專利名稱：耐磨燒結(jié)型鋯剛玉復(fù)合材料及其生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種耐磨燒結(jié)型Al2O3、ZrSiO4鋯剛玉復(fù)合材料及其生產(chǎn)方法，它以Al2O3、ZrSiO4為主要原料，外加一定添加劑，通過Al2O3和ZrSiO4過量配比及高溫原位反應(yīng)，利用ZrSiO4分解產(chǎn)物ZrO4對其反應(yīng)產(chǎn)物-主晶相剛玉進(jìn)行增韌，從而獲得高耐磨鋯剛玉復(fù)合材料。
研磨體是陶瓷泥釉研磨的主要物質(zhì)。目前優(yōu)質(zhì)天然球石儲量日趨減少，開采待盡。普通天然球石的質(zhì)量已明顯不能滿足日益發(fā)展的陶瓷生產(chǎn)的需要。人造球石的價格及質(zhì)量已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。高鋁質(zhì)瓷球由于其價格過高或耐磨性差等原因直接影響了推廣使用。研制開發(fā)高耐磨、價格低廉的研磨體，是當(dāng)前陶瓷科技人員努力探求的課題之一。
本發(fā)明的目的在于提供一種耐磨燒結(jié)型Al2O3、ZrSiO4鋯剛玉復(fù)合材料及其生產(chǎn)方法，它以Al2O3、ZrSiO4為主要原料，外加一定添加劑，通過Al2O3和ZrSiO4過量配比及高溫原位反應(yīng)，利用ZrSiO4分解產(chǎn)物ZrO4對其反應(yīng)產(chǎn)物-主晶相剛玉進(jìn)行增韌，從而獲得高耐磨鋯剛玉復(fù)合材料。
該材料及其生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)是(1)生成物氧化鋯和莫來石在常溫下強(qiáng)度大、密度高；(2)生成物氧化鋯在生成晶相中彌散均勻；(3)所采用燒結(jié)法，工藝過程簡單，產(chǎn)品成本低，與高鋁耐磨材料相比本產(chǎn)品燒結(jié)溫度為1580℃，比通常95％氧化鋁耐磨材料1650℃-1680℃降低70-100℃，但其耐磨性超出95％氧化鋁材料約25％左右。
本發(fā)明所述的耐磨燒結(jié)型Al2O3、ZrSiO4鋯剛玉復(fù)合材料的配方范圍如下(重量)主要配料Al2O365-95％ZrSiO45-35％外加劑(外加)TiO20-5％ CaO 0-7％ MgO 0-4％活性SiO20-6％上述外加劑總量之和為1-6％
根據(jù)需要，還可任選地外加助劑ZrO20-7％Y2O30-4％助劑總量 3-10％本發(fā)明所述的耐磨燒結(jié)型Al2O3、ZrSiO4鋯剛玉復(fù)合材料的生產(chǎn)方法包括以下步驟(1)原料配比配方范圍如下(重量)主要原料Al2O365-95％ZrSiO45-35％外加劑原料(外加)TiO20-5％ CaO 0-7％ MgO 0-4％活性SiO20-6％上述外加劑總量之和為1-6％根據(jù)需要，還可任選地外加助劑ZrO20-7％Y2O30-4％助劑總量 3-10％(2)超細(xì)粉碎將原料進(jìn)行濕式或干式超細(xì)粉碎，粉碎粒徑＜5μm；(3)噴霧、造粒將粉料進(jìn)行壓力噴霧造粒，二次顆粒在40-80目之間，水分控制在2-8％之間；(4)半干壓或干壓成型將造粒好的粉末進(jìn)行半干壓或干壓成型，成型設(shè)備為壓機(jī)或等靜壓機(jī)，成型壓力大于40MPa，成型密度要大于2.2g/cm3；(5)修坯、干燥將成型的坯體進(jìn)行人工或自動整坯修理，干燥溫度40℃-80℃，坯體干燥水分控制在＜1％以下；(6)燒成將干燥好的坯體放入高溫推板窯中或高溫梭式窯中，升溫速度為150℃-200℃/h，燒成溫度在1550℃-1590℃之間，最高溫度保溫2-4小時，冷卻平均速度＜300℃/h；
