CN115636679B - 一种烧制电子陶瓷窑炉用赛隆刚玉莫来石 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种烧制电子陶瓷窑炉用赛隆刚玉莫来石，采用板状刚玉和红柱石为主料，引入硅粉、铝粉和α‑Al2O3微粉，原位合成赛隆‑刚玉莫来石复合陶瓷材料，具有较高的高温抗折强度和热震稳定性，耐腐蚀性能强，解决现有的耐火砖性能差、使用寿命低等问题，材料成分简单，性能成本更优。
Description
技术领域
本发明涉及耐火材料技术领域，尤其涉及一种烧制电子陶瓷窑炉用赛隆刚玉莫来石。
背景技术
电子陶瓷是指应用于电子技术中的各种陶瓷，是陶瓷材料中比较新型的应用领域，利用陶瓷材料的高频或超高频电气物理特性可制作各种形状的固定零件，电子陶瓷零部件在通信、广播、电视、雷达、仪器、仪表等电子设备中是不可缺少的组成部分，电子陶瓷用途日益扩大，对电子陶瓷零部件的质量要求越高。电子陶瓷零部件材料的烧成都离不开窑炉耐火材料的支撑和保护，窑炉耐火材料的好坏对于陶瓷材料产品质量、生产成本及能耗等有着直接的影响。由于电子陶瓷、磁性材料产业的持续发展，对窑炉耐火材料的质量要求也越来越高，与国外先进工艺技术相比，我国在原材料的质量、工艺装备等方面还有较大差距，故在性能上难以达到国外产品的水平，尤其是在抗热震性方面。
随着电子厂窑炉烧制工艺的不断改进和高温技术不断的发展，对电子厂烧制电子陶瓷窑炉使用耐火材料的性能提出了更高的要求。现有技术中通常使用刚玉-莫来石砖作为高温窑炉底部的耐火砖使用，电子陶瓷的烧成，有些产品需要气氛保护，有些产品在烧成过程中产生挥发性气体，这对窑炉耐火材料制品的使用性能均有不利影响，在高温窑炉进行电子陶瓷零部件烧结时，长时间处于高温、侵蚀环境下，且每块耐火砖上需盛放重量较重的电子陶瓷零部件，刚玉-莫来石砖的综合性能不佳，耐磨性以及高温抗折强度较差，特别是热震稳定性和蠕变不够理想，使用中易于磨损和断裂，降低了窑炉耐火材料的使用寿命，烧制的电子陶瓷零部件易受污染，严重影响电子陶瓷零部件的产品质量，增加了生产成本，制约企业经济效益的提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种烧制电子陶瓷窑炉用赛隆刚玉莫来石，采用板状刚玉和红柱石为主料，以原位形成赛隆刚玉莫来石耐火材料，具有较高的高温抗折强度和热震稳定性，耐腐蚀性能强，解决现有的耐火砖性能差，使用寿命低，在使用过程中容易受腐蚀污染电子陶瓷材料，严重影响电子陶瓷零部件的产品质量等问题。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案为：一种烧制电子陶瓷窑炉用赛隆刚玉莫来石，原始料组分及加入的重量份数为：板状刚玉45～75份、红柱石25～35份、α-Al2O3微粉3～7份、金属硅粉6～10份、铝粉1～4份、广西黏土1～3份；外加分散剂为原始料总重的0.1～0.5%；
其中，板状刚玉选用粒度3-1mm段10～20份；1-0mm段20～30份； 0-180目细粉段15～25份；
其中，红柱石的粒度为3-1mm；
其中，金属硅粉和铝粉的粒度均为0-180目；
其中，分散剂为三聚磷酸钠、六偏磷酸钠、焦磷酸钠中的一种或几种。
