CN1088897A

CN1088897A - 一种高铝陶瓷及其生产方法

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Publication number: CN1088897A
Application number: CN 93120262
Authority: CN
Inventors: 朱海临; 信本秋
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-12-01
Filing date: 1993-12-01
Publication date: 1994-07-06

Abstract

一种高铝陶瓷及其生产方法。在Al₂O₃为 85wt％左右的CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂系瓷料组成中，引入一定量的透辉石和高岭土，可使瓷料在 1420℃以下致密烧结；优选其引入的比例，则资料的低温烧结性能更好，并可获得广泛的用途。因此，本发明能显著降低高铝陶瓷生产中的高温能耗及产品成本。

Description

本发明涉及一种Al₂O₃陶瓷及其生产方法，特别是一种高铝陶瓷及其生产方法。

Al₂O₃陶瓷，尤其是Al₂O₃含量较高的高铝陶瓷，因其具有优异的机电性能而广泛用作电绝缘装置材料或高温结构工程材料，在特种陶瓷工业中已获得普遍的专业化生产。但高铝陶瓷难以低温烧结是其一大缺憾，如一种Al₂O₃在90-95WT%的CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂系（包括CaO-Al₂O₃-SiO₂系和MgO-Al₂O₃-SiO₂系）白色瓷料-95瓷，是我国目前生产量最大的一种高铝陶瓷。虽然在其大多数组成中采用CaO，MgO，SiO₂等熔剂类加入物（以粘土，滑石，CaCO₃和石英的形式引入）来改善瓷料的烧结性能，然其常压烧结温度仍在1650℃以上。因此，生产中的高温能耗及产品成本都不可忽视。与95瓷相比，生产实践中有节能意义的低温烧结Al₂O₃陶瓷仅推一种Al₂O₃在75-80wt%的刚玉莫来石瓷，也即75瓷，该瓷料虽可在1360-1420℃的低温下致密烧结，由于其Al₂O₃的大量减少及较多粘土及熔剂类添加物的引入，使其晶相组织发生变异，以至性能不及高铝陶瓷，故这类陶瓷的用途有较大的局限性。以上所说的95瓷和75瓷，在文献《电子陶瓷材料》（徐迁献等编著，天津大学出版社，1993年4月第一版）中已有祥细记载（p83-97 p103-104）。

本发明的目的在于，使Al₂O₃至少在85wt%左右的高铝陶瓷尽可能于75瓷的烧结温度下烧成，并获得良好的低温烧结性能，以扩展瓷料用途;进一步的目的在于，节约高铝陶瓷生产中的能耗，降低产品成本。为此，本发明提出了一种目前尚无相同内容的CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₃系低温烧结高铝陶瓷及其生产方法，以下予以分述。

本发明所说的高铝陶瓷，其Al₂O₃至少在82.5-87.5wt%，其余为CaO，MgO，SiO₂三种氧化物。区别于其它CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂系瓷料，这些氧化物是以透辉石（CaMg[Si₂O₆]）和高岭土的形式引入瓷料组成中。由于采用了透辉石作为烧结助剂和改性剂，瓷料可在1420℃以下致密烧结。通过调整原料配比来选择最佳的化学组成，可使瓷料具有更好的低温烧结性能，同时，瓷料的烧结范围也较宽。

本发明所说的高铝陶瓷的生产方法，包括以下常规的工艺步骤：配料-混合粉碎及过筛-成型-烧成。其各工序可在传统的电子陶瓷加工设备上进行。其实质在于，配料中选用了α-Al₂O₃，透辉石和高岭土三组份原料，当透辉石和高岭土以一定比例加入配料组份中并控制配合料的粉碎细度，可使瓷料在不高于1420℃的低温下烧成;如果原料按优选比例配料，则瓷料的化学组成相应的可在最佳范围内而获得更好的低温烧结性能，因此，烧成步骤中的最低烧成温度可控制在1420℃以下或更低，同时保温一定的时间。此外，由于透辉石无同份异构现象且作为主要辅助原料，瓷料的烧成可快速进行，从而节约了生产中的能耗，降低了产品成本。

