高速球磨机中进行混合研磨2-4h, 高速球磨机转速为400rad/min，然后置于高速混合机中混合均匀，得到初级混料；

步骤2、设计压制模具，用硬脂酸锌酒精溶液润滑压制模具的内腔，然后将混合料倒入已设计好的模具内，安装上冲模，使冲模的上表面保持水平，安装完成后，将模具放入粉末压片机中进行压制成型，压制压力为260-280MPa，压制速度为1mm/min，保压时间为15min，得到压坯件；

步骤3、将得到的压坯件置于烘干炉中进行80℃保温烘干3-4h；

步骤4、将烘干后的压坯件放入真空烧结炉中进行真空烧结，真空烧结炉先升温至350℃，初始升温速率为110℃/h，烧结2h，然后升温至950℃，升温速率为1000℃/h，保温1h，再升温至1200℃，升温速率为1100℃/h，保温1h，然后再降温至400℃，保温1-2h，最后随炉冷却至室温，得到半成品；

步骤5、将得到的半成品进行打磨和精整，在去离子水中进行超声清洗，干燥后即得。

在上述方法中，压制压力需选择恰当，若压力过小，压坯件的密度较低，使得压坯件内铁磁性物质（如钴）的磁感线减弱，金属颗粒和陶瓷颗粒间不能很好的结合，使得最终的金属陶瓷的孔隙度较大，强度较差，导热性较差，经试验探究，压制压力在260-280MPa时，压坯件能获得合适的密度；烧结时，先加热至350℃，以增强原子颗粒的活动性，为原子间形成新的排列组合提供预热，并进一步除去坯件内残留的气体和水分；然后再加热至950℃，在950℃时，压坯件内的原子发生强烈的原子扩散而产生晶界，当升温至1200℃时，压坯内形成烧结颈，随着烧结颈的长大提高了压坯内各组分的粘结性，此时压坯内部的孔隙变小并发生球化，孔隙表面的合金颗粒开始移动并与陶瓷颗粒相结合，压坯内的合金元素趋于均匀化，最终得到的金属陶瓷的强度适中，耐热性和导热性良好，热裂倾向低，延展性较好。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明提供的一种用于制造预热炉换热管的氧化锆基金属陶瓷材料及其制备方法，主要解决传统预热炉中金属陶瓷换热管不耐用、换热效率差的问题，通过复配一种具有良好导热性和伸长率的金属陶瓷材料，以克服传统换热管使用寿命短、换热效率低的问题，其导热系数达到213.3 W/m·K，伸长率达到4.0%，其性能明显优于传统氧化锆基金属陶瓷换热管，尤其适用于预热温度在800℃以上的气相预热炉中。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种氧化锆基金属陶瓷材料，其特征在于，它主要由氧化锆基陶瓷粉末与铁金属粉末按照质量比为（70-75）：（25-30）复合制成，其中，氧化锆基陶瓷粉末包括坯料和釉料，所述坯料和釉料的质量比为（93-96）：（4-7）。

在上述中，本发明的金属陶瓷的金属成分占比达到25-30%，这使得氧化锆基金属陶瓷具有了更多的金属的性质，主要表现为：具有良好的导热性，这一特性的改善使得其制成的换热管的热传导率得到显著增强，并明显优于传统使用的金属陶瓷换热管。在抵抗热胀冷缩方面，由于含有较高的金属成分，金属陶瓷能够较好地缓冲和释放这种应力变形，其表面不易产生热裂，由此有效延长了金属陶瓷制的换热管的使用周期。

进一步地说，为了使陶瓷粉末能更好地与金属粉末复合形成复合材料，并使制得的金属陶瓷换热管的强度及其他性能能够满足所需，所述坯料的原料中含有以下质量百分比含量的组分：二氧化钛含量为1-1.5%、碱金属的氧化物含量为2-6%、铜的氧化物含量为1.2-1.6%、钒的氧化物含量为0.1-0.3%、镓的氧化物含量为0.05-0.1%和稀土元素的氧化物含量不大于1.3%。

进一步地说，为了配合坯料形成符合要求的陶瓷粉末，所述釉料的原料中含有以下质量百分比含量的组分：铁的氧化物含量为1-3%、钴的氧化物含量为2-4%，碱金属的氧化物含量为2-6%、铜的氧化物含量为1.2-1.6%、镓的氧化物含量为0.05-0.1%、铟的氧化物含量不大于0.05%和稀土元素的氧化物含量不大于1.3%。

上述中，所述稀土元素选自镧、钕、钇、钐、钪和铈的一种或几种；所述碱金属的氧化物选自氧化钾、氧化钠和氧化锂中的一种或几种。

进一步地说，所述陶瓷粉末的制备方法包括以下步骤：

步骤1、采用现有工艺制备坯料，然后在坯料的表面均匀涂覆釉料，再在1300℃以下将烧制成烧制体；

步骤2、将烧制而成的预制体同氧化锌一起粉碎研磨成平均粒径小于50μm的粉末，即得到陶瓷粉末，其中，加入的氧化锌的质量不高于烧制体质量分数的3.5%。

在本发明的氧化锆基金属陶瓷材料中，所述氧化锆基金属陶瓷材料的制备方法包括以下步骤：

步骤1、取设计量的金属粉末和陶瓷粉末置于高速球磨机中进行混合研磨2-4h, 高速球磨机转速为400rad/min，然后置于高速混合机中混合均匀，得到初级混料；

步骤2、设计压制模具，用硬脂酸锌酒精溶液润滑压制模具的内腔，然后将混合料倒入已设计好的模具内，安装上冲模，使冲模的上表面保持水平，安装完成后，将模具放入粉末压片机中进行压制成型，压制压力为260-280MPa，压制速度为1mm/min，保压时间为15min，得到压坯件；

