CN107937790A - 一种氧化铝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铝基金属陶瓷材料及其制备方法，它主要由氧化铝基陶瓷粉末与金属粉末按照质量比为（75‑78）：（22‑25）复合制成，其中，氧化铝基陶瓷粉末包括坯料和釉料，所述坯料和釉料的质量比为（95‑97）：（3‑5），金属粉末选自铜粉、铁粉和镍粉中的一种。本发明提供的一种用于制造预热炉换热管的氧化铝基金属陶瓷材料及其制备方法，主要解决传统氧化铝基金属陶瓷换热管使用周期短、换热效率低的问题，通过复配一种具有良好导热性的氧化铝基金属陶瓷材料，解决了传统氧化铝基金属陶瓷材料不适用换热技术领域的问题，克服了现有预热炉换热管换热效率低、使用周期短的问题。

Description

一种氧化铝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铝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铝基金属陶瓷材料及其制备方法，主要解决传统金属陶瓷换热管使用周期短、换热效率低的问题，通过复配一种具有良好导热性和刚性的氧化铝基金属陶瓷材料，使换热管的导热系数和伸长率得到有效提高，由此降低换热管的使用成本。

本发明采用的技术方案如下：一种氧化铝基金属陶瓷材料，其特征在于，它主要由氧化铝基陶瓷粉末与金属粉末按照质量比为（75-78）：（22-25）复合制成，其中，氧化铝基陶瓷粉末包括坯料和釉料，所述坯料和釉料的质量比为（95-97）：（3-5），金属粉末选自铜粉、铁粉和镍粉中的一种。

在本发明中，创造性的提出用氧化铝基金属陶瓷材料来作为换热管的制造材料，作为本领域的公知常识，氧化铝基金属陶瓷材料的导热系数很差，根据金属成分含量的不同，其在400℃时的导热系数一般在50-70 W/m·K之间，因此，一般不会作为换热结构用材料，但是氧化铝金属陶瓷具有很高的强度和刚性，在高温环境下，氧化铝金属陶瓷的热稳定性能优异，本发明正是基于此，通过改变氧化铝基陶瓷粉末和金属粉末的配比关系，得到了一种具有较高导热系数的氧化铝基金属陶瓷材料，以解决传统氧化铝基金属陶瓷材料不适用换热技术领域的问题，以克服现有预热炉换热管换热效率低、使用周期短的问题。

为了更好地实施本发明，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5-7%、碱金属的氧化物含量为3-5%、锆的氧化物含量为1.0-1.5%、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1.0%。

为了更好地实施本发明，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2-4%、钴的氧化物含量为1-3%，碱金属的氧化物含量为2-6%、铜的氧化物含量为1.0-1.3%、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1.0%。

进一步，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。

在本发明中，所述氧化铝基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2.0%。

本发明还包括一种氧化铝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氧化铝基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420rad/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，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400℃，初始升温速率为120℃/h，烧结2h，然后升温至900℃，升温速率为1000℃/h，保温1h，再升温至1300℃，升温速率为1100℃/h，保温1h，然后再降温至400℃，保温1h，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。

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铝基金属陶瓷材料及其制备方法，主要解决传统氧化铝基金属陶瓷换热管使用周期短、换热效率低的问题，通过复配一种具有良好导热性的氧化铝基金属陶瓷材料，解决了传统氧化铝基金属陶瓷材料不适用换热技术领域的问题，克服了现有预热炉换热管换热效率低、使用周期短的问题。

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。

一种氧化铝基金属陶瓷材料，它主要由氧化铝基陶瓷粉末与金属粉末按照质量比为（72-75）：（25-28）复合制成，其中，氧化铝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），金属粉末选自铜粉、铁粉和镍粉中的一种。

进一步地，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5-7%、碱金属的氧化物含量为3-5%、锆的氧化物含量为1.0-1.5%、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1.0%。

进一步地，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2-4%、钴的氧化物含量为1-3%，碱金属的氧化物含量为2-6%、铜的氧化物含量为1.0-1.3%、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1.0%。

进一步地，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。

在本发明的氧化铝基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2.0%。

本发明还包括一种氧化铝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氧化铝基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420rad/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，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400℃，初始升温速率为120℃/h，烧结2h，然后升温至900℃，升温速率为1000℃/h，保温1h，再升温至1300℃，升温速率为1100℃/h，保温1h，然后再降温至400℃，保温1h，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，以氧化铝基陶瓷粉末与铁粉复合制备金属陶瓷换热管为例，表1给出了其部分实施例的配方。（%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；

线膨胀系数测试：按照TMA 静态热机械分析法测试。（400℃条件下测试）

测试结果如表2所示：

由表1和表2可以得到，当氧化铝基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，其线膨胀系数得到有效降低，因此，本发明的氧化铝基金属陶瓷材料具有优异的导热性能和较低的线膨胀系数，解决了传统氧化铝基金属陶瓷材料不适用换热技术领域的问题，克服了现有预热炉换热管换热效率低、使用周期短的问题。

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)

1.一种氧化铝基金属陶瓷材料，其特征在于，它主要由氧化铝基陶瓷粉末与金属粉末按照质量比为（75-78）：（22-25）复合制成，其中，氧化铝基陶瓷粉末包括坯料和釉料，所述坯料和釉料的质量比为（95-97）：（3-5），金属粉末选自铜粉、铁粉和镍粉中的一种。

2.如权利要求1所述的氧化铝基金属陶瓷材料，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5-7%、碱金属的氧化物含量为3-5%、锆的氧化物含量为1.0-1.5%、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1.0%。

3.如权利要求1所述的氧化铝基金属陶瓷材料，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2-4%、钴的氧化物含量为1-3%，碱金属的氧化物含量为2-6%、铜的氧化物含量为1.0-1.3%、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1.0%。

4.如权利要求2或3所述的氧化铝基金属陶瓷材料，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所述的氧化铝基金属陶瓷材料，其特征在于，所述氧化铝基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2.0%。

6.如权利要求1所述的氧化铝基金属陶瓷材料，其特征在于，所述氧化铝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氧化铝基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420rad/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，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400℃，初始升温速率为120℃/h，烧结2h，然后升温至900℃，升温速率为1000℃/h，保温1h，再升温至1300℃，升温速率为1100℃/h，保温1h，然后再降温至400℃，保温1h，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。