CN110054485A - 低成本氧化锆增韧氧化铝耐磨陶瓷衬板的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无机材料技术领域,具体涉及一种低成本氧化锆增韧氧化铝耐磨陶瓷衬板的制备方法。所述的低成本氧化锆增韧氧化铝耐磨陶瓷衬板制备方法,步骤如下:将工业氧化铝、氧氯化锆、α‑氧化铝进行干法混合、煅烧,得到粉体A;将电熔氧化锆、硅酸锆、工业氧化铝、氧化钇和氧化铈进行湿法混合、烘干、煅烧,得到粉体B;将粉体A和粉体B混合、砂磨、喷雾造粒,得到陶瓷粉体,经成型工艺制成陶瓷衬板素坯,烧结,得到氧化锆增韧氧化铝耐磨陶瓷衬板。本发明的制备方法采用低成本工业原料,成本低,方法简单,参数容易控制,利于稳定生产,制备的氧化锆增韧氧化铝耐磨衬板的硬度高、断裂韧性高、抗磨蚀能力强。
Description
技术领域
本发明涉及无机材料技术领域,具体涉及一种低成本氧化锆增韧氧化铝耐磨陶瓷衬板的制备方法。
背景技术
耐磨陶瓷衬板相对于耐磨钢等材料,具有更耐磨、寿命长、密度低等优点,广泛应用于火电、钢铁、冶炼、机械、煤炭、矿山、化工、水泥、港口码头等企业的输煤、输料系统、制粉系统、排灰、除尘系统等磨损大的机械设备上,可以大幅度提高原有设备的寿命。但是现有陶瓷耐磨衬板主要由95氧化铝陶瓷制成,其在使用过程中主要面临脆性的问题,氧化铝陶瓷一般晶粒较大,并且是单相材料,所以断裂韧性低,在受到物料高速撞击的过程中容易发生剥落,这导致陶瓷耐磨衬板的磨耗大幅度增加。在室温具有良好韧性的陶瓷材料是氧化锆陶瓷,但是由于其复杂的制备工艺,因此成本在氧化铝陶瓷的数倍以上,难以在耐磨陶瓷领域广泛应用,因此采用氧化锆增韧氧化铝陶瓷作为就成为一种选择。
专利CN2015103365308公开了一种亚微米氧化锆增韧氧化铝粉体及其陶瓷的制备方法,其将工业氢氧化铝、氧氯化锆、复合矿化剂、稳定剂混合1~2小时,并在1350~1500℃进行煅烧处理2~8小时获得ZTA粉体,将以上所得的粉体成型并置于1500~1650℃高温中烧结2~5小时,获得相对密度为97~99%的亚微米ZTA陶瓷。由于该方法采用氧氯化锆作为氧化锆的唯一来源,煅烧过程中会有大量的氯气释放,此外,氯的残留会导致粉体团聚,烧结温度高,烧结体性能差难以满足陶瓷衬板要求。
专利CN2005101352687公开了一种氧化锆增韧氧化铝陶瓷复合缸套的制备工艺,以α-氧化铝为基,加入含有氧化钇稳定的氧化锆,分析纯碱式碳酸镁,氧化镧,采用搅拌磨球磨,干燥造粒,高压成型,1600~1620℃保温3小时高温烧结成陶瓷瓷坯,该工艺制备的陶瓷性能采用氧化铝和氧化锆完全固相合成,难以混合均匀,且锆源使用高成本的钇稳定氧化锆,不利于批量生产高性能的氧化锆。
专利CN 2014100727923公开了一种低温烧结氧化锆增韧氧化铝材料,在氧化铝中添加氧化锆和Y2O3-TiO2-SiO2复合体系的过冷熔体,这种材料虽然烧结温度低,但是因为存在玻璃相,因此硬度低,不适合陶瓷衬板的工作环境。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明的目的是提供一种低成本氧化锆增韧氧化铝耐磨陶瓷衬板的制备方法,采用低成本工业原料,成本低,方法简单,参数容易控制,利于稳定生产,制备的氧化锆增韧氧化铝耐磨衬板的硬度高、断裂韧性高、抗磨蚀能力强。
