CN115745598A - 一种钛酸铝陶瓷升液管的制作工艺 - Google Patents
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Abstract
一种钛酸铝陶瓷升液管的制作工艺，属于陶瓷材料的制备方法，通过选取铝矾土、煅烧氧化铝、二氧化钛以及矿化剂为原材料；然后铝矾土进行预处理制成铝矾土精粉并进行标记并分装；再将铝矾土精粉和其他辅助试剂进行配料；然后将配料加入搅拌磨中制成陶瓷浆料；将陶瓷浆料进行干燥制成陶瓷粉料；将陶瓷粉料进行均化，然后在静压模具内静置；最后将坯坯体进行烧结。其结果是钛酸铝晶体发育完好，晶粒尺寸较大，赶上国外超细粉末制品，使得成品的抗热震性能好，使用寿命长。
Description
技术领域
本发明属于陶瓷材料的制备方法，特别涉及制备钛酸铝陶瓷升液管的制备方法。
背景技术
钛酸铝陶瓷升液管是用于低压铸造机上制造铝合金制品(特别是汽车、摩托车用部件)的关键部件。铸造生产时，钛酸铝陶瓷升液管直接与铝合金溶液接触(温度700℃左右)，每隔3-5分钟钛酸铝陶瓷升液管给模具腔内加一次铝溶液，针对钛酸铝陶瓷升液管苛刻的应用环境以及连续化、自动化生产的需要，低压铸造机对钛酸铝陶瓷升液管的质量和性能要求非常严格。要求其不仅具有耐高温、耐铝合金等金属溶液的侵蚀，而且要具有优异的抗热冲击疲劳性能，即在使用过程中不掉渣、不炸裂、使用寿命长等。
传统的用于低压铸造升液管的材质有铸铁升液管、不锈钢升液管、石英陶瓷升液管等。其中，铸铁、不锈钢陶瓷升液管耐铝液腐蚀性差，在使用时易给铝液引入铁杂质而使铝铸件质量下降，并且使用寿命不超过两天；石英陶瓷升液管的使用寿命虽比铸铁和不锈钢升液管寿命长，但由于存在结晶、还原等问题，其寿命也只有十几天，导致频繁更换升液管，影响生产的连续化和自动化，因而无形中增加了运行及生产成本。
随着高科技的发展，国外高性能的陶瓷升液管都转向了钛酸铝陶瓷升液管，该种材质的陶瓷升液管不仅具有与铝熔液不浸润、不发生反应等优点；而且与石英陶瓷升液管相比，具有强度高、抗热震能力强，在使用过程中不掉渣、使用寿命长等突出特点，可大幅度提高铸件的质量。中国专利公开了《一种低膨胀钛酸铝陶瓷导液管的制备方法》(公开号CN101117287)，首先合成钛酸铝陶瓷，制成粉体后，进行注凝成型，最后烧成制得，钛酸铝陶瓷的合成原料的重量百分组成为：三氧化二铝37.18～53.1％、氧化钛32.82～46.9％和添加剂0～30％；其中，添加剂的重量组成为：莫来石0～30％、镁铝尖晶石0～30％、堇青石0～40％和碱式碳酸镁0～100％。
该技术的实际应用过程中为了达到较好的效果，本领域的技术人员一般会采用高纯超细的氧化铝粉作为原料，如某公司的官网宣传册所述的高纯超细的氧化铝粉应用于电子工业中用作生产高频瓷、陶瓷基片、透明陶瓷、生物机械瓷、高硬度器件、人造宝石、三基荧光粉和钠灯管灯制品的主要原料；这种原材料价格昂贵，本申请人使用这种原料制造升液管在市场上没有任何价格优势。申请人为了赢得市场上的价格优势，积极寻找可替代原材料，然后不断的改良工艺；其中申请人在黑色金属低压铸造的升液管领域中得到启示，该领域其中公开号为CN1039984A的公开文件提供一种技术方案，其结构特点是以钢管为承重和防止气体泄漏的骨架，钢管内外浇灌高铝矾土耐火材料。申请人发现作为耐火材料的的铝矾土中氧化铝含量大于78％，且二氧化硅含量较低；其中还含有少量的氧化铁，氧华钛，以及微量的稀土元素，这些都有助于钛酸铝陶瓷的低温合成。申请人克服了现有技术中将高铝矾土作为耐火材料的技术偏见，将其用作制备陶瓷粉末的原料来实现申请人在升液管市场上的价格优势。
