CN115403398A - 高韧抗冲耐磨陶瓷组合物、高韧抗冲耐磨陶瓷及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及工程机械技术领域，公开了一种高韧抗冲耐磨陶瓷组合物、高韧抗冲耐磨陶瓷及其制备方法和应用。该组合物中含有各自独立保存或两者以上混合保存的以下组分：基础组分、稳定剂、固溶剂、分散剂、粘结剂、纳米矿物纤维和水；以基础组分的总重量为基准，基础组分中含有60‑90重量％的氧化锆和10‑40重量％的氧化铝。采用本发明提供的陶瓷组合物制备得到的陶瓷材料不但具有优异的耐磨性能，还能显著提高韧性和抗冲击性能。
Description
技术领域
本发明涉及工程机械技术领域，具体涉及一种高韧抗冲耐磨陶瓷组合物、高韧抗冲耐磨陶瓷及其制备方法和应用。
背景技术
混凝土泵车是利用压力将混凝土沿管道联系输送的机械设备。混凝土在输送过程中，泵车许多关键零部件，如S管、眼镜板、切割环、锥管、直管、弯管等零部件，直接与混凝土直接接触，承受巨大压力和冲击；同时，由于混凝土本身成分也十分复杂，常含有带有尖角的硬质骨料，对这些零部件的磨损也十分严重。
因此，这些零部件的使用寿命通常偏低，需要经常更换这些零部件，一方面造成了资源的浪费，另一方面也影响客户的使用体验，不利于公司产品口碑的提升。
目前，上述泵车零部件主要已中高碳钢、高铬铸铁、硬质合金等钢铁材料为主，耐磨性能差，在使用过程中易受冲击而开裂掉块，使用寿命普遍偏低。此外，钢铁材料的密度大，上述零部件重量普遍偏重，在生产过程中存在许多转运工序，极大的浪费了人力和物力；上述零部件在泵车中所占的重量不可忽视，使用传统钢铁材料所生产的零部件，也不符合泵车轻量化发展方向。
然而，现有的陶瓷材料通常硬度较高，具有较好的耐磨性能，但是韧性和抗冲击性能较差，应用于泵车零部件上存在一定的限制。
因此，开发出一种能够兼顾耐磨性能、韧性和抗冲击性能的陶瓷材料，对于混凝土泵车的持续性发展具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中泵车零部件用陶瓷材料存在韧性和抗冲击性能较差的问题。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种高韧抗冲耐磨陶瓷组合物，该组合物中含有各自独立保存或两者以上混合保存的以下组分：
基础组分、稳定剂、固溶剂、分散剂、粘结剂、纳米矿物纤维和水；
以所述基础组分的总重量为基准，所述基础组分中含有60-90重量％的氧化锆和10-40重量％的氧化铝；
相对于100重量份的所述基础组分，所述稳定剂的含量为3-7重量份，所述固溶剂的含量为0.5-2重量份，所述分散剂的含量为0.5-2重量份，所述粘结剂的含量为1-3重量份，所述纳米矿物纤维的含量为3-5重量份，所述水的用量为20-30重量份。
本发明第二方面提供一种制备高韧抗冲耐磨陶瓷的方法，该方法包括：将第一方面所述的组合物中各组分进行混合。
本发明第三方面提供由第二方面所述的方法制备得到的高韧抗冲耐磨陶瓷。
本发明第四方面提供第三方面所述的高韧抗冲耐磨陶瓷在生产混凝土泵车用S管、眼镜板、切割环、锥管、直管或弯管中的应用。
本发明将基础组分、稳定剂、固溶剂、分散剂、粘结剂和纳米矿物纤维按特定配比复配形成陶瓷组合物，采用该陶瓷组合物制备得到的陶瓷材料不但具有优异的耐磨性能，还能显著提高韧性和抗冲击性能。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明中，未作相反说明的情况下，所述室温或常温均表示25±2℃。
如前所述，本发明的第一方面提供了一种高韧抗冲耐磨陶瓷组合物，该组合物中含有各自独立保存或两者以上混合保存的以下组分：
