CN108147794A - 一种高强度陶瓷材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高强度陶瓷材料的制备方法，按照重量百分比称取35‑95％α‑Al2O3，1‑35％硅灰，3‑35％铝矾土，1‑50％铁粉；将其混合后研磨成1μm～100μm的细粉，然后向其中加入含氮元素的化合物，混合均匀，用600吨/cm2的压力机压制或滚制成型后在煅烧窑中于1350～1500℃下煅烧8‑72h，最终形成含有氮化硅和硅微晶体的高强度陶瓷材料。该方法可以用于制备高强度耐磨陶瓷球，该高强度耐磨陶瓷球兼具陶瓷质轻和钢球强度高耐磨的优点，用于代替管磨机中传统的普通陶瓷球或钢球，一方面不易破碎，另一方面降低了耗电量，仅水泥行业一年可节约用电160亿度；由于比重比钢球小，极大地延长管磨机的使用寿命。

Description

一种高强度陶瓷材料的制备方法
技术领域
本发明涉及陶瓷技术领域，具体是一种高强度陶瓷材料的制备方法。
背景技术
传统陶瓷业生产陶瓷球一般都是用磨机将铝矾土、高岭土、长石和莫来石等研磨成粉状，再用机器压制或机器滚制成球、经过煅烧后成陶瓷球。这些陶瓷球都是低温烧结，传统陶瓷球的组成是分子力结构成型。这种分子力方式连接的陶瓷晶体材料易碎、抗压强度低。
非金属一般是由分子晶体或共价键晶体组成，(金刚石、红宝石、绿宝石除外，金刚石为原子晶体，红宝石和绿宝石由离子键构成。)因此，抗压强度低、易碎。金属一般是原子晶体组成，抗压强度和抗拉强度大，还有韧性和硬度。
传统介质球、耐热球、陶瓷球不管是压制球或滚制球煅烧成的陶瓷球，都是分子晶体，抗压强度低、易碎。特别是近年来陶瓷球在管磨机中广泛使用、破球率非常高，造成管磨机产量大幅度减产，不节电。给管磨机使用陶瓷球带来了影响，为了陶瓷球能在管磨机中广泛使用、真正的大幅度节电，就要生产出不易碎、抗压强度大的陶瓷球。
发明内容
本发明为了克服现有技术的缺陷，提出了一种高强度陶瓷材料的制备方法，以a-Al2O3、硅灰、铝矾土、铁粉为原料混合物，并添加含氮元素的化合物，含硅化合物和含氮化合物煅烧一定时间，在高温下硅与氮发生反应，通过复杂的化学反应，得到以氮化硅和硅的微晶体为主要成分的陶瓷材料，由于氮化硅、晶体硅均为原子晶体，成为金属相的陶瓷材料。原子晶体之间强度高，不易断裂，大大提高了陶瓷材料的抗压强度和硬度。该陶瓷材料可以制成陶瓷球，可以通过掺入铁粉量的多少，使金属相的陶瓷球的比重从3.5-5.0g/m3的范围内进行调节，金属相的陶瓷球可以根据不同工况的需求进行比重调整。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种高强度陶瓷材料的制备方法，步骤为：按照重量百分比称取35-95％a-Al2O3，1-35％硅灰，3-35％铝矾土，1-50％铁粉；将其混合后研磨成1μm～100μm的细粉，然后向其中加入含氮元素的化合物，混合均匀，用600吨/cm2的压力机压制或滚制成型后在煅烧窑中于1350～1500℃下煅烧8-72h，最终形成含有氮化硅和硅微晶体的高强度陶瓷材料。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的一种高强度陶瓷材料的制备方法，其中，所述含氮元素的化合物的添加重量占粉状原料总重量的1-90％，所述的粉状原料为a-Al2O3、硅灰、铝矾土、铁粉的混合物。
前述的一种高强度陶瓷材料的制备方法，其中，所述含氮元素的化合物具体为氨水，所述氨水的质量浓度为15％-25％。
前述的一种高强度陶瓷材料的制备方法，其中，所述高强度陶瓷材料的抗压强度至少达到110kN，硬度为9HV(维氏硬度)，比重为3.5-5.0g/m3。
前述的一种高强度陶瓷材料的制备方法，其中，所述硅灰为炼钢中产生的硅灰，所述的煅烧窑选用隧道窑。