发明内容
本发明的目的是针对现有制作升液管原材料昂贵的问题，克服技术偏见采用了一种作为耐火材料的廉价铝矾土来作为升液管的原料，且采用该原料后可以进行低温铸造。
为实现上述技术目的，现采用如下技术方案：一种钛酸铝陶瓷升液管的制作工艺，其特征在于，包括以下步骤：
a，选取原材料；选取铝矾土、煅烧氧化铝、二氧化钛以及矿化剂为原材料；
b，将步骤a中的铝矾土进行预处理；包括筛选，破碎，干磨，湿法球磨等处理后制成铝矾土精粉并进行标记并分装；
c，将步骤b中的铝矾土精粉、步骤a中的剩余原材料、和其他辅助试剂进行配料；
d，将步骤c中的配料加入搅拌磨中制成陶瓷浆料；
e，将步骤d中的陶瓷浆料进行干燥制成陶瓷粉料；
f，将步骤e中的陶瓷粉料进行均化，然后在静压模具内静置；
g，将步骤f中静压磨具内的坯体进行烧结。
在可实施方式中，步骤b中铝矾土的筛选步骤b1为：除去杂质含量高的，和氧化铝含量低的原矿石。
在可实施方式中，经步骤b1后的铝矾土原矿石进行破碎步骤b2和干磨步骤b3，得到60目以下的铝矾土粉。
在可实施方式中，经步骤b3后的铝矾土粉进行步骤b4：分析并标记各元素含量；然后进入步骤b5将铝矾土粉进行分装。
在可实施方式中，经步骤b5后根据需要选取已经分装好的铝矾土粉进行步骤b6：对铝矾土粉进行湿法球磨，得到粒径小于5μm的铝矿土浆料。
在可实施方式中，经步骤b6后进行步骤b7：对铝矿土浆料进行喷雾干燥，制成具有高反应活性的铝矾土精粉；然后进行步骤b8：对铝矾土精粉进行分析并标记各元素含量；然后进入步骤b9对铝矾土精粉进行分装。
在可实施方式中，步骤a中的矿化剂包括高岭土，碱式碳酸镁，碳酸钡，以及氧化钇等稀土元素中的一种或多种。
在可实施方式中，步骤c中的辅助试剂包括分散剂、粘结剂；其中分散剂为聚丙烯酸铵9300，粘结剂为PVA。
在可实施方式中，步骤c中的配料加入分散介质水后进入步骤d。
在可实施方式中，步骤d中采用球磨，研磨的时间为4H。
在本技术方案中，步骤e中的陶瓷浆料需要经过陈腐，脱泡24H。
进一步的，干燥采用设备喷雾干燥塔进行喷雾干燥。
进一步的，干燥后的粒度为30目至100目之间，其中水分控制在1％以下。
上述步骤e得到的陶瓷粉末比现有技术的40目至120目，含水量＜2％的粉料有明显的提升。
在本技术方案中，步骤f中，陶瓷粉料需要经过48H的陈腐，才能使用V型均化器均化。
进一步的，在向V型均化器添加陶瓷粉末的过程中，同时添加微量成型剂以保证生坯成型和后续加工。
进一步的，陶瓷粉料在V型均化器中的均化10分钟，然后再分装分别放入静压模具内静置，本技术方案优先选取等静压模具。
进一步的，进入等静压模具内的生坯用密封袋进行密封，然后放入等静压机内；等静压机加压至300MPa，然后对密封的坯体进行保压120m，缓慢卸压，取出成型好的生坯，然后再将生坯放入50℃的烘房内烘干，同时生坯缓慢释放应力，再静置5天到7天后可以在机加工设备机床上根据需要进行加工。