本发明所述的低成本氧化锆增韧氧化铝耐磨陶瓷衬板的制备方法,步骤如下:
(1)将工业氧化铝、氧氯化锆、α-氧化铝进行干法混合,再在1200-1350℃下煅烧2-5h,得到粉体A;
(2)将电熔氧化锆、硅酸锆、工业氧化铝、稳定剂进行湿法混合,烘干,在1200-1350℃下煅烧2-5h,得到粉体B;
(3)将粉体A和粉体B按质量比100:10-20进行混合,砂磨,喷雾造粒,得到陶瓷粉体;
(4)将步骤(3)得到的陶瓷粉体经成型工艺制成陶瓷衬板素坯,烧结,得到氧化锆增韧氧化铝耐磨陶瓷衬板。
其中,工业氧化铝为普通工业纯大宗原料,价格低杂质质量含量≤2%;工业氧化铝因含有一定的杂质,其价格约为高纯氧化铝粉的10-30%。
电熔氧化锆为普通耐火材料用低成本脱硅锆,硅质量含量≤2%;电熔氧化锆的价格约为钇稳定锆的30-50%。
硅酸锆为精选矿,杂质质量含量≤3%。
氧化钇和氧化铈为普通工业纯,杂质质量含量≤1%。
步骤(1)中工业氧化铝、氧氯化锆、α-氧化铝的质量比100:0.1-1:1-6。在工业氧化铝中加入少量的氧氯化锆和α-氧化铝共煅烧,在煅烧过程中,氧氯化锆中的氯和原料中的杂质金属离子反应形成氯盐排出,提高了粉体的纯度,α-氧化铝成为晶种,降低氧化铝的转相温度,煅烧后得到细晶氧化铝。
步骤(2)中稳定剂为氧化钇、氧化铈中的一种或两种。
步骤(2)中电熔氧化锆、硅酸锆、工业氧化铝、稳定剂的质量比为100:5-10:20-40:5-20。其中,电熔氧化锆和硅酸锆作为低成本锆源,氧化钇和氧化铈作为稳定剂。电熔氧化锆颗粒较粗,稳定剂融入量少,易形成稳定度低的四方相氧化锆,硅酸锆和氧化铝反应,析出细晶的氧化锆,稳定剂溶入量多,易形成稳定度高的四方相氧化锆,通过调配原料的比例得到不同稳定程度的氧化锆,可以获得最优断裂韧性,最佳硬度和耐磨性的陶瓷。此外,硅酸锆分解产生的氧化硅,脱硅锆中的氧化硅,及其他杂质离子,可以和氧化铝反应生成总质量分数不大于1%的硅酸盐玻璃相,促进烧结,且残留少不会影响材料硬度和耐磨性。
步骤(2)中湿法混合后粉体的粒度为:D50≤0.8μm。
步骤(2)中烘干温度为100-120℃,烘干时间为3-10h。
步骤(3)中砂磨后浆料的粒度为:D50≤0.4μm,D90≤0.8μm。
步骤(4)中成型工艺为干压成型或等静压成型。干压成型和等静压成型采用本领域常规工艺。
步骤(4)中烧结温度为1480-1550℃,烧结时间为1-10h。
与现有技术相比,本发明有以下有益效果:
(1)本发明在制备粉体A时,在工业氧化铝中加入少量氧氯化锆和α-氧化铝共煅烧,煅烧过程中,氧氯化锆中的氯和原料中的杂质金属离子反应形成氯盐排出,提高了粉体的纯度;α-氧化铝成为晶种,降低了氧化铝的转相温度,使煅烧后得到细晶氧化铝,氧化铝晶粒尺寸细小,研磨时避免大颗粒的脱落,减少了后续研磨损失量;
(2)本发明在制备粉体B时,采用多种低成本锆源和稳定剂混合煅烧,其中电熔锆颗粒较粗,稳定剂融入量少,易形成稳定度低的四方相氧化锆,硅酸锆和氧化铝反应,析出细晶的氧化锆,稳定剂溶入量多,易形成稳定度高的四方相氧化锆,通过调配原料的比例得到不同稳定程度的氧化锆,可以获得最优断裂韧性,最佳硬度和耐磨性的陶瓷。此外,硅酸锆分解产生的氧化硅,脱硅锆中的氧化硅,及其他杂质离子,可以和氧化铝反应生成总质量分数不大于1%的硅酸盐玻璃相,促进烧结,且残留少不会影响材料硬度和耐磨性;