前述的一种高强度陶瓷材料的制备方法，其中，通过改变铁粉的添加量调整高强度陶瓷球的比重大小。
前述的一种高强度陶瓷材料的制备方法，其中，煅烧之前用600吨/cm2的压力机压制或滚制成球型，然后按照所述方法煅烧，得到高强度陶瓷球，该陶瓷球的的抗压强度至少达到110kN，硬度为9HV，比重为3.5-5.0g/m3。
本发明的有益效果为：
(1)本发明以a-Al2O3、硅灰、铝矾土、铁粉为原料混合物，在高温下与含氮化合物反应，煅烧一定时间，通过复杂的化学反应，得到以氮化硅和硅为主要成分的微晶体陶瓷球，由于氮化硅、晶体硅均为原子晶体，强度高，不易断裂，大大提高了陶瓷球的抗压强度和硬度，且通过控制铁粉的加入量，可以在3.5-5.0g/m3的范围内任意调节陶瓷球的比重，适应不同工况的需求。
(2)经过实验测试，传统的陶瓷球抗压强度达到10kN时即破碎，本发明所得陶瓷球在测试中，由于实验测试设备最大能提供110kN的压力，在该压力下，本发明所得陶瓷球完好无损。因此本发明的陶瓷球抗压强度可达到110kN以上。
(3)与传统的陶瓷球相比，本发明大大提高了陶瓷球的抗压强度。以往技术中由于普通陶瓷求易碎，影响生产。钢球比重大(钢球比重为7.85g/m3)，管磨机用钢球做研磨体，一方面增加了重量，使耗电量急剧增加。另一方面，使用钢球缩短了管磨机的使用寿命。
陶瓷材料比重小，重量轻，但是硬度小，易破碎，钢球抗压强度大、硬度高、不易破碎、耐磨，但是比重太大，增加耗电量。本发明制出的陶瓷球兼具陶瓷球和钢球的优点，重量比钢球轻，硬度、抗压强度和耐磨性都比陶瓷球高，使用本发明的陶瓷球代替钢球，由于本发明的陶瓷球比重远小于钢球，降低了耗电量。磨一吨水泥可节电6度左右，一般一个年产200万吨的水泥厂管磨机全年节1200多万度。全国年产27亿多吨水泥，一年可节约用电超过160亿度。
管磨机使用本发明的陶瓷球做研磨体的使用寿命是使用钢球做研磨体使用寿命的5.5倍。
附图说明
图1是本发明所制备的高强度陶瓷球的照片；
图2是现有技术中使用的陶瓷球的照片。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种高强度陶瓷球的制备方法，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
本发明所述的“高强度陶瓷球”就是将35～95％a～Al2O3，1～35％硅灰，3-35％铝矾土，1～50％铁粉混合后研磨成1μm～100μm的细粉，然后向其中加入含氮元素的化合物(该含氮元素的化合物可以是氨水，氨水的质量浓度最好为15-25％之间)，混合均匀后，用600吨/cm2的压力机压制或滚制成球型，然后煅烧，“高强度陶瓷球”在隧道窑中或其他煅烧窑炉中要经过8～72小时1350～1500℃温度下煅烧成型，原料在窑炉内发生复杂的化学反应，生成以氮化硅和硅为主要成分的微晶体，微晶体将a-Al2O3组成高强度的陶瓷球，氮化硅和硅均为原子晶体，这些金属相性质的陶瓷球就形成了金属相微晶体连接起来的a-Al2O3晶体，这种金属相微晶体连接的a-Al2O3制成的陶瓷球，抗压强度可以达到110KN(千牛)以上、硬度9HV(维氏硬度)、耐酸碱，通过控制铁粉的加入量可以做成比重为3.5-5.0g/m3的陶瓷球。这种金属相性质的陶瓷球做管磨机研磨体对物料的冲击力、剪切力、破碎力、研磨力等都可以达到新的要求。
实施例1
按照重量百分比称取35％a-Al2O3，20％硅灰，28％铝矾土，17％铁粉；将其混合后研磨成10μm的细粉，然后向其中加入质量浓度为15％的氨水，混合均匀，压制成球型后在隧道窑中于1350℃下煅烧72h，煅烧完成后形成所述的高强度陶瓷球。所述氨水的添加重量占粉状原料(a-Al2O3、硅灰、铝矾土和铁粉的混合物)总重量的70％，硅灰采用炼钢中产生的硅灰。所得陶瓷球的比重为5.0g/m3，其抗压强度大于110KN。