(7)檢驗進(jìn)行成品檢驗。
由本發(fā)明獲得的產(chǎn)品的主要技術(shù)指標(biāo)如下吸水率＜0.15％密度＞3.6g/cm3硬度(HRA)＞80抗折強(qiáng)度＞200MPa斷裂韌性Kic＞8MPa·m1/2顏色為白色或米黃色α-Al2O3是Al2O3穩(wěn)定晶體之一，屬三方晶系，其結(jié)構(gòu)緊密，密度達(dá)3.96～4.01g/cm3，莫氏硬度為9，其燒制的產(chǎn)品強(qiáng)度大、硬度高，弱點(diǎn)是塑性變形能力差，耐磨性不高，利用ZrSiO4高溫分解產(chǎn)物ZrO2對其進(jìn)行增韌是提高氧化鋁陶瓷的主要途徑之一。
其反應(yīng)原理為
其特點(diǎn)是1)生成物氧化鋯和莫來石在常溫下強(qiáng)度大，密度較高。
2)所采用的燒結(jié)法，工藝過程簡單，產(chǎn)品成本低。
本發(fā)明正是基于上述原理，經(jīng)過大量試驗，找到Al2O3和ZrSiO4之間的合適的配比，從而獲得較理想的硬度和韌性，根據(jù)上述反應(yīng)可行性，我們采用超計量Al2O3，一方面過量的Al2O3生成部分剛玉晶相將保證產(chǎn)品的足夠硬度，另一方面過量的Al2O3也將減弱莫來石膨化反應(yīng)阻礙致密度增加的影響。
下面將結(jié)合具體的實施方案來對本發(fā)明作進(jìn)一步描述，這些實施例不是要對本發(fā)明進(jìn)行任何限制。
實施例11.配料范圍成分Al2O380％ZrSiO417％TiO20.4％
CaO 0.3％ 活性SiO20.3MgO 2％2.超細(xì)粉碎將配料放入濕式攪拌磨中，進(jìn)行超細(xì)粉碎，粉碎粒徑＜3μm。
3.噴霧造粒將超細(xì)粉碎料漿進(jìn)行噴霧造粒，二次顆粒過40目篩，水分為6％。
4.壓制成型在等靜壓機(jī)上，進(jìn)行φ40mm球成型，壓力150MPa。
5.修坯、干燥將坯體中間毛邊去掉、打光，干燥溫度為55℃-65℃，干燥水＜1％。
6.燒成將磨球放入高溫梭式窯中，加熱速率為170℃/小時，冷卻速率為200℃/小時，高燒成溫度為1580℃×2小時。
7.檢驗進(jìn)行產(chǎn)品檢測。
由本發(fā)明獲得的產(chǎn)品的主要技術(shù)指標(biāo)如下吸水率＜0.10％密度＞3.7g/cm3硬度(HRA)＞83抗折強(qiáng)度＞200MPa斷裂韌性Kic＞9.5MPa·m1/2顏色為白色其晶相組成為剛玉62％，鋯石13％和莫來石25％。
其相對密度和體積密度及耐磨性分別為94，3.60和0.154。
其中1、相對密度＝體積密度/理論密度×100％(以下類同)2、耐磨性＝研磨體損失重量/研磨體初始重量×100％(在拋光設(shè)備-研磨機(jī)上加載1kg的力，研磨40分鐘，加100目、200g的SiC的研磨砂平均加4次)(以下類同)。
實施例2除了采用下列成分以及在1550℃下燒結(jié)2小時以外，別的內(nèi)容同前面實施例1成分Al2O365％ZrSiO435％外加劑 MgO 2.5％，TiO20.5％，CaO 0.2％由本發(fā)明獲得的產(chǎn)品的主要技術(shù)指標(biāo)如下吸水率＜0.15％密度＞3.63g/cm3硬度(HRA)＞80抗折強(qiáng)度＞200MPa斷裂韌性Kic＞8.5MPa·m1/2顏色為米黃色其晶相組成為剛玉34％，鋯石23％和莫來石43％。