本技术方案中，上述步骤f中加工成型的生坯进入步骤g，为了使得生坯能很好的形成钛酸铝陶瓷升液管，烧结炉开始的时候以40℃/H的速度缓慢升温，当烧结炉内的温度升到200℃-400℃的时候，将升温速度放慢，在此过程中生坯能进行很好的排胶；排完胶之后调整烧结炉以60℃/H的速度升温，当烧结炉内的温度达到1350℃后，保温5H。然后关闭电源，自然冷却至常温。
相比现有技术中需要将烧结炉以3℃·min-1的升温速率升温至550℃，保温30min，然后以5℃·min-1的升温速率升温至1400℃，保温4H，最后再以2℃·min-1升温至嘴周烧结温度1460℃，在最终烧结温度下保温5-8H。
还有1000℃以下升温速率为3℃/min-8℃/min，其中在600℃保温2H，1000℃以上升温速率为2℃/min-5℃/min，达到最高烧成温度后保温3-5H.
本技术方案的升温速率较慢，且第一保温阶段的温度也低于现有技术，甚至最终的烧结温度也比现有技术低。
本发明相比现有技术具有以下有益效果：采用在防火技术领域中的耐火材料铝矾土作为制备钛酸铝陶瓷升液管的原料，克服了现有技术中需要将各个昂贵的单一原材料添加的技术偏见。因为作为廉价的耐火材料铝矾土中含有制备钛酸铝陶瓷升液管所需要的氧化铝、二氧化硅、氧化硅、氧化钛、微量稀土元素，只需要挑选合格的铝矾土进行研磨就能得到制备钛酸铝陶瓷升液管的原料，取消了现有技术中多个单一原材料需要搅拌的步骤。
且采用铝矾土作为原材料后，经等静压模具静压后，烧结时的温度比现有技术低100℃左右，也降低了成本。
上述成本的降低为大面积替代碳氮升液管提供了技术支撑和成本支撑，为铝低压压铸制成成品升级换代提供了廉价可行的替代方案。
采用申请人的原材料，并且采用低温烧结技术，钛酸铝升液管内碳酸铝合物含量大于90％，这比现有国外单一化合物混合烧结而成的钛酸铝合物含量在80％-85％的钛酸铝升液管具有明显的提高，而且如图1所示的本申请的晶体尺寸与如图2和图3所示的国外超细粉制成的晶体尺寸接近，比如图3所示的国内其他厂商制成的晶体尺寸更大。因为目前国内钛酸铝升液管普遍采用合成钛酸铝粉+烧结助剂的工艺路线，其结果是钛酸铝晶体发育不完全，晶粒尺寸偏小，导致成品的抗热震性能差，使用寿命短。
烧结温度的降低，使得产品的成品率可控性大幅提高，现在申请人能做到95％以上的成品率，这些成品在烧结完成后也并不会出现因为高温烧结而产生产品裂开，弯曲变形，收缩坍塌等问题，不需要进一步进行打磨等精加工。
附图说明
图1为本申请钛酸铝升液管的晶体尺寸图；
图2为美国企业钛酸铝升液管的晶体尺寸图；
图3为保加利亚企业钛酸铝升液管的晶体尺寸图；
图4为国内其他厂商钛酸铝升液管的晶体尺寸图；
具体实施方式
一种钛酸铝陶瓷升液管的制作工艺，包括以下步骤：
a，选取原材料；选取铝矾土、煅烧氧化铝、二氧化钛以及矿化剂为原材料；
b，将步骤a中的铝矾土进行预处理；包括筛选，破碎，干磨，湿法球磨等处理后制成铝矾土精粉并进行标记并分装；
c，将步骤b中的铝矾土精粉、步骤a中的剩余原材料、和其他辅助试剂进行配料；