基础组分、稳定剂、固溶剂、分散剂、粘结剂、纳米矿物纤维和水；
以所述基础组分的总重量为基准，所述基础组分中含有60-90重量％的氧化锆和10-40重量％的氧化铝；
相对于100重量份的所述基础组分，所述稳定剂的含量为3-7重量份，所述固溶剂的含量为0.5-2重量份，所述分散剂的含量为0.5-2重量份，所述粘结剂的含量为1-3重量份，所述纳米矿物纤维的含量为3-5重量份，所述水的用量为20-30重量份。
优选地，所述纳米矿物纤维的平均直径为1-4μm，平均长度为0.5-25mm。
根据本发明一种特别优选的实施方式，所述纳米矿物纤维选自莫来石纤维、硅碳氮纤维、氮化硅纤维中的至少一种。发明人发现，采用该优选情况下的具体实施方式，能够获得相变增韧效果更优异的陶瓷材料。
优选地，以所述基础组分的总重量为基准，所述基础组分中含有70-90重量％的氧化锆和10-30重量％的氧化铝。发明人在研究过程中发现，在该优选情况下，能够获得综合性能更优异的陶瓷材料。
优选地，所述氧化锆为平均粒径为5-100μm的氧化锆粉体。
优选地，所述氧化铝为平均粒径为5-100μm的氧化铝粉体。
根据一种特别优选的具体实施方式，所述氧化铝为γ型氧化铝和/或α型氧化铝。
更优选地，所述氧化铝为α型氧化铝。发明人在研究过程中发现，采用该优选情况下的具体实施方式，能够获得硬度和耐磨性能更优异的陶瓷材料。
优选地，所述稳定剂为氧化铈、氧化钇中至少一种。
优选地，所述固溶剂选自二氧化钛、氧化铬、三氧化二钒中的至少一种。
优选地，所述粘结剂选自聚氨酯、羧甲基纤维素、聚乙烯醇中的至少一种。
优选地，所述分散剂选自丙烯酸酯、聚羧酸、六偏磷酸钠中的至少一种。
根据一种特别优选的具体实施方式，所述丙烯酸酯选自丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯中的至少一种。
如前所述，本发明的第二方面提供了一种制备高韧抗冲耐磨陶瓷的方法，该方法包括：将第一方面所述的组合物中各组分进行混合。
优选地，将所述的组合物中各组分进行混合的操作包括以下步骤：
(1)将氧化锆与稳定剂依次进行粉碎处理和第一干燥，得到水含量不高于1.5wt％的生料；
(2)将所述生料、氧化铝、固溶剂、分散剂、粘结剂、纳米矿物纤维和水进行第一混合，得到浆料，并将所述浆料进行第二干燥，得到陶瓷颗粒；
(3)将所述陶瓷颗粒依次进行成型处理和烧结处理；所述烧结处理采用分步升温烧结。
本发明采用分步升温烧结，使得烧结产物致密度更高，强度、耐磨性、抗冲击韧性等性能更优异。
优选地，在步骤(3)中，所述烧结处理包括至少三阶段升温处理。
根据本发明一种特别优选的实施方式，在步骤(3)中，所述烧结处理包括：以第一升温速率进行第一阶段升温处理、以第二升温速率进行第二阶段升温处理和以第三升温速率进行第三阶段升温处理。
优选地，在步骤(3)中，所述第一升温速率、所述第二升温速率和所述第三升温速率各自独立地为3-8℃/min。
优选地，在步骤(3)中，所述第一阶段升温处理的终点温度为300-450℃。
优选地，在步骤(3)中，所述第二阶段升温处理的终点温度为1100-1250℃。
优选地，在步骤(3)中，所述第三阶段升温处理的终点温度为1550-1650℃。
发明人在研究过程中发现，采用三步升温烧结，使得陶瓷颗粒依次经过低温区、中温区和高温区，非常有利于陶瓷颗粒中气体排出，同时能够促进粘结剂和分散剂等物质的挥发脱除，以及陶瓷颗粒间充分接触与反应，最终形成强化相，得到的烧结产物具有致密度高的特点，从而获得耐磨性、浪冲击性和韧性更优异的陶瓷材料。
根据本发明一种特别优选的实施方式，在步骤(3)中，该方法还包括：在进行所述第一阶段升温处理、所述第二阶段升温处理和所述第三阶段升温处理之后各自独立地进行第一保温处理、第二保温处理和第三保温处理。
