CN1125791C - 天然铝矾土矿用于制备精细氧化铝陶瓷的方法 - Google Patents

天然铝矾土矿用于制备精细氧化铝陶瓷的方法 Download PDF

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Abstract

一种天然铝矾土矿用于制备氧化铝陶瓷的方法，选用合适的天然铝矾土矿，于1350～1650℃煅烧后，经粉碎、球磨及处理后得平均粒径为1～15μm的粉末，配成80～95氧化铝瓷，球磨3～5小时，经喷雾干燥造粒，成型为所需形状的坯体，在1300～1550℃保温0.5～12小时烧成，用该方法具有直接使用天然铝矾土矿制得性能优良的精细氧化铝陶瓷的特征，实现了低温烧成，降低了能耗，减少了环境污染，实现了高性能陶瓷的低成本制造。

Description

天然铝矾土矿用于制备精细氧化铝陶瓷的方法
本发明属于Al2O3陶瓷制备。
氧化铝陶瓷因其优良的电气性能、机械强度高、硬度大、热膨胀系数小、耐磨和耐冲击性能好等优点，使其成为一种应用最广泛的陶瓷。然而精细氧化铝陶瓷的烧结温度高达1600～1700℃，投资大、能耗高，加上其价格与性能之间的矛盾，限制了它的广泛应用。
为了解决这些问题，近几年来国内外学者均进行了大量的研究工作。日本学者提出用超细氧化铝粉体作原料，在1400℃烧结即能制备出性能优良的致密坯体，但其超细氧化铝粉制备工艺复杂，成本很高；美国诺顿公司采用溶胶—凝胶法制备出所谓SG材料，生产微晶刚玉，其成本高于传统方法6～7倍。国内学者也在降低氧化铝陶瓷的烧结温度方面作了大量的研究工作。但都没有从根本上解决氧化铝陶瓷的价格与性能之间的矛盾，如纺织工业用的产品及陶瓷釉料细磨中的研磨球等，使用价格为4000～5000元人民币/吨的普通原料，其烧结温度高，产品的性能特别是耐磨性能满足不了用户的要求。而使用价格为80000～200000元人民币/吨的高纯超细原料，虽能降低烧结温度并得到性能优良的产品，但其价格是用户所不能接受的，国外的情况也如此。
本发明的目的是针对目前精细氧化铝陶瓷存在的价格性能比之间的矛盾，利用天然铝矾土矿为主要原料，选用优化的工艺过程，直接制备出性能优良的精细氧化铝陶瓷，从而实现高性能精细氧化铝陶瓷的低成本工业制备。
下面结合图1对本发明的内容进行具体说明。
图1.天然铝矾土矿用于制备精细氧化铝陶瓷的方法的工艺流程图。1.天然铝矾土矿的选择及处理
我国的铝矾土矿(又名高铝矾土、矾土、铝土矿)资源异常丰富，因其产地不一样，其成分差别很大，目前国内仅用于高铝质耐火材料的生产。我们经多年研究试验，发现选用合适的铝矾土矿可直接作原料制备高性能精细氧化铝陶瓷。
选用天然铝矾土矿，其化学组成如下(wt％)：
    Al2O3     SiO2     Fe2O3     TiO2
    65～80     1.7～13.7     0.5～2.5     1～10
于1350～1650℃煅烧，经粉碎、传统方法球磨(料∶球∶水＝1∶2∶1)至平均粒径为1～15μm的粉末，为达到最佳效果，在球磨至一定细度后，外加0.5～1.5wt％的分散剂(如多醚基、多羟基、多羧基等高效分散剂的一种或一种以上)，传统方法球磨(料∶球∶水＝1∶2∶1，24小时)，控制好料浆的PH值(一般为6～8)，调整后经喷雾干燥制得原料粉，其平均粒径为1～15μm。2.成型
以上述原料粉为主，按比例加入煅烧过的氧化铝、透辉石、石英、菱镁矿、石灰石、硅灰石、滑石等粉末，配成80～95氧化铝瓷原料粉，球磨3～5小时，经喷雾干燥造粒，成型为所需的形状。3.烧成
将上述坯体在1300～1550℃保温0.5～12小时烧成。
表1列出了本发明制备的95瓷与国标(GB-5593-85)95瓷的有关性能和烧成温度。
表2列出了本发明制备的90、95瓷球与市售90、95瓷球的性能数据。
表1本发明制备的95瓷与国标A95瓷有关性能
  本发明制备95瓷     国标A95瓷
  体积密度g/cm3     3.4～3.6     ＞3.60
  抗弯强度MPa     250     280
  烧成温度℃     1500     1650
  Al2O3含量wt％     95     95
        表2本发明制备的瓷球与市售瓷球的性能指标
    本发明制备         市    售
  90   95   90   95
氧化铝含量wt％   88.75   95   97～90   94～96
显微硬度Hm   ＞1400   ＜1600   9.0(硬度)   9.0(硬度)
抗压强度MPa   ＞1200   ＞1500   ≥1500   ≥2000
密度g/cm3   ＞3.3   ＞3.4   ≥3.45   ≥3.6
磨损率g/kg·h   ＜0.2   ＜0.18   ≤0.8   ≤0.7
吸水率％   ＜0.4   ＜0.2   2.39   -
