低成本氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷造粒粉的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷造粒粉的制備方法，屬于陶瓷耐磨材料【技術(shù)領域】。本發(fā)明以3mol％氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯粉料、微晶氧化鋁粉料和結(jié)合劑為主要原料，以水為分散介質(zhì)，在室溫條件下球磨混料后得到均勻的混合漿體；再將混合漿體轉(zhuǎn)移到攪拌桶中，加入粘結(jié)劑，攪拌后得到混合均勻的漿液；然后漿液經(jīng)過壓力霧化或離心霧化在噴霧造粒塔中進行噴霧造粒獲得造粒粉。本發(fā)明噴霧造粒工藝和采用的設備簡單，成本低，容易實現(xiàn)自動化作業(yè)，制備的氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷造粒粉純度高，球形度好，原晶粒度細小，易于成型。
【專利說明】低成本氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷造粒粉的制備方法

【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種低成本氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷造粒粉的制備方法，屬于陶瓷耐磨 材料【技術(shù)領域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 先進陶瓷也稱高技術(shù)陶瓷、精細陶瓷、新型陶瓷、近代陶瓷、高性能陶瓷、特種陶 瓷、工程陶瓷等。先進陶瓷是在傳統(tǒng)陶瓷的基礎上發(fā)展起來的，但遠遠超出了傳統(tǒng)陶瓷的范 疇，是陶瓷發(fā)展史上一次革命性的變化。先進陶瓷按用途可分為結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷兩大 類。先進結(jié)構(gòu)陶瓷材料由于具有一系列優(yōu)異的性能，在節(jié)約能源、節(jié)約貴重金屬資源、促進 環(huán)保、提高生產(chǎn)效率、延長機器設備壽命、保證高新技術(shù)和尖端技術(shù)的實現(xiàn)方面都發(fā)揮了積 極的作用。由于先進結(jié)構(gòu)陶瓷具有耐高溫、高強度、高硬度、高耐磨、耐腐蝕和抗氧化等一系 列優(yōu)異性能，可以承受金屬材料和高分子材料難以勝任的嚴酷工作環(huán)境，已成為許多新興 科學技術(shù)得以實現(xiàn)的關(guān)鍵，有著廣泛的應用前景。
[0003] 作為一種先進結(jié)構(gòu)陶瓷，氧化鋁陶瓷是目前新材料中研究最多、應用最廣泛的一 類氧化物陶瓷。氧化鋁有許多同質(zhì)異構(gòu)體，如α、β、 Y、X、η等10多種，常見的就是 α-Α1203、β-Α1203、γ-Α1203，其余的主要是鋁土礦熱分解過程中的過渡相。
[0004] α -Α1203屬六方晶系，是氧化鋁晶型中唯一的熱力學穩(wěn)定相，也稱作剛玉，單晶 α -Α1203 的熔點達 2051°C，密度為 3. 98g/cm3。
[0005] 氧化鋁陶瓷以其高硬度耐磨蝕著稱，99氧化鋁陶瓷的硬度接近莫氏硬度9,抗折 強度在340MPa左右，斷裂韌性比較差，Klc大約在2 - 3MPa. m1/2。氧化鋁陶瓷是發(fā)展比較早、 成本較低、應用最廣的一種陶瓷材料，在航天、航空、發(fā)動機耐磨部件、刀具等方面，具有十 分誘人的應用前景。但是，由于它具有高脆性和均勻性差等致命弱點，影響了陶瓷零部件的 工作可靠性和使用安全性，因此提高氧化鋁陶瓷的韌性、提高強度對其更為廣泛的應用具 有重大意義。
[0006] 氧化鋯陶瓷是一種十分重要的結(jié)構(gòu)和功能材料。氧化鋯陶瓷具有相變增韌特性， 屬于自增韌陶瓷，具有非常好的韌性和優(yōu)良的力學性能，能彌補陶瓷材料的脆性缺陷。在 幾乎所有的陶瓷材料中，Zr02陶瓷的斷裂韌性是最高的，被譽為"陶瓷鋼";適合制作各種耐 磨、抗沖擊部件。
[0007] 常壓下純的Zr02有三種形態(tài)：單斜相（Monoclinic)、四方相（Tetragonal)和立方 相（Cubic)。根據(jù)亞穩(wěn)四方相在應力誘導下的相變增韌作用，21〇 2相變增韌陶瓷主要類型 有以下三種：1)立方相基體上彌散分布著四方相氧化鋯的雙相組織，即部分穩(wěn)定的氧化鋯 (PSZ)增韌陶瓷，如Mg-PSZ ;2)四方相氧化鋯彌散分布到其它陶瓷基體中中，即彌散四方相 氧化鋯（ZTC)增韌陶瓷，如ZTA;3)完全由四方相氧化鋯微晶組成的四方多晶氧化鋯（TZP) 增韌陶瓷，如Y-TZP。
[0008] 有學者的實驗室研究表明：完全由四方相氧化鋯微晶組成的四方多晶氧化鋯 (TZP)增韌陶瓷，如3m〇l%氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯陶瓷即Y-TZP是目前力學性能最好的陶瓷 材料。它的斷裂強度可達到2000MPa，斷裂韌性達到20MPa ·πι1/2 ;硬度HRc達到88。它本身 還可以作為增韌劑添加到其它體系的陶瓷中來改善其脆性；最成功的例子就是氧化鋯增韌 氧化鋁陶瓷即ZTA陶瓷。