优选地，在步骤(3)中，所述第一保温处理的时间为20-45min。
优选地，在步骤(3)中，所述第二保温处理的时间为30-70min。
优选地，在步骤(3)中，所述第三保温处理的时间为60-180min。
本发明中，步骤(1)中，将所述氧化锆和所述稳定剂进行粉碎处理的方法可以不受特别的限制，可以分别对氧化锆和稳定剂进行粉碎处理，也可以先将氧化锆和稳定剂混合后的物料进行粉碎处理。
优选地，在步骤(1)中，所述粉碎处理采用湿式球磨，且所述粉碎处理的条件至少包括：时间为4-8h，转速为100-200rpm。
本发明对所述湿式球磨的操作方法没有特别的要求，可以采用本领域已知的方法进行，示例性地，本发明在惰性气体保护下进行湿式球磨。
本发明对所述惰性气体的种类没有特别的要求，可以采用本领域已知的惰性气体作为保护气，示例性地，在步骤(1)中，所述惰性气体选自氦气、氖气、氩气中的至少一种。
优选地，在步骤(1)中，该方法还包括：将所述生料过100-300目筛。
优选地，在步骤(2)中，所述第一混合的条件至少包括：搅拌速度为150-250rpm，温度为10-40℃，时间为10-60min。
本发明对所述第一混合的方法没有特别的要求，优选地，在磁力搅拌器搅拌条件下进行所述第一混合。
优选地，在步骤(2)中，所述第一干燥、所述第二干燥的条件各自独立地包括：温度为100-150℃，时间为5-10h。
优选地，在步骤(2)中，该方法还包括：将所述陶瓷颗粒过100-300目筛。
优选地，在步骤(3)中，所述成型处理采用冷压成型，且所述成型处理的条件至少包括：温度为10-40℃，压力为17-30MPa，保压时间为1-30min。
如前所述，本发明的第三方面提供了由第二方面所述的方法制备得到的高韧抗冲耐磨陶瓷。
如前所述，本发明的第四方面提供了第三方面所述的高韧抗冲耐磨陶瓷在生产混凝土泵车用S管、眼镜板、切割环、锥管、直管或弯管中的应用。
以下将通过实例对本发明进行详细描述。以下实例中，在没有特别说明的情况下，使用的各种原料均为市售品。
基础组分：氧化锆，平均粒径为5μm，购自广东东方锆业股份有限公司；
基础组分：α型氧化铝，平均粒径为5μm，购自深圳市海扬粉体科技有限公司；
基础组分：γ型氧化铝，平均粒径为5μm，购自深圳市海扬粉体科技有限公司；
粘结剂：聚氨酯，牌号为WS6021，购自三井公司；
粘结剂：聚乙烯醇，牌号为PVA217，购自可乐丽公司；
分散剂：聚羧酸，牌号为SN5027，购自诺普科公司；
纳米矿物纤维：莫来石纤维，平均直径为3μm，平均长度为15mm，购自浙江嘉华晶体纤维有限公司；
纳米矿物纤维：氮化硅纤维，平均直径为2μm，平均长度为10mm，购自超泰金属材料有限公司；
纳米矿物纤维：碳酸钙纤维，平均直径为3μm，平均长度为20mm，购自石家庄竹中科技有限公司；
以下实例中，氧化钇、氧化铈、氧化铬、二氧化钛、六偏磷酸钠均为市售分析纯化学试剂；
以下实例中，所述惰性气体均为氩气；
以下实例中，每1重量份表示10g。
实施例1
本实施例用于说明本发明所述的高韧抗冲耐磨陶瓷组合物按照表1中的配方和工艺参数，并按如下所述的方法制备高韧抗冲耐磨陶瓷。
所述制备高韧抗冲耐磨陶瓷的方法包括以下步骤：
(1)在室温下，先将氧化锆与稳定剂充分混合，得到混合物料，然后在惰性气体保护下进行粉碎处理和第一干燥，最后过200目筛得到水含量为1wt％的生料；
其中，所述粉碎处理采用湿式球磨，且湿式球磨的条件为：球磨时间为5h，转速为150rpm；
所述第一干燥的条件为：干燥温度为120℃，时间为6h；
(2)将氧化铝、固溶剂、粘结剂、分散剂、纳米矿物纤维、水和前述制备得到的生料进行第一混合，得到浆料，然后将所述浆料进行第二干燥，第二干燥结束后，过200目筛得到陶瓷颗粒；