耐火材料的质量优劣和成本高低，在很大程度上取决于对原料的正确选择和合理使用，多相复合材料在强度、韧性等力学性能以及在抗化学侵蚀性能等方面往往都优于单相材料，其作用机制依复合相的性能以及复合结构的形式而有所不同。以Si粉、Al粉、α-Al2O3微粉为主要原料，直接合成Sialon，反应按下式进行：
在刚玉、红柱石耐火材料的基质中引入硅粉、铝粉和α-Al2O3微粉，于氮气气氛下通过反应烧结原位合成赛隆刚玉莫来石复相材料，反应过程包括金属铝粉和硅粉的氮化，分别形成AlN和Si3N4，然后进一步与Al2O3反应生成赛隆，复相材料中主晶相刚玉、莫来石颗粒构成了材料的骨架结构，原位生成的赛隆将莫来石、板状刚玉结合在一起，形成致密的结构，显著提高复相材料的热震稳定性和力学性能。
选用板状刚玉的目的是为了耐火材料具有更好的热振稳定性考虑，棕刚玉和白刚玉在氮化气氛下烧成后热震稳定性不如板状刚玉。
红柱石是一种优质耐火原料，具有优良的化学稳定性、抗渣性、抗高温蠕变性、抗热震性，红柱石随着温度升高发生相变时，先转变成硅线石中间产物，加热至1350℃时生成莫来石，随红柱石莫来石化程度增加，红柱石转化成的针状和柱状莫来石与基体接合牢固，同时柱状或针状莫来石形成的交织结构有益于热震稳定性，且红柱石的未完全莫来石化，形成莫来石潜能，当材料由于热应力或其它机械应力而发生断裂时，会出现穿晶断裂，这将提高断裂时的断裂表面能，起到桥接增韧作用，有利于复相陶瓷中各物相膨胀系数的失配而提高热震稳定性。
红柱石矿物颗粒具有热膨胀系数各向异性的特点，红柱石骨料与基质必然存在热膨胀系数失配，会造成红柱石骨料（已部分莫来石化）与基质部分均发生分离而产生了微裂纹，添加的红柱石骨料粒度越大，烧成中形成微裂纹的尺寸也越大，而微裂纹尺寸的增大，会导致材料的抗折强度和弹性模量不断降低，但较大尺寸的微裂纹在热震过程中能够起到缓释热应力，阻止裂纹扩展和新裂纹产生的作用，提高了材料的抗热震性能；故选用粒度为3-1mm的红柱石均衡考虑耐火材料的抗折强度和抗热震性能指标达到综合最优。
利用红柱石高温相变在烧成过程中直接制取莫来石纤维，红柱石能在基质中分解并形成原位生长的网络结构莫来石，可提高耐火度，还可节约大量燃料。
加入α-Al2O3微粉，一方面提高材料的流动性和致密度，另一方面其作为反应活性材料，起中间载体作用，利于提高反应速度，形成更多微晶SiAlON，增加结合强度；加快SiAlON的成核和生长，还可控制晶核长大速度，利用形成微晶结构，最后形成晶界高温相，提高材料的耐火性能。
广西黏土具有良好的塑性，有助于提高耐火砖的成型性能，从而能够显著提高产品的成品率，有助于降低成本。
金属硅粉和铝粉添加到刚玉一莫来石材料中都能形成塑性成型，且在烧成过程中铝、硅原位氧化生成氧化物填充部分气孔，有利于降低复合材料的显气孔率；氧化生成的氧化物活性大，易与基质中物质反应生成莫来石，且所生成的莫来石晶体呈针柱状，形成相互穿插、桥接和互锁，起到裂纹钉扎、偏转等作用，从而提高了材料的强度、韧性和抗热震性；由于金属硅和铝的密度较低，添加后降低了材料的体积密度。
金属硅原位与矿物的二氧化硅反应生成SiO气相产物，Al2O、SiO气相产物与氮气反应原位生成大量赛隆晶须；由于原位合成的赛隆晶须可均匀地分布在刚玉莫来石颗粒之间，极大地提高了赛隆晶须-刚玉莫来石复合陶瓷材料的性能。