d，将步骤c中的配料加入搅拌磨中制成陶瓷浆料；
e，将步骤d中的陶瓷浆料进行干燥制成陶瓷粉料；
f，将步骤e中的陶瓷粉料进行均化，然后在静压模具内静置；
g，将步骤f中静压磨具内的坯体进行烧结。
步骤a中原材料的选取，实施例一的配方，铝矾土35-45份，煅烧氧化铝35-55份，二氧化钛80-120份，矿化剂10-15份，其中矿化剂中包含氧化钇、高岭土、钛酸钡等，分散剂1份，粘结剂PVA3份，上述按干粉计算，配10％的溶液，其中水需要150-200份。
实施例二的配方，铝矾土10-15份，煅烧氧化铝50-75份，二氧化钛60-100份，矿化剂10-15份，其中矿化剂中包含氧化铁、氧化钇、高岭土、钛酸钡、氧化锌等，分散剂1份，粘结剂PVA3份，上述按干粉计算，配10％的溶液，其中水需要150-200份。
步骤b为对铝矾土进行预处理，包括筛选步骤b1：除去杂质含量高的，和氧化铝含量低的原矿石。
其中铝矾土需要进行人工挑选，选择以水硬铝石为主要结构的，就是氧化铝含量大于78％的铝矾土，其中二氧化硅的含量要少，其中还含有少量的氧化铁、氧化钛，以及微量的稀土元素，这种铝矾土的选择需要有经验的工人进行挑选。
煅烧氧化铝采用煅烧微晶氧化铝粉，要求煅烧温度低于1300℃，阿尔法相含量不低于90％，原晶粒度低于500纳米，烧后粉碎的D50控制在1μm-1.5μm。
二氧化钛采用化学沉淀法生产的锐钛矿型的钛白粉，其原晶粒度在500纳米以内，团聚尺寸不大于3μm。
其他烧结助剂如化学纯的高岭土，碱式碳酸镁，碳酸钡，以及氧化钇等稀土元素采用粒度2μm以下的。
还包括铝矾土原矿石进行破碎步骤b2和干磨步骤b3；该阶段得到60目以下的铝矾土粉。
将上述铝矾土粉进行标记步骤b4，分析并标记各元素含量。然后再进行分装步骤b5，将铝矾土粉进行分装。
湿法球磨步骤b6：选取步骤b5中的其中一袋铝矾土粉进行湿法球磨，得到粒径小于5μm的铝土矿浆料。
然后进行干燥步骤b7，对铝矿土浆料进行喷雾干燥，制成具有高反应活性的铝矾土精粉；然后进行步骤b8：对铝矾土精粉进行分析并标记各元素含量；然后进入步骤b9对铝矾土精粉进行分装。
步骤b完成后开始制备钛酸铝升液管，进入步骤c，取出一袋步骤b完成后的铝矾土精粉，加入步骤a中的矿化剂和其他辅助试剂进行配料。其中步骤c中的辅助试剂包括分散剂、粘结剂；其中分散剂为聚丙烯酸铵9300，粘结剂为PVA。
步骤c中的配料加入分散介质水后进入步骤d。其中步骤d中采用球磨，研磨的时间为4H，制成均匀的陶瓷浆料。
然后进步喷雾造粒阶段
陶瓷浆料进入步骤e：对陶瓷浆料进行陈腐，脱泡24H。然后采用喷雾干燥塔进行喷雾干燥。最后得到粒度为30目至100目之间，其中水分控制在1％以下的颗粒。
然后再进入静压成型阶段
进入步骤f，陶瓷粉料经过48H的陈腐，然后使用V型均化器均化。其中在向V型均化器添加陶瓷粉末的过程中，同时添加微量成型剂以保证生坯成型和后续加工。陶瓷粉料在V型均化器中的均化10分钟，然后再分装分别放入静压模具内静置，本技术方案优先选取等静压模具。
将进入等静压模具内的生坯用密封袋进行密封，然后放入等静压机内；等静压机加压至300MPa，然后对密封的坯体进行保压120m，缓慢卸压，取出成型好的生坯，然后再将生坯放入50℃的烘房内烘干，同时生坯缓慢释放应力，再静置5天到7天后可以在机加工设备机床上根据需要进行加工。