其相對密度和體積密度及耐磨性分別為92，3.39和0.205。
實施例3除了采用下列成分以及在1590℃下燒結(jié)2.5小時以外，別的內(nèi)容同前面實施例1成分Al2O390％ZrSiO410％外加劑總量為2.5％由本發(fā)明獲得的產(chǎn)品的主要技術(shù)指標(biāo)如下吸水率＜0.10％密度＞3.75g/cm3硬度(HRA)＞85抗折強(qiáng)度＞220MPa斷裂韌性Kic＞8.0MPa·m1/2顏色為白色其晶相組成為剛玉81％，鋯石6.5％和莫來石12.5％。
綜合上述3個實施例的結(jié)果可以看出隨著晶相組成的變化相對密度和體積密度及耐磨性呈現(xiàn)規(guī)律變化，其耐磨性、密度呈上升趨勢。
這說明超量的剛玉晶相組成會減弱莫來石的膨化的不利因素，適量的ZrO2體積分?jǐn)?shù)將會起到增韌作用。過高的ZrO2含量也將導(dǎo)致微裂紋的合并，降低韌化效果。超過量的剛玉晶相，即過少的ZrO2不會起到韌化作用。
通過完全的固相擴(kuò)散獲得致密產(chǎn)品對Al2O3和ZrSiO4陶瓷物料來說很困難的。若加入適當(dāng)?shù)奶砑觿?，形成玻璃相和其它液相，由于粒子在液相呂的重排和粘性流動的進(jìn)行，從而可以獲得致密產(chǎn)品并可降低燒結(jié)溫度。
下表某一Al/Zr對比實驗典型結(jié)果之一(此時氧化鋁為65％，硅酸鋯為35％)外 加 劑 量性能 0 1％ 3％ 6％耐磨性0.181 0.1330.142 0.143相對密度 82 88 89 90由上述典型數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，適量外加劑能顯著提高其致密度和耐磨性，同時也說明，鋯剛玉材料致密度單一靠增加外加劑手段并不能達(dá)到高度致密。
降低粉末粒度，增加固相反應(yīng)面積，是當(dāng)前特種陶瓷促進(jìn)燒結(jié)降低燒成溫度的重要措施，它不僅經(jīng)濟(jì)合算，同時改變產(chǎn)品性能，有利于生成細(xì)小均勻晶體，提高致密化速度及耐磨性。鋯剛玉材料由于其主要為固相反應(yīng)，粉末粒度及活性對其顯得尤為重要。實驗表明，超細(xì)粉碎將有利促進(jìn)鋯剛玉材料致密度提高，其影響程度將超過外加劑使用效果。
下表為本項目超細(xì)粉碎的使用情況(此時氧化鋁為80％，硅酸鋯為2 0％，外加劑為3％)粉料粒度 相對密度％＜5微米 88＜3微米 94＜2微米 96由于鋯剛玉材料熱處理過程中，主要分為兩部分，1370～1450℃為致密化過程。1550℃左右為莫來石膨化反應(yīng)及燒結(jié)階段，一方面進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)為膨化反應(yīng)及燒結(jié)階段，一方面進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)為膨化過程，極易生成二次氣孔，另一方面為終點(diǎn)燒結(jié)過程，二者矛盾致使終點(diǎn)燒結(jié)溫度顯得尤為重要，溫度過低反應(yīng)不能充分進(jìn)行，一次氣孔也不能排盡，溫度過高，晶體長大，二次氣孔生成都將影響其致密化程度。