以下结合具体方案对本发明作进一步的详述。

1.所说的高铝陶瓷，当CaO.MgO.SiO₂以透辉石和高岭土的形式引入时，其基本化学组成为：（WT%）

Al₂O₃82.5-87.5

SiO₂8.5-12.5

CaO 2.1-3.1

MgO 1.5-2.5

其各成份之和为100%。（有害杂质氧化物忽略不计）

在以上组成范围，其最佳组成为：（wt%）

Al₂O₃84.0-86.0

SiO₂9.5-11.5

CaO 2.5-2.8

MgO 1.8-2.0 其各成份之和为100%。

2.所说瓷料可在1370-1420℃的低温烧结。当Al₂O₃含量较少时，如组成为Al₂O₃82.7，SiO₂12.25，CaO 3.05，MgO 2.0的瓷料，可在1370℃左右烧结;而Al₂O₃含量较高时如组成为Al₂O₃87.1，SiO₂8.5，CaO2.1，MgO2.3的瓷料，可在1410-1420℃烧结。最佳组成的瓷料则可在1380-1400℃烧结，且烧结范围至少在40℃之间。如组成为Al₂O₃85.4SiO₂10.2，MgO1.9，CaO2.5的瓷料，即可在1390℃烧结，也可在1430℃烧结。

3.所说高铝陶瓷的生产方法，首先将α-Al₂O₃透辉石和高岭土按比例配料：（wt%）

α-Al₂O₃80-85

透辉石 10-15

高岭土 5-10

其各组份之和为100%。

在以上配比中，优选的配比为：（wt%）

α-Al₂O₃81-83

透辉石 12-14

高岭土 5-7

其各组份之和为 100%。

所说α-Al₂O₃是经煅烧的工业氧化铝，其α-Al₂O₃可≥97wt%;所说的透辉石和高岭土可选用表1所示化学组成的天然矿物原料。

表1透辉石和高岭土的化学组成

wt% CaO MgO SiO₂Al₂O₃FeO+TiO₂K₂O+Na₂O 灼减

透辉石 ≥20 ≥14 ≥54 ≤3 ≤1.3 / ≤4

高岭土 / / ≥45 ≥35 ≤1.2 ≤0.5 ≤16

4.将配合料在无有害杂质内衬（如高铝或刚玉衬，橡胶或聚氨酯衬等）的机械式球磨机中以高铝或刚玉质瓷球为研磨体，采用干磨或湿磨工艺混合粉碎至250目筛余≤0.08%后过80目以上筛，其料球比或料球水比无特殊要求，一般干磨的料：球可为1∶1.2-2;湿磨的料∶球∶水可为1∶1-1.6∶0.8-1.2。

5.干磨料粉过筛后可加入14-18%的石腊，热搅拌和腊后在普通热压铸机上热压铸成型;湿磨浆料过筛后经干燥可加入5-10%的粘合剂（如水，CMC或聚乙烯醇等有机溶剂的水溶液）造粒，然后在压力机上干压成型，成型压力可视坯件有无成型缺陷而定，一般在100-120Mpa，湿磨浆料经干燥后也可采用和腊的热压铸工艺成型。

6.成型坯件可置于间歇式或连续式瓷烧窑炉（如煤窑，油窑，燃气窑或电窑）内于空气中烧成，最好在连续式电隧道窑中烧成，以提高生产效率。其中热压铸坯件需经1000℃左右的排腊予烧后再烧成。最低烧成温度可控制在1370-1420℃，对优选配比，最低烧成温度可控制在1380-1400℃。所说的烧成，保温时间可控制在2-3小时。由于优选配比可使瓷料具有最佳化学组成，因而坯件的烧结范围也较宽，如原料配比为α-Al₂O₃81，透辉石14，高岭土5的坯件，其烧成温度实际可控制在1380-1420℃，即最低和最高烧成温度之间可允许40℃的控制范围。此外，据透辉石在加热时无多晶转变的特性，坯件的烧成可快速进行，对小件产品，其加热和保温可在8-10小时完成;对大件产品，其加热和保温可在10-14小时完成。

对最佳组成的瓷料进行了机电性能测试，结果如表2所示。

表2最佳组成瓷料的低温烧结性能

烧结密度 (g/cm³) 3.45-3.50 介电常数 (1Mc) 8.6-8.8

吸水率 (%) 0.01-0.03 介质损耗 (1Mc20℃) 6-9×10^-4

硬度 (HRA) 84-87 电阻率 (20℃Ωcm) 10¹³-10¹⁴

抗弯强度 (Mpa) 236-266 绝缘强度 (KV/mm) 25-30

断裂韧性 (Mpam^1/2) 4.24-4.65

线膨胀系数 (20-100℃) 5.5-5.8×10^-5/℃

从表2可知，瓷料的低温烧结性能很好，特别是其机械强度相当高，且线膨胀系数较小，是一种良好的抗热震性结构材料。此外，该瓷料还具有高的电阻率和绝缘强度，低的介质损耗和较小的介电常数，因此，在作为装置瓷、电真空器件管壳、厚膜电路基板、火花塞、耐磨件、纺织瓷件等领域足可与95瓷相媲美，其用途将是很广泛的。