最后进入烧结阶段
本实施例中，上述步骤f中加工成型的生坯进入步骤g，为了使得生坯能很好的形成钛酸铝陶瓷升液管，烧结炉开始的时候以40℃/H的速度缓慢升温，当烧结炉内的温度升到200℃-400℃的时候，将升温速度放慢，在此过程中生坯能进行很好的排胶；排完胶之后调整烧结炉以60℃/H的速度升温，当烧结炉内的温度达到1350℃后，保温5H。然后关闭电源，自然冷却至常温。
Claims (10)
1.一种钛酸铝陶瓷升液管的制作工艺，其特征在于，包括以下步骤：
a，选取原材料；选取铝矾土、煅烧氧化铝、二氧化钛以及矿化剂为原材料；
b，将步骤a中的铝矾土进行预处理；包括筛选，破碎，干磨，湿法球磨等处理后制成铝矾土精粉并进行标记并分装；
c，将步骤b中的铝矾土精粉、步骤a中的剩余原材料、和其他辅助试剂进行配料；
d，将步骤c中的配料加入搅拌磨中制成陶瓷浆料；
e，将步骤d中的陶瓷浆料进行干燥制成陶瓷粉料；
f，将步骤e中的陶瓷粉料进行均化，然后在静压模具内静置；
g，将步骤f中静压磨具内的坯体进行烧结。
2.根据权利要求1所述的一种钛酸铝陶瓷升液管的制作工艺，其特征在于，步骤b中铝矾土的筛选步骤b1为：除去杂质含量高的，和氧化铝含量低的原矿石。
3.根据权利要求2所述的一种钛酸铝陶瓷升液管的制作工艺，其特征在于，经步骤b1后的铝矾土原矿石进行破碎步骤b2和干磨步骤b3，得到60目以下的铝矾土粉。
4.根据权利要求3所述的一种钛酸铝陶瓷升液管的制作工艺，其特征在于，经步骤b3后的铝矾土粉进行步骤b4：分析并标记各元素含量；然后进入步骤b5将铝矾土粉进行分装。
5.根据权利要求4所述的一种钛酸铝陶瓷升液管的制作工艺，其特征在于，经步骤b5后根据需要选取已经分装好的铝矾土粉进行步骤b6：对铝矾土粉进行湿法球磨，得到粒径小于5μm的铝矿土浆料。
6.根据权利要求5所述的一种钛酸铝陶瓷升液管的制作工艺，其特征在于，经步骤b6后进行步骤b7：对铝矿土浆料进行喷雾干燥，制成具有高反应活性的铝矾土精粉；然后进行步骤b8：对铝矾土精粉进行分析并标记各元素含量；然后进入步骤b9对铝矾土精粉进行分装。
7.根据权利要求5所述的一种钛酸铝陶瓷升液管的制作工艺，其特征在于，步骤a中的矿化剂包括高岭土，碱式碳酸镁，碳酸钡，以及氧化钇等稀土元素中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的一种钛酸铝陶瓷升液管的制作工艺，其特征在于，步骤c中的辅助试剂包括分散剂、粘结剂；其中分散剂为聚丙烯酸铵9300，粘结剂为PVA。
9.根据权利要求8所述的一种钛酸铝陶瓷升液管的制作工艺，其特征在于，步骤c中的配料加入分散介质水后进入步骤d。
10.根据权利要求1或9所述的一种钛酸铝陶瓷升液管的制作工艺，其特征在于，步骤d中采用球磨，研磨的时间为4H。
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2022
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