[0009] ZTA陶瓷最常用的制備方法就是化學共沉淀法。具體過程如下：
[0010] (1)用含有鋯、釔、鋁三種離子的鹽類在嚴格控制酸堿度以及溫度的條件下化學共 沉淀先得到三種離子的氫氧化物；
[0011] ⑵烘干、煅燒；
[0012] (3)球磨分散成漿體；
[0013] (4)噴霧造粒成類似球狀的細小顆粒；
[0014] 上述制備過程是目前ZTA陶瓷造粒粉典型的制備方法，存在如下缺點：
[0015] (1)生產(chǎn)成本高，所用原料都是試劑級的；
[0016] ⑵環(huán)境有污染，廢水問題；
[0017] (3)工藝過程復雜，不易于批量化生產(chǎn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0018] 本發(fā)明的目的是提供一種低成本氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷造粒粉的制備方法，其工 藝和設備簡單、成本低、無污染，易于批量化生產(chǎn)，本發(fā)明制備的氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷造 粒粉純度高、球形度好、原晶粒度細小、好成型、易于燒結(jié)。
[0019] 本發(fā)明所述的低成本氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷造粒粉的制備方法，具體步驟如下：
[0020] (1)以3mol %氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯粉料、微晶氧化鋁粉料和結(jié)合劑為主要原料， 以水為分散介質(zhì)，在室溫條件下球磨混料得到均勻的混合漿體；
[0021] (2)將步驟（1)中得到的混合漿體轉(zhuǎn)移到攪拌桶中，加入粘結(jié)劑，攪拌后得到混合 均勻的漿液；
[0022] (3)將步驟（2)中得到的漿液經(jīng)過壓力霧化或離心霧化在噴霧造粒塔中進行噴霧 造粒獲得氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷造粒粉。
[0023] 所述3mol %氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯粉料，粒度為D90小于0. 5微米。
[0024] 所述微晶氧化鋁粉料的粒度為D90小于2. 0微米。
[0025] 3mol%氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯粉料與微晶氧化鋁粉料的質(zhì)量比為20-40 :80_60。
[0026] 所述結(jié)合劑為氧化鎂、碳酸鎂、硝酸鎂或鎂鋁尖晶石中的一種或多種，其用量占粉 料總質(zhì)量的〇. 75-1. 5%。優(yōu)選硝酸鎂和碳酸鎂的混合物，兩者的質(zhì)量比為1:1-1:5。
[0027] 步驟⑴中粉料與去離子水的質(zhì)量比為1:1-1:1. 5,球磨混料1-5小時。
[0028] 步驟（2)中粘結(jié)劑為聚乙烯醇和/或羧甲基纖維素 ，加 入量占 粉料總質(zhì)量的 0. 1-0. 5%，攪拌 1-2 小時。
[0029] 步驟（3)中噴霧造粒塔的進風口溫度為290_330°C，出風口溫度為80-1KTC。
[0030] 本發(fā)明中所述的粉料總質(zhì)量是指：3mol%氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯粉料與微晶氧化鋁 粉料的總質(zhì)量。
[0031] 本發(fā)明所述的噴霧造粒使料漿中的固體物質(zhì)干燥成形狀規(guī)則的球狀粉粒，可有效 改善粉料的流動性，提高生坯的相對密度。應用噴霧造粒工藝還可以避免Zr0 2/Al203料漿 中各組分的再團聚和沉降分離，保持了料漿原有的均勻性，保持Zr0 2在基體中均勻分布和 基體均勻細致的顯微結(jié)構(gòu)，最大發(fā)揮相變增韌的作用。
[0032] 由于氧化鋁和氧化鋯具有良好的化學與物理相容性，加入后極大地改善了氧化鋁 的力學性能，使其抗折強度、斷裂韌性、強度等有了較為顯著的提高。
[0033] 本發(fā)明中所使用的物質(zhì)均為市售產(chǎn)品。
[0034] 本發(fā)明具有以下有益效果：
[0035] (1)本發(fā)明噴霧造粒工藝和采用的設備簡單、成本低，容易實現(xiàn)自動化作業(yè)；
[0036] (2)本發(fā)明制備的氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷造粒粉純度高，球形度好，原晶粒度細 小，易于成型；
[0037] (3)以本發(fā)明制備的陶瓷造粒粉為原料制得的氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷性能優(yōu)異， 耐磨性極好。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0038] 圖1是3mol %氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯掃描照片；
[0039] 圖2是微晶氧化鋁粉料的掃描照片；