与现有的高温烧结高铝陶瓷及其生产工艺相比，本发明的积极效果除实现了发明的直接目的外，还表现在以下几个方面：

（1）采用本发明的生产方法，可不需投入高造价的烧成设备，如硅钼炉气氛保护钼丝炉或需用高级耐火材料的油烧窑及燃气窑，在1450℃以下的低温烧成设备上即可生产性能优良的高铝陶瓷产品，从而可节省高温设备的投资。

（2）由于本发明的高铝陶瓷可低温烧成和快速烧成，因此可显著节约生产的能耗。以电窑为例，如由36根硅钼棒组成的隧道窑，烧1600℃以上高温的耗电约60kw/h，如烧1400℃，则耗电可降至45kw/h左右，至少可节能25%以上。

（3）由于可省略高温烧成设备及节约能耗，且作为原料的透辉石和高岭土来源广泛，价格低廉，因此产品成本可大幅度降低，对提高生产效益将具积极意义。

Claims

1、一种高铝陶瓷，属CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂系瓷料，含有Al₂O₃至少在82.5-87.5wt%，其特征在于：

(1)该瓷料还含有以透辉石和高岭土形式引入的CaO，MgO和SiO₂；

(2)该瓷料的化学组成为wt%

Al₂O₃82.5-87.5

SiO₂8.5-12.5

CaO 2.1-3.1

MgO 1.5-2.5

其各成份之和为100%；

(3)该瓷料的烧结温度为1370-1420℃。

2、按权利要求1的高铝陶瓷，其特征在于，所说瓷料的最佳组成为wt%

Al₂O₃84.0-86.0

SiO₂9.5-11.5

CaO 2.5-2.8

MgO 1.8-2.0

其各成份之和为100%;

对最佳组成，瓷料的烧结温度为1380-1400℃;其瓷料的烧结范围至少在40℃之间。

3、一种权利要求1的高铝陶瓷的生产方法，包括以下常规的工艺步骤：先将原料按规定比例配料;然后以高铝质或刚玉质瓷球为研磨体，采用干磨或湿磨工艺将配合料混合粉碎至要求的细度后过筛;干磨粉料过筛后可采用和腊及热压铸工艺成型;湿磨浆料过筛后经干燥，可采用造粒及干压工艺成型，也可采用和腊及热压铸工艺成型;最后，成型的坯件可置于空气中烧成，其热压铸成型的坯件需经排腊予烧后再烧成;在上述步骤中，本发明的特征在于：

（1）配料步骤中，可选用α-Al₂O₃，透辉石和高岭土三组份原料，其规定的配比为wt%

α-Al₂O₃80-85

透辉石 10-15

高岭土 5-10

其各组份之和为100%;

（2）混合粉碎步骤中，所要求的细度为250目筛余≤0.08%;

（3）烧成步骤中，最低烧成温度可控制在1370-1420℃;

（4）烧成步骤中，保温时间可在2-3小时。

4、按权利要求3的生产方法，其特征在于，所说的配料步骤中，优选的配比为wt%

α-Al₂O₃81-83

透辉石 12-14

高岭土 5-7

其各组份之和为100%;

在以上配比范围，坯件的最低烧成温度可控制在1380-1400℃;其最低和最高烧成温度之间可允许40℃的控制范围。

5、按权利要求3或4的生产方法，其特征在于，所说的α-Al₂O₃是经煅烧的工业氧化铝，其α-Al₂O₃可≥97wt%，所说的透辉石和高岭土可选用下列化学组成的天然矿物原料。

wt% CaO MgO SiO₂Al₂O₃Fe₂O₃+TiO₂k₂O+Na₂O 灼减

透辉石 ≥20 ≥14 ≥54 ≤3 ≤1.3 / ≤4

高岭土 / / ≥45 ≥35 ≤1.2 ≤0.5 ≤16

6、按权利要求3或4的生产方法，其特征在于，所说的烧成可快速进行，其加热和保温可在8-14小时完成。