結(jié)合對本發(fā)明的產(chǎn)品的X-衍射結(jié)果及電鏡圖片，可以看出，鋯英石已完全分解，生成產(chǎn)物為晶體剛玉、莫來石和斜鋯石，晶體結(jié)構(gòu)以圓?；驁A柱狀剛玉為主晶相，斜鋯石和莫來石以釘扎形式鑲嵌其中，大部分斜鋯石和莫來石呈晶界固溶。斜鋯石呈圓顆粒或群集體狀態(tài)，在斜鋯石周圍有明顯的微裂紋。斷口分析表明，ZrO2和莫來石有拔出效應(yīng)，即屬于晶間斷裂，這種斷裂方式有效的提高了該材料的強(qiáng)度及耐磨性。
根據(jù)國家建材院提供的通用磨球磨損試驗方法，我們對由本發(fā)明獲得的鋯剛玉磨球進(jìn)行了磨損試驗，磨損率為3.4％。(國家建材院提供，目前國家最好95％氧化鋁磨損率為3-4％)附試驗條件1升氧化鋁罐直徑20球20個400ml水運(yùn)轉(zhuǎn)時間24h轉(zhuǎn)速為140轉(zhuǎn)/分此外，我們在快速磨里，加入不同廠家球石，又進(jìn)行了對比實驗，實驗結(jié)果見下表某建材院95％氧化鋁2.12％唐山某廠家95％氧化鋁 1.78％本發(fā)明的鋯剛玉磨體1.42％顯然，上述實施例僅是本發(fā)明可以進(jìn)行舉例說明，它并不限制本發(fā)明保護(hù)范圍，包括磨襯、噴嘴、紡織線環(huán)等以及本發(fā)明的產(chǎn)品所特有的熱震性，在熱機(jī)上，火花塞的應(yīng)用等，均可按本發(fā)明提供的工藝方法生產(chǎn)制造，其應(yīng)用前景十分廣泛。
權(quán)利要求
1.一種耐磨燒結(jié)型Al2O3、ZrSiO4鋯剛玉復(fù)合材料，其配方范圍如下(重量)主要配料Al2O365-95％ ZrSiO45-35％外加劑(外加)TiO20-5％ CaO 0-7％ MgO 0-4％活性 SiO20-6％上述外加劑總量之和為1-6％根據(jù)需要，還可任選地外加助劑ZrO20-7％Y2O30-4％助劑總量 3-10％
2.權(quán)利要求1所述的材料，可用作磨襯、噴嘴、紡織線環(huán)以及用于熱機(jī)、火花塞上。
3.耐磨燒結(jié)型Al2O3、ZrSiO4鋯剛玉復(fù)合材料的生產(chǎn)方法，它包括以下步驟(1)原料配比配方范圍如下(重量)主要原料Al2O365-95％ZrSiO45-35％外加劑原料(外加)TiO20-5％CaO 0-7％ MgO 0-4％活性SiO20-6％上述外加劑總量之和為1-6％根據(jù)需要，還可任選地外加助劑ZrO20-7％ Y2O30-4％助劑總量 3-10％(2)超細(xì)粉碎將原料進(jìn)行濕式或干式超細(xì)粉碎，粉碎粒徑＜5μm；(3)噴霧、造粒將粉料進(jìn)行壓力噴霧造粒，二次顆粒在40-80目之間，水分控制在2-8％之間；(4)半干壓或干壓成型將造粒好的粉末進(jìn)行半干壓或干壓成型，成型設(shè)備為壓機(jī)或等靜壓機(jī)，成型壓力大于40MPa，成型密度要大于2.2g/cm3；(5)修坯、干燥將成型的坯體進(jìn)行人工或自動整坯修理，干燥溫度40℃-80℃，坯體干燥水分控制在＜1％以下；(6)燒成將干燥好的坯體放入高溫推板窯中或高溫梭式窯中，升溫速度為150℃-200℃/h，燒成溫度在1550℃-1590℃之間，最高溫度保溫2-4小時，冷卻平均速度＜300℃/h；(7)檢驗進(jìn)行成品檢驗。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種耐磨燒結(jié)型鋯剛玉復(fù)合材料及其生產(chǎn)方法，它以Al
文檔編號C04B35/106GK1162580SQ96114109
公開日1997年10月22日 申請日期1996年12月23日 優(yōu)先權(quán)日1996年12月23日
發(fā)明者王守平, 王德元, 安賀芹 申請人:唐山市燕山產(chǎn)業(yè)有限公司