一种LaMgAl₁₁O₁₉-ZrO₂-Al₂O₃复相耐磨陶瓷材料的制作方法

专利名称：一种LaMgAl₁₁O₁₉-ZrO₂-Al₂O₃复相耐磨陶瓷材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种通过添加LaMgAl11O19片状晶材料和ZrO2制备LaMgAl11O19-ZrO2-Al2O3复相耐磨陶瓷材料,属于特种陶瓷及高温复合材料技术领域。
背景技术：
磨损是材料破坏的主要形式之一，在现代工业生产中，严重影响工业仪器及器件的使用寿命和使用性能。磨损介质主要分为气液固三相，在生产中，磨损介质以多相存在，主要是气液两相共存和气固两相共存的冲蚀磨损和气液固三相共存的磨粒磨损。冲蚀磨损和磨粒磨损是磨损的主要破坏形式。广泛存在于工业生产中，例如石油化工厂烟气发电设备中，高温烟气夹带的破碎催化剂粉粒对回收过热气流能量的涡轮机叶片和相关过流件等会造成严重的冲蚀磨损；磨料对煤矿机械中的刮板输送机溜槽造成磨粒磨损；水流带动沙 粒对水力发电机叶轮及齿轮等零件的磨损等。此类磨损对机械零件造成严重破坏，使材料性能降低，寿命降低，需要经常进行短期维护，给企业造成严重的经济损失，同时影响人民的正常生活。磨损在工业生产中受关注以来，以Ni-Gr为基的高温合金中添加W、Co、Mo等元素为主的合金材料，主要用来作为耐磨材料来解决工业中磨损破坏，由于合金材料的生产成本较高，陶瓷材料以其优异的性能以及较低的生产成本，逐渐代替了合金材料，作为新一代的耐磨材料出现在工业仪器及零件中。目前研究最多的耐磨材料主要是Al2O3基复相陶瓷材料和ZrO2基复相陶瓷材料，Al2O3基和ZrO2基复相陶瓷材料在力学性能上有一定的提高，可以作为一般耐磨材料来应用，但对于耐磨性能要求较高的仪器及器件，Al2O3基和ZrO2基复相陶瓷材料不能满足要求。因此，本研究在Al2O3基和ZrO2基复相陶瓷材料基础上，利用复合陶瓷的工艺原理和合成思想，加入了 LaMgAl11O19片状晶材料，制得LaMgAl11O19-ZrO2-Al2O3复相耐磨陶瓷材料，获得较大的断裂韧性和抗折强度，以代替一些耐磨损器件，作为一种新型耐磨损材料。

发明内容
本发明的主要目的是针对现代耐磨损材料成本高，耐磨损性能较差等缺点以及Al2O3基和ZrO2基复相陶瓷材料磨损性能差、强度低、韧性差等问题，提出一种LaMgAl11O19-ZrO2-Al2O3复相耐磨陶瓷材料。本发明以自制的ZrO2和LaMgAl11O19为原料。通过控制Zr02和LaMgAl 11019的添加量，使其均匀的分布在Al2O3基体中，并通过控制适当的烧结温度使材料获得较高的断裂韧性，进一步提高材料的耐磨损性能。本发明提出一种LaMgAl11O19-ZrO2-Al2O3复相耐磨陶瓷材料。其特征在于将ZrO2粉体与Al2O3粉体按照氧化锆的加入量为2vol. % 30vol. %进行配料，再将LaMgAl11O19粉体与Zr02、Al2O3混合粉体按LaMgAl11O19的加入量2vol. % 50vol. %进行配料，后采用球磨湿法置于行星式球磨机中球磨6-24h，混合后经旋转蒸发仪90°C蒸发，置于烘箱中在120°C烘干，后经研磨、200目过筛处理得到混合粉体。采用干压成型法在10-50MPa下得到试样坯体，然后经200MPa冷等静压处理得到坯体，最后采用无压烧结法在1250°C -1650°C条件下保温6h，自然冷却到室温，即可得到LaMgAl11O19-ZrO2-Al2O3复相耐磨陶瓷材料。在上述材料的制备工艺中，所述的ZrO2粉体是以ZrO(NO3)2 · 2H20和氨水为原料，采用原位水解法在常温下水解I 24h，并在600 1000°C煅烧I 24h制备得至IJ。