实施例2
按照重量百分比称取60％a-Al2O3，10％硅灰，13％铝矾土，7％铁粉；将其混合后研磨成10μm的细粉，然后向其中加入质量浓度为20％的氨水，混合均匀，压制成球型后在隧道窑中于1420℃下煅烧72h，煅烧完成后形成所述的高强度陶瓷球。所述氨水的添加重量占粉状原料(a-Al2O3、硅灰、铝矾土和铁粉的混合物)总重量的50％，所得陶瓷球的比重为4.3g/m3，其抗压强度大于110KN。
实施例3
按照重量百分比称取87％a-Al2O3，5％硅灰，3％铝矾土，5％铁粉；将其混合后研磨成10μm的细粉，然后向其中加入质量浓度为25％的氨水，混合均匀，压制成球型后在隧道窑中于1460℃下煅烧72h，煅烧完成后形成所述的高强度陶瓷球。所述氨水的添加重量占粉状原料(a-Al2O3、硅灰、铝矾土和铁粉的混合物)总重量的35％，所得陶瓷球的比重为3.8g/m3，其抗压强度大于110KN。
实施例4
按照重量百分比称取50％a-Al2O3，30％硅灰，18％铝矾土，2％铁粉；将其混合后研磨成10μm的细粉，然后向其中加入质量浓度为18％的氨水，混合均匀，压制成球型后在隧道窑中于1500℃下煅烧72h，煅烧完成后形成所述的高强度陶瓷球。所述氨水的添加重量占粉状原料(a-Al2O3、硅灰、铝矾土和铁粉的混合物)总重量的90％，所得陶瓷球的比重为3.5g/m3，其抗压强度大于110KN。
用普通陶瓷球(目前管磨机中普遍使用的陶瓷球)与本发明制出的陶瓷球进行性能测试，将两者放在同一地面上，用钢锤敲砸，普通陶瓷球敲砸一次即破碎，本发明的高强度陶瓷球经过数次敲砸完好无损，可以明显看出本发明的高强度陶瓷球与普通陶瓷球的优劣。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，利用上述技术内容做出些许更动或修饰的实施例，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种高强度陶瓷材料的制备方法，其特征在于其步骤为：按照重量百分比称取35-95％a-Al2O3，1-35％硅灰，3-35％铝矾土，1-50％铁粉；将其混合后研磨成1μm～100μm的细粉，然后向其中加入含氮元素的化合物，混合均匀，用600吨/cm2的压力机压制或滚制成型后在煅烧窑中于1350～1500℃下煅烧8-72h，最终形成含有氮化硅和硅微晶体的高强度陶瓷材料。
2.如权利要求1所述的一种高强度陶瓷材料的制备方法，其特征在于所述含氮元素的化合物的添加重量占粉状原料总重量的1-90％，所述的粉状原料为a-Al2O3、硅灰、铝矾土、铁粉的混合物。
3.如权利要求1所述的一种高强度陶瓷材料的制备方法，其特征在于所述含氮元素的化合物具体为氨水，所述氨水的质量浓度为15％-25％。
4.如权利要求1所述的一种高强度陶瓷材料的制备方法，其特征在于所述高强度陶瓷材料的抗压强度至少达到110kN，硬度为9HV，比重为3.5-5.0g/m3。
5.如权利要求1所述的一种高强度陶瓷材料的制备方法，其特征在于所述硅灰为炼钢中产生的硅灰，所述的煅烧窑选用隧道窑。
6.如权利要求1所述的一种高强度陶瓷材料的制备方法，其特征在于通过改变铁粉的添加量调整高强度陶瓷球的比重大小。
7.如权利要求1所述的一种高强度陶瓷材料的制备方法，其特征在于煅烧之前用600吨/cm2的压力机压制或滚制成球型，然后按照所述方法煅烧，得到高强度陶瓷球，该陶瓷球的的抗压强度至少达到110kN，硬度为9HV，比重为3.5-5.0g/m3。
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