(3)本发明采用低成本工业原料,成本低,原料成本降低了50%以上,且制备过程参数容易控制,利于稳定生产;
(4)本发明制备的氧化锆增韧氧化铝耐磨衬板,具有特定的显微结构,其中氧化铝平均晶粒尺寸≤1.2μm,单斜相氧化锆平均晶粒<1μm,四方相氧化锆平均晶粒<0.5μm;由于不同可控稳定状态的氧化锆的存在,材料断裂韧性高、耐磨性好,其硬度HV5大于17GPa,压痕法断裂韧性大于5MPa·m1/2,耐磨性能优良,磨耗低于0.40g/kg·h。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明做进一步说明,但本发明的保护范围不仅限于此。
实施例1-4和对比例1-3制备一种氧化锆增韧氧化铝陶瓷衬板,所用原料和用量如表1所示,其中,工业氧化铝为普通工业低价格原料,杂质质量含量≤2%;电熔氧化锆为普通耐火材料用低成本脱硅锆,硅质量含量≤2%;硅酸锆为精选矿,杂质质量含量≤3%;氧化钇和氧化铈为普通工业纯,杂质质量含量≤1%。
表1实施例1-4和对比例1-3的原料和用量
实施例1
制备方法如下:
(1)将粉体A的所有原料放入滚筒式球磨机干法混合8h,然后在1300℃煅烧保温3h,煅烧后的粉体为粉体A;
(2)将粉体B的所有原料放入滚筒球磨机中湿法混合,混合后粉体的中位粒径D50为0.7μm,烘干后的粉体在1300℃煅烧保温3h,煅烧后的粉体为粉体B;
(3)将粉体A和B混合,放入砂磨机中,控制混合后浆料的粒度,D50为0.3μm,D90为0.6μm,然后喷雾造粒,得到陶瓷粉体;
(4)将步骤(3)制得的陶瓷粉体经等静压成型工艺为陶瓷衬板素坯,在1480℃下烧结8h,得到氧化锆增韧氧化铝耐磨陶瓷衬板。
实施例2
制备方法如下:
(1)将粉体A的所有原料放入滚筒式球磨机干法混合8h,然后在1230℃煅烧保温5h,煅烧后的粉体为粉体A;
(2)将粉体B的所有原料放入滚筒球磨机中湿法混合,混合后粉体的中位粒径D50为0.7μm,烘干后的粉体在1350℃煅烧保温1.5h,煅烧后的粉体为粉体B;
(3)将粉体A和B混合,放入砂磨机中,控制混合后浆料的粒度,D50为0.3μm,D90为0.6μm,然后喷雾造粒,得到陶瓷粉体;
(4)将步骤(3)制得的陶瓷粉体经干压成型工艺成型为陶瓷衬板素坯,在1500℃下烧结6h,得到氧化锆增韧氧化铝耐磨陶瓷衬板。
实施例3
制备方法如下:
(1)将粉体A的所有原料放入滚筒式球磨机干法混合8h,然后在1350℃煅烧保温2h,煅烧后的粉体为粉体A;
(2)将粉体B的所有原料放入滚筒球磨机中湿法混合,混合后粉体的中位粒径D50为0.7μm,烘干后的粉体在1320℃煅烧保温3h,煅烧后的粉体为粉体B;
(3)将粉体A和B混合,放入砂磨机中,控制混合后浆料的粒度,D50为0.3μm,D90为0.6μm,然后喷雾造粒,得到陶瓷粉体;
(4)将步骤(3)制得的陶瓷粉体经等静压成型工艺成型为陶瓷衬板素坯,在1550℃下烧结4h,得到氧化锆增韧氧化铝耐磨陶瓷衬板。
实施例4
制备方法如下:
(1)将粉体A的所有原料放入滚筒式球磨机干法混合8h,然后在1280℃煅烧保温4h,煅烧后的粉体为粉体A;
(2)将粉体B的所有原料放入滚筒球磨机中湿法混合,混合后粉体的中位粒径D50为0.7μm,烘干后的粉体在1250℃煅烧保温4h,煅烧后的粉体为粉体B;