其中，所述第一混合在磁力搅拌器搅拌条件下进行，且所述第一混合的条件为：搅拌速度为200rpm，温度为室温，搅拌时间为20min；
所述第二干燥的条件为：干燥温度为120℃，时间为6h；
(3)将前述制备得到的陶瓷颗粒进行冷压成型，在惰性气体保护下采用分步升温的方式进行烧结，首先从室温升温到350℃，升温速率为5℃/min，待温度稳定后保温40min，然后再从350℃升温到1150℃，升温速率为5℃/min，待温度稳定后保温40min，最后从1150℃升温到1600℃，升温速率为5℃/min，待温度稳定后保温100min，随后随炉冷却至室温，得到高韧抗冲耐磨陶瓷S1；
其中，所述冷压成型的条件为：温度为室温，压力为25MPa，保压时间为5min。
在没有特别说明的情况下，其余实例均采用与实施例1相同的流程进行，不同的是所采用的高韧抗冲耐磨陶瓷组合物配方和工艺参数不同，具体参见表1中。
表1
表1(续表)
测试例1
将实施例和对比例制备得到的高韧抗冲耐磨陶瓷进行性能测试，分别以经过810℃淬火热处理的65Mn弹簧钢和经过950℃正火热处理的Cr25高铬铸铁作为对照，具体测试结果见表2。
其中，硬度采用洛氏硬度计进行测量，具体测试方法参照GB/T230.1-2018《金属材料洛氏硬度试验》；
磨损量采用湿式磨粒磨损试验进行测量，具体测试方法参照JB/T7705-1995《松散磨粒磨料磨损试验方法橡胶轮法》进行；其中，试验介质：1kg水+1.5kg石英砂，试验条件为：试验力为170N，转速为240r/min，转数为5000转；
磨损量的计算公式为：磨损量＝(磨损前试样质量-磨损后试样质量)；
抗弯强度采用力学万能试验机进行测量，具体测试方法参照GB/T4741-1999《陶瓷材料抗弯强度试验方法》进行；
冲击韧性采用摆锤式冲击试验机进行测量，具体测试方法参照GB/T1817-2017《硬质合金常温冲击韧性试验方法》。
表2
通过表2的结果可以看出，采用本发明提供的陶瓷组合物制备得到的陶瓷材料在保持耐磨性能的同时，还能显著提高韧性和抗冲击性能。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。
Claims (16)
1.一种高韧抗冲耐磨陶瓷组合物，其特征在于，该组合物中含有各自独立保存或两者以上混合保存的以下组分：
基础组分、稳定剂、固溶剂、分散剂、粘结剂、纳米矿物纤维和水；
以所述基础组分的总重量为基准，所述基础组分中含有60-90重量％的氧化锆和10-40重量％的氧化铝；
相对于100重量份的所述基础组分，所述稳定剂的含量为3-7重量份，所述固溶剂的含量为0.5-2重量份，所述分散剂的含量为0.5-2重量份，所述粘结剂的含量为1-3重量份，所述纳米矿物纤维的含量为3-5重量份，所述水的用量为20-30重量份。
2.根据权利要求1所述的组合物，其中，所述纳米矿物纤维的平均直径为1-4μm，平均长度为0.5-2.5mm；和/或
所述纳米矿物纤维选自莫来石纤维、硅碳氮纤维、氮化硅纤维中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的组合物，其中，以所述基础组分的总重量为基准，所述基础组分中含有70-90重量％的氧化锆和10-30重量％的氧化铝。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的组合物，其中，所述氧化铝为γ型氧化铝和/或α型氧化铝。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的组合物，其中，所述稳定剂为氧化铈、氧化钇中至少一种；和/或