步骤3、将得到的压坯件置于烘干炉中进行80℃保温烘干3-4h；

步骤4、将烘干后的压坯件放入真空烧结炉中进行真空烧结，真空烧结炉先升温至350℃，初始升温速率为110℃/h，烧结2h，然后升温至950℃，升温速率为1000℃/h，保温1h，再升温至1200℃，升温速率为1100℃/h，保温1h，然后再降温至400℃，保温1-2h，最后随炉冷却至室温，得到半成品；

步骤5、将得到的半成品进行打磨和精整，在去离子水中进行超声清洗，干燥后即得。

为了更好地说明本发明的金属陶瓷具有上述效果，表1给出了部分实施例的配方。（%表示质量百分比）

表1 实施例1-4的配方

性能测试

导热系数测试：按照ASTM E1461闪光法导热系数测试；

伸长率测试：用万能材料试验机按照ASTM E8/E8M测试。

测试结果如表2所示：

由表1和表2可以得出，当金属陶瓷换热管中含有较多量的氧化镓时，金属陶瓷换热管的导热系数和伸长率得到有效提高，原因可能在于，呈弥散分布的氧化镓能在金属陶瓷中与其他物质共同构建起三维的网状导热结构，由此使金属陶瓷的导热系数和伸长率明显提高，导热系数达到213.3 W/m·K，伸长率达到4.0%，因此，本发明的金属陶瓷材料具有优异的导热系数和伸长率，解决了传统氧化锆基金属陶瓷换热管使用寿命短、换热效率低的问题，间接提高了预热炉的预热效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种氧化锆基金属陶瓷材料，其特征在于，它主要由氧化锆基陶瓷粉末与铁金属粉末按照质量比为（70-75）：（25-30）复合制成，其中，氧化锆基陶瓷粉末包括坯料和釉料，所述坯料和釉料的质量比为（93-96）：（4-7）。

2.如权利要求1所述的氧化锆基金属陶瓷材料，其特征在于，所述坯料的原料中含有以下质量百分比含量的组分：二氧化钛含量为1-1.5%、碱金属的氧化物含量为2-6%、铜的氧化物含量为1.2-1.6%、钒的氧化物含量为0.1-0.3%、镓的氧化物含量为0.05-0.1%和稀土元素的氧化物含量不大于1.3%。

3.如权利要求1所述的氧化锆基金属陶瓷材料，其特征在于，所述釉料的原料中含有以下质量百分比含量的组分：铁的氧化物含量为1-3%、钴的氧化物含量为2-4%，碱金属的氧化物含量为2-6%、铜的氧化物含量为1.2-1.6%、镓的氧化物含量为0.05-0.1%、铟的氧化物含量不大于0.05%和稀土元素的氧化物含量不大于1.3%。

4.如权利要求2或3所述的氧化锆基金属陶瓷材料，其特征在于，所述稀土元素选自镧、钕、钇、钐、钪和铈的一种或几种；所述碱金属的氧化物选自氧化钾、氧化钠和氧化锂中的一种或几种。

5.如权利要求1所述的氧化锆基金属陶瓷材料，其特征在于，所述陶瓷粉末的制备方法包括以下步骤：

步骤1、采用现有工艺制备坯料，然后在坯料的表面均匀涂覆釉料，再在1300℃以下将烧制成烧制体；

步骤2、将烧制而成的预制体同氧化锌一起粉碎研磨成平均粒径小于50μm的粉末，即得到陶瓷粉末，其中，加入的氧化锌的质量不高于烧制体质量分数的3.5%。

6.如权利要求1所述的氧化锆基金属陶瓷材料，其特征在于，所述氧化锆基金属陶瓷材料的制备方法包括以下步骤：

步骤1、取设计量的金属粉末和陶瓷粉末置于高速球磨机中进行混合研磨2-4h, 高速球磨机转速为400rad/min，然后置于高速混合机中混合均匀，得到初级混料；

步骤2、设计压制模具，用硬脂酸锌酒精溶液润滑压制模具的内腔，然后将混合料倒入已设计好的模具内，安装上冲模，使冲模的上表面保持水平，安装完成后，将模具放入粉末压片机中进行压制成型，压制压力为260-280MPa，压制速度为1mm/min，保压时间为15min，得到压坯件；

步骤3、将得到的压坯件置于烘干炉中进行80℃保温烘干3-4h；

步骤4、将烘干后的压坯件放入真空烧结炉中进行真空烧结，真空烧结炉先升温至350℃，初始升温速率为110℃/h，烧结2h，然后升温至950℃，升温速率为1000℃/h，保温1h，再升温至1200℃，升温速率为1100℃/h，保温1h，然后再降温至400℃，保温1-2h，最后随炉冷却至室温，得到半成品；

步骤5、将得到的半成品进行打磨和精整，在去离子水中进行超声清洗，干燥后即得。