金属铝粉具有较低的熔点，可在较低的烧成温度形成液相分散在坯体中，不仅有利于材料烧结，同时也有利于解决性能不均的问题。
本发明用于烧制电子陶瓷元件窑炉的赛隆刚玉莫来石，在刚玉、红柱石耐火材料的基质中引入硅粉、铝粉和α-Al2O3微粉，原位合成赛隆-刚玉莫来石复合陶瓷材料，具有稳定优异的热力学性能，抗热震性能好、烧成收缩低、机械强度高，材料成分及制备方法简单，性能成本更优。
附图：
图1、为经本发明方法制得耐火砖样品的衍射图谱。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围的限制。
采用大规格的耐火砖已成发展方向，含有铝硅合金的赛隆结合耐火材料，改善赛隆结合相和刚玉莫来石之间的结合强度，有利于增加耐火材料的抗断裂韧性，提高耐火材料的抗高温热应力破坏能力。
采用本发明主要应用于烧制电子陶瓷零部件的窑炉，窑炉的底部所采用的耐火砖材料，不能污染瓷器，不能和瓷器发生化学变化，每块耐火砖上盛放重约3-4吨的电子陶瓷零部件，按工艺要求的数量准确称量各原始料组分，混合均匀后加入高效分散剂，共混30min，使各种原料充分混合，保持均一性；压制成型，干燥后装入窑炉内烧制，窑炉内通入氮气，烧制温度1500℃以上，砖型620mm×400mm×100mm。
实施例1：本实施例中的原始料组分、粒度和重量份数如下表所示：
实施例2： 本实施例中的原始料组分、粒度和重量份数如下表所示：
实施例3：本实施例中的原始料组分、粒度和重量份数如下表所示：
将实施例1、2、3制成的耐火砖试样通过试验测得的性能指标如下表所示：
耐火砖性能指标
其中编号1#耐火砖试样经XRD分析：该样品以莫来石为主，含量50%左右；其次为刚玉，含量20%左右；X- Sialon，含量10-20%；β-Sialon，含量10%左右；碳化硅，含量小于3%。
试验结果表明，按本发明方法制得的耐火砖均可满足主要的技术指标Al2O3≥55%，Sialon≥15%，Fe2O3≤0.85%，显气孔率≤16%，体积密度≥2.56g/cm3，耐压强度≥140MPa ，高温抗折强度（1450℃×0.5h）≥29Mpa；符合工艺生产要求。
Claims (5)
1.一种烧制电子陶瓷窑炉用赛隆刚玉莫来石，其特征在于，原始料组分及加入的重量份数为：板状刚玉45～75份、红柱石25～35份、α-Al2O3微粉3～7份、金属硅粉6～10份、铝粉1～4份、广西黏土1～3份；外加分散剂为原始料总重的0.1～0.5%；在刚玉、红柱石耐火材料的基质中引入硅粉、铝粉和α-Al2O3微粉，于氮气气氛下通过反应烧结原位合成赛隆刚玉莫来石复相材料。
2. 根据权利要求1所述的一种烧制电子陶瓷窑炉用赛隆刚玉莫来石，其特征在于，板状刚玉选用粒度3-1mm段10～20份；1-0mm段20～30份； 0-180目细粉段15～25份。
3.根据权利要求1所述的一种烧制电子陶瓷窑炉用赛隆刚玉莫来石，其特征在于，红柱石的粒度为3-1mm。
4.根据权利要求1所述的一种烧制电子陶瓷窑炉用赛隆刚玉莫来石，其特征在于，金属硅粉和铝粉的粒度均为0-180目。
5.根据权利要求1所述的一种烧制电子陶瓷窑炉用赛隆刚玉莫来石，其特征在于，分散剂为三聚磷酸钠、六偏磷酸钠、焦磷酸钠中的一种或几种。
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