从表1可以看出，本发明制得的95瓷的密度等虽然略低于国标，但本发明的烧成温度为1500℃，远低于国标规定的温度1650℃。
从表2可以看出，本发明制得的瓷球的抗压强度和密度低于市售瓷球，但在瓷球的关键性能方面如磨损率和吸水率上，本发明制得的瓷球优于市售瓷球，本发明制得的90瓷磨损率＜0.2g/kg·h，95瓷磨损率＜0.18g/kg·h，95瓷磨损率≤0.7g/kg·h。本发明的特点在于：
(1)选用天然铝矾土矿为主要原料直接制备精细氧化铝陶瓷；
(2)实现了低温烧成，降低能耗，减少了对环境的污染；
(3)采用廉价矿物为主要原料，大大降低了生产成本，特别适合于大规模工业生产。
(4)实现了高性能陶瓷的低成本制造，解决了氧化铝陶瓷生产中价格与性能之间的矛盾。
实施例1：(1)天然铝矾土矿的选择及处理
选用河北某地的铝矾土矿，其化学组成(wt％)为：
    Al2O3     SiO2     Fe2O3     TiO2     其他     灼减
    73.1     9.5     0.9     2.0     0.5     14.0
于1400℃煅烧1小时，其含氧化铝为85wt％，经粉碎球磨至过100目筛后，外加1wt％的复合多羧基高分子聚合物(PAA∶NH4PAA＝1∶1)分散剂，球磨(料∶球∶水＝1∶2∶1)24小时，调节料浆的PH值为6～7之间，然后喷雾干燥制得平均粒径为3μm的粉末。(2)低温烧成
陶瓷配方为(wt％)：熟铝钒土细粉93.5，煅烧透辉石细粉6.5，球磨(料∶球∶水＝1∶2∶1)3小时混匀，料浆经喷雾干燥机干燥造粒，然后成型，送入硅钼棒炉中于1350℃保温6小时即制得80氧化铝瓷球。(3)获得的80氧化铝瓷球的主要性能
体积密度g/cm3： 3.1
显微硬度Hm：     1200
抗压强度MPa：    1000
磨损率g/kg·h：  0.30
吸水率％：       0.60
实施例2：(1)天然铝矾土矿的选择及处理
选用河南某地的铝矾土矿，其化学组成(wt％)为：
  Al2O3   SiO2   Fe2O3   TiO2   其他   灼减
  68.0   13.7   1.2   2.2   0.7   14.2
于1450℃煅烧1小时，其含氧化铝为79.25wt％，经粉碎球磨至过100目筛后，外加1wt％的复合多羧基高分子聚合物(PAA∶NH4PAA＝1∶1)分散剂，球磨(料∶球∶水＝1∶2∶1)24小时，调节料浆的PH值为6～7之间，然后喷雾干燥制得平均粒径为3μm的粉末。(2)低温烧成
陶瓷配方为(wt％)：熟铝钒土细粉40.0，氧化铝细粉58.3，煅烧透辉石细粉1.7，球磨(料∶球∶水＝1∶2∶1)3小时混匀，料浆经喷雾干燥机干燥造粒，然后成型，送入硅铝棒炉中于1400℃保温6小时即制得90氧化铝瓷球。(3)获得的90氧化铝瓷球的主要性能
体积密度g/cm3：    3.38
显微硬度Hm：        1410
抗压强度MPa：       1250
磨损率g/kg·h：     0.19
吸水率％：          0.36
实施例3：(1)天然铝矾土矿的选择及处理
选用贵州某地的铝矾土矿，其化学组成(wt％)为：
  Al2O3   SiO2   Fe2O3     TiO2    其他    灼减
  80.0   1.7   0.8     2.8    0.7    14.0
于1400℃煅烧1小时，其含氧化铝为93.0wt％，经粉碎球磨至过100目筛后，外加1wt％的复合多羧基高分子聚合物(PAA∶NH4PAA＝1∶1)分散剂，球磨(料∶球∶水＝1∶2∶1)24小时，调节料浆的PH值为6～7之间，然后喷雾干燥制得平均粒径为3μm的粉末。(2)低温烧成
陶瓷配方为(wt％)：熟铝钒土细粉30.0，氧化铝细粉67.1，煅烧透辉石细粉2.9，球磨(料∶球∶水＝1∶2∶1)3小时混匀，料浆经喷雾干燥机干燥造粒，然后成型，送入硅钼棒炉中于1450℃保温6小时即制得95氧化铝瓷球。(3)获得的95氧化铝瓷球的主要性能
体积密度g/cm3：     3.53
显微硬度Hm：         1650
抗压强度MPa：        1550
磨损率g/kg·h：      0.17
吸水率％：           0.18

Claims (1)

1.一种氧化铝陶瓷的制备方法，包括将30～93.5wt％铝矾土熟料，1.7～6.5wt％煅烧透辉石细粉，0～67.1wt％氧化铝细粉混合球磨，喷雾干燥，成型，烧成制得氧化铝陶瓷，其中所述铝矾土熟料的化学组成包括Al2O3，SiO2，Fe2O3，TiO2，按重量百分比为Al2O3 65～80，SiO2 1.7～13.7，Fe2O3 0.5～2.5，TiO2 1～10的铝矾土，经1350～1650℃煅烧、粉碎、球磨制备的，在球磨过程中，外加0.5～1.5wt％的分散剂，料浆的PH值为6～8；铝矾土熟料的粒径为1～15微米。
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