[0040] 圖3是實施例1氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷造粒粉的掃描電鏡照片。

【具體實施方式】
[0041] 下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步描述，但其并不限制本發(fā)明的實施。
[0042] 實施例1
[0043] 本發(fā)明所述氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷造粒粉的制備方法，具體步驟如下：
[0044] (1)以3mol %氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯粉料（D90小于0. 5微米）、微晶氧化鋁粉料 (D90小于2. 0微米）和結(jié)合劑（硝酸鎂與碳酸鎂的混合物，兩者質(zhì)量比例為1 :1)為主要 原料，以去離子水為分散介質(zhì)，在室溫條件下球磨混料3小時得到均勻的混合漿體；其中， 3mol%氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯粉料與微晶氧化鋁粉料的質(zhì)量比為30 :70,結(jié)合劑用量占粉料 總質(zhì)量的1. 〇%，粉料與去離子水的質(zhì)量比為1 :1 ;
[0045] (2)將步驟⑴中得到的混合漿體轉(zhuǎn)移到攪拌桶中，加入粘結(jié)劑，攪拌1小時后得 到混合均勻的漿液；粘結(jié)劑為聚乙烯醇，加入量占粉料總質(zhì)量的0. 5% ;
[0046] (3)將步驟（2)中得到的漿液經(jīng)過壓力霧化或離心霧化在噴霧造粒塔中進行噴霧 造粒獲得氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷造粒粉，噴霧造粒塔的進風口溫度為320°C，出風口溫度為 90。。。
[0047] 配料后按上述步驟制備造粒粉，燒成后的陶瓷經(jīng)測定得抗折強度為828. 13MPa，斷 裂韌性為 9. 16MPa · m1/2。
[0048] 實施例2
[0049] 如實施例1，所不同的是：3mo 1 %氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯粉料與微晶氧化鋁粉料的 質(zhì)量比為25 :75,結(jié)合劑用量占粉料總質(zhì)量的1. 5%，粘結(jié)劑為羧甲基纖維素，其加入量占 粉料總質(zhì)量的〇. 2%，球磨混料2小時，攪拌2小時，噴霧造粒塔的進風口溫度為300°C，出 風口溫度為80°C ;燒成后的陶瓷測得抗折強度為810. 31MPa，斷裂韌性為8. 96MPa · m1/2。
[0050] 實施例3
[0051] 如實施例1，所不同的是：3mol %氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯粉料與微晶氧化鋁粉料的 質(zhì)量比為20 :80,結(jié)合劑用量占粉料總質(zhì)量的0. 75%，粘結(jié)劑（聚乙烯醇、羧甲基纖維素兩 者質(zhì)量比為1:1)加入量占粉料總質(zhì)量的〇. 1 %，球磨混料5小時，攪拌1小時，噴霧造粒塔 的進風口溫度為300°C，出風口溫度為90°C ;燒成后的陶瓷測得抗折強度為807. 65MPa，斷 裂韌性為 7. 87MPa · m1/2。
[0052] 實施例4
[0053] 如實施例1，所不同的是：3mol%氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯粉料與微晶氧化鋁粉料 (D90小于1. 8微米）的質(zhì)量比為35 :65,結(jié)合劑用量占粉料總質(zhì)量的1. 2%，粘結(jié)劑加入量 占粉料總質(zhì)量的〇. 3%，球磨混料1小時，攪拌2小時，噴霧造粒塔的進風口溫度為290°C， 出風口溫度為85°C ;燒成后的陶瓷測得抗折強度為880. 77MPa，斷裂韌性為9. 37MPa · m1/2。
[0054] 實施例5
[0055] 如實施例1，所不同的是：3mol%氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯粉料與微晶氧化鋁粉料 (D90小于1. 8微米）的質(zhì)量比為40 :60,結(jié)合劑用量占粉料總質(zhì)量的1. 5%，粘結(jié)劑加入量 占粉料總質(zhì)量的〇. 4%，球磨混料5小時，攪拌2小時，噴霧造粒塔的進風口溫度為320°C， 出風口溫度為90°C ;燒成后的陶瓷測得抗折強度為905. 33MPa，斷裂韌性為9. 67MPa · m1/2。
[0056] 實施例6
[0057] 如實施例1，所不同的是：微晶氧化鋁粉料，D90小于1. 2微米，燒成后的陶瓷測得 抗折強度為942. 50MPa，斷裂韌性為9. 79MPa · m1/2。
[0058] 實施例7
[0059] 如實施例1，所不同的是：微晶氧化鋁粉料，D90小于0. 9微米，燒成后的陶瓷測得 抗折強度為963. 09MPa，斷裂韌性為9. 81MPa · m1/2。
[0060] 實施例8