(3)将粉体A和B混合,放入砂磨机中,控制混合后浆料的粒度,D50为0.3μm,D90为0.6μm,然后喷雾造粒,得到陶瓷粉体;
(4)将步骤(3)制得的陶瓷粉体经等静压成型工艺为型成陶瓷衬板素坯,在1550℃下烧结5h,得到氧化锆增韧氧化铝耐磨陶瓷衬板。
对比例1
制备方法与实施例1相同。
对比例2
制备方法与实施例2相同。
对比例3
制备方法与实施例3相同。
对实施例1-4和对比例1-3制备的氧化锆增韧氧化铝耐磨陶瓷衬板进行性能测试,测试结果如表2所示。
表2实施例1-4和对比例1-3制备的样品测试结果
Claims (9)
1.一种低成本氧化锆增韧氧化铝耐磨陶瓷衬板的制备方法,其特征在于:步骤如下:
(1)将工业氧化铝、氧氯化锆、α-氧化铝进行干法混合后,在1200-1350℃下煅烧2-5h,得到粉体A;
(2)将电熔氧化锆、硅酸锆、工业氧化铝、稳定剂进行湿法混合后,烘干,在1200-1350℃下煅烧2-5h,得到粉体B;
(3)将粉体A和粉体B按质量比100:10-20进行混合,砂磨,喷雾造粒,得到陶瓷粉体;
(4)将步骤(3)得到的陶瓷粉体经成型工艺制成陶瓷衬板素坯,烧结,得到氧化锆增韧氧化铝耐磨陶瓷衬板;
所述稳定剂为氧化钇、氧化铈中的一种或两种。
2.根据权利要求1所述的低成本氧化锆增韧氧化铝耐磨陶瓷衬板的制备方法,其特征在于:步骤(1)中工业氧化铝、氧氯化锆、α-氧化铝的质量比100:0.1-1:1-6。
3.根据权利要求1所述的低成本氧化锆增韧氧化铝耐磨陶瓷衬板的制备方法,其特征在于:步骤(2)中电熔氧化锆、硅酸锆、工业氧化铝、稳定剂的质量比为100:5-10:20-40:5-20。
4.根据权利要求1所述的低成本氧化锆增韧氧化铝耐磨陶瓷衬板的制备方法,其特征在于:步骤(2)中湿法混合后粉体的粒度为:D50≤0.8μm。
5.根据权利要求1所述的低成本氧化锆增韧氧化铝耐磨陶瓷衬板的制备方法,其特征在于:步骤(2)中烘干温度为100-120℃,烘干时间为3-10h。
6.根据权利要求1所述的低成本氧化锆增韧氧化铝耐磨陶瓷衬板的制备方法,其特征在于:步骤(3)中砂磨后浆料的粒度为:D50≤0.4μm,D90≤0.8μm。
7.根据权利要求1所述的低成本氧化锆增韧氧化铝耐磨陶瓷衬板的制备方法,其特征在于:步骤(4)中成型工艺为干压成型或等静压成型。
8.根据权利要求1所述的低成本氧化锆增韧氧化铝耐磨陶瓷衬板的制备方法,其特征在于:步骤(4)中烧结温度为1480-1550℃,烧结时间为1-10h。
9.根据权利要求1所述的低成本氧化锆增韧氧化铝耐磨陶瓷衬板的制备方法,其特征在于:工业氧化铝的杂质质量含量≤2%;电熔氧化锆的硅质量含量≤2%;硅酸锆的杂质质量含量≤3%;氧化钇和氧化铈的杂质质量含量≤1%。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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WW01 | Invention patent application withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20190726 |