所述的LnMgAl11O19粉体原料是以Mg(OH)2、Al (OH) 3和稀土氧化物为原料(均为化学分析纯)，按照化学计量比进行配料，进行球磨混合4 48h，将球磨后的混合物经干燥后，在1400°C -1700°C保温I 24h合成后，将合成后的粉体破碎磨细，得到板片状结构LaMgAl11O19 粉体。本发明所述的LaMgAl11O19-ZrO2-Al2O3陶瓷复合材料的抗弯强度最高可达650MPa，断裂韧性最高可达6. 98MPa ·πι1/2，常温冲蚀磨损率达到O. 010mm3/g，性能均优于常用的氧化铝系列和氧化锆系列陶瓷，也可代替低碳钢、耐热合金钢和硬质合金应用于各种易磨损部件(如气流运输物料管道、高温烟气物料输送管道等)的耐冲蚀磨损材料。 下面结合实例对本发明的特点做进一步描述，但并非仅仅局限于下述实施案例。实施案例I :用ZrO(NO3)2 ·2Η20和氨水为原料，按一定比例混合，经原味水解8h，并于烘箱中烘干，烘干后于600°C保温14h进行无压烧结，后研磨过筛得到ZrO2粉体。用分析纯的Al (OH) 3、Mg (OH) 2、La2O3作为实验原料，按LaMgAl11O19化学计量比设计配料，后球磨8h取出并干燥、分别在1400°C条件下保温4h，煅烧合成粉体，合成后的粉体经粉碎研磨制得板片状结构的LaMgAl11O19粉体。将ZrO2粉体与Al2O3粉体为原料按体积比为5 95混合配料，将LaMgAl11O19与Zr02、Al2O3混合粉体按体积比为10 90配料，然后以玛瑙球为球磨介质、无水乙醇为球磨剂湿法球磨8h，混合后经旋转蒸发仪90°C蒸发，置于烘箱中在120°C烘干，后经研磨、200目过筛处理得到混合粉体。采用干压成型法在20MPa下得到试样坯体，然后经200MPa冷等静压处理得到坯体，最后采用无压烧结法在1300°C条件下保温6h，自然冷却到室温，即可得到耐磨损LaMgAl11O19-ZrO2-Al2O3 复相陶瓷材料。对得到的LaMgAl11O19-ZrO2-Al2O3复相陶瓷材料进行测试，测得陶瓷抗弯强度为403MPa，断裂韧性为5. 06MPa · m1/2，常温冲蚀磨损体积磨损率为O. 026mm3/g。实施案例2:用ZrO(NO3)2 ·2Η20和氨水为原料，按一定比例混合，经原味水解6h，并于烘箱中烘干，烘干后于800°C保温IOh进行无压烧结，后研磨过筛得到ZrO2粉体。用分析纯的Al (OH) 3、Mg (OH) 2、La2O3作为实验原料，按LaMgAl11O19化学计量比设计配料，后球磨12h取出并干燥、分别在1500°C条件下保温8h，煅烧合成粉体，合成后的粉体经粉碎研磨制得板片状结构的LaMgAl11O19粉体。将ZrO2粉体与Al2O3粉体为原料按体积比为10 90混合配料，以LaMgAl11O19与Zr02、Al2O3混合粉体按体积比为20 80配料，然后以玛瑙球为球磨介质、无水乙醇为球磨剂湿法球磨8h，混合后经旋转蒸发仪90°C蒸发，置于烘箱中在120°C烘干，后经研磨、200目过筛处理得到混合粉体。采用干压成型法在30MPa下得到试样坯体，然后经200MPa冷等静压处理得到坯体，最后采用无压烧结法在1400°C条件下保温8h，自然冷却到室温，即可得到耐磨损LaMgAl J1O19-ZrO2-Al2O3 复相陶瓷材料。对得到的LaMgAl11O19-ZrO2-Al2O3复相陶瓷材料进行测试，测得陶瓷抗弯强度为432MPa，断裂韧性为5. 67MPa · m1/2，常温冲蚀磨损体积磨损率为O. 018mm3/g。实施案例3 用ZrO (NO3) 2 ·2Η20和氨水为原料，按一定比例混合，经原味水解4h，并于烘箱中烘干，烘干后于900°C保温8h进行无压烧结，后研磨过筛得到ZrO2粉