[0061] 如實施例1，所不同的是：3mol%氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯粉料D90變?yōu)樾∮?.4微 米，燒成后的陶瓷測得抗折強度為854. 02MPa，斷裂韌性為9. 25MPa · m1/2。
[0062] 實施例9
[0063] 如實施例1，所不同的是：3mol%氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯粉料D90變?yōu)樾∮?. 3微 米，燒成后的陶瓷測得抗折強度為879. 63MPa，斷裂韌性為9. 35MPa · m1/2。
[0064] 實施例10
[0065] 如實施例1，所不同的是：步驟（1)中硝酸鎂與碳酸鎂的質(zhì)量比變?yōu)? :2,燒成后 的陶瓷測得抗折強度為830. 22MPa，斷裂韌性為9. 18MPa · m1/2。
[0066] 實施例11
[0067] 如實施例1，所不同的是：步驟（1)中硝酸鎂與碳酸鎂的質(zhì)量比變?yōu)? :3,燒成后 的陶瓷測得抗折強度為839. 21MPa，斷裂韌性為9. 20MPa · m1/2。
[0068] 實施例12
[0069] 如實施例1，所不同的是：步驟（1)中硝酸鎂與碳酸鎂的質(zhì)量比變?yōu)? :4,燒成后 的陶瓷測得抗折強度為841. 18MPa，斷裂韌性為9. 23MPa · m1/2。
[0070] 實施例13
[0071] 如實施例1，所不同的是：步驟（1)中粉料與去離子水的質(zhì)量比變?yōu)? :1. 1，燒成 后的陶瓷測得抗折強度為829. 07MPa，斷裂韌性為9. 17MPa · m1/2。
[0072] 實施例14
[0073] 如實施例1，所不同的是：步驟（1)中粉料與去離子水的質(zhì)量比變?yōu)? :1. 3,燒成 后的陶瓷測得抗折強度為832. 94MPa，斷裂韌性為9. 21MPa · m1/2。
[0074] 實施例15
[0075] 如實施例1，所不同的是：步驟（1)中粉料與去離子水的質(zhì)量比變?yōu)? :1. 5,燒成 后的陶瓷測得抗折強度為840. 06MPa，斷裂韌性為9. 24MPa · m1/2。
【權(quán)利要求】
1. 一種低成本氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷造粒粉的制備方法，其特征在于包括以下步驟： (1) 以3mol %氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯粉料、微晶氧化鋁粉料和結(jié)合劑為主要原料，以水 為分散介質(zhì)，在室溫條件下球磨混料得到均勻的混合漿體； (2) 將步驟（1)中得到的混合漿體轉(zhuǎn)移到攪拌桶中，加入粘結(jié)劑，攪拌后得到混合均勻 的漿液； (3) 將步驟（2)中得到的漿液經(jīng)過壓力霧化或離心霧化在噴霧造粒塔中進行噴霧造粒 獲得氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷造粒粉。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：3mol %氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯粉料粒 度為D90小于0.5微米。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：微晶氧化鋁粉料粒度為D90小于2. 0 微米。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的制備方法，其特征在于：3mol %氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯粉 料與微晶氧化鋁粉料的質(zhì)量比為20-40 :80-60。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：結(jié)合劑為氧化鎂、碳酸鎂、硝酸鎂或 鎂鋁尖晶石中的一種或多種，其用量占粉料總質(zhì)量的〇. 75-1. 5%。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于：結(jié)合劑為硝酸鎂和碳酸鎂的混合物， 兩者的質(zhì)量比為
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：步驟（1)中粉料與去離子水的質(zhì)量 比為1:1-1:1. 5,球磨混料1-5小時。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：步驟（2)中粘結(jié)劑為聚乙烯醇和/或 羧甲基纖維素，加入量占步驟（1)中粉料總質(zhì)量的〇. 1-0. 5%，攪拌1-2小時。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：步驟（3)中噴霧造粒塔的進風口溫 度為290-330°C，出風口溫度為80-1KTC。
【文檔編號】C04B35/10GK104193307SQ201410416306
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月22日
【發(fā)明者】侯憲欽, 王光強, 陳杰, 劉學燕 申請人:淄博市周村磊寶耐火材料有限公司