所述固溶剂选自二氧化钛、氧化铬、三氧化二钒中的至少一种；和/或
所述粘结剂选自聚氨酯、羧甲基纤维素、聚乙烯醇中的至少一种；和/或
所述分散剂选自丙烯酸酯、聚羧酸、六偏磷酸钠中的至少一种。
6.一种制备高韧抗冲耐磨陶瓷的方法，其特征在于，该方法包括：将权利要求1-5中任意一项所述的组合物中各组分进行混合。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，将所述的组合物中各组分进行混合的操作包括以下步骤：
(1)将氧化锆与稳定剂依次进行粉碎处理和第一干燥，得到水含量不高于1.5wt％的生料；
(2)将所述生料、氧化铝、固溶剂、分散剂、粘结剂、纳米矿物纤维和水进行第一混合，得到浆料，并将所述浆料进行第二干燥，得到陶瓷颗粒；
(3)将所述陶瓷颗粒依次进行成型处理和烧结处理；所述烧结处理采用分步升温烧结。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，在步骤(3)中，所述烧结处理包括至少三阶段升温处理。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，在步骤(3)中，所述烧结处理包括：以第一升温速率进行第一阶段升温处理、以第二升温速率进行第二阶段升温处理和以第三升温速率进行第三阶段升温处理；和/或
在步骤(3)中，所述第一升温速率、所述第二升温速率和所述第三升温速率各自独立地为3-8℃/min；和/或
在步骤(3)中，所述第一阶段升温处理的终点温度为300-450℃；和/或
在步骤(3)中，所述第二阶段升温处理的终点温度为1100-1250℃；和/或
在步骤(3)中，所述第三阶段升温处理的终点温度为1550-1650℃。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，在步骤(3)中，该方法还包括：在进行所述第一阶段升温处理、所述第二阶段升温处理和所述第三阶段升温处理之后各自独立地进行第一保温处理、第二保温处理和第三保温处理；和/或
在步骤(3)中，所述第一保温处理的时间为20-45min；和/或
在步骤(3)中，所述第二保温处理的时间为30-70min；和/或
在步骤(3)中，所述第三保温处理的时间为60-180min。
11.根据权利要求7-10中任意一项所述的方法，其中，在步骤(1)中，所述粉碎处理采用湿式球磨，且所述粉碎处理的条件至少包括：时间为4-8h，转速为100-200rpm。
12.根据权利要求7-10中任意一项所述的方法，其中，在步骤(2)中，所述第一混合的条件至少包括：搅拌速度为150-250rpm，温度为10-40℃，时间为10-60min。
13.根据权利要求7-12中任意一项所述的方法，其中，在步骤(2)中，所述第一干燥、所述第二干燥的条件各自独立地包括：温度为100-150℃，时间为5-10h。
14.根据权利要求7-13中任意一项所述的方法，其中，在步骤(3)中，所述成型处理采用冷压成型，且所述成型处理的条件至少包括：温度为10-40℃，压力为17-30MPa，保压时间为1-30min。
15.由权利要求6-14中任意一项所述的方法制备得到的高韧抗冲耐磨陶瓷。
16.权利要求15所述的高韧抗冲耐磨陶瓷在生产混凝土泵车用S管、眼镜板、切割环、锥管、直管或弯管中的应用。
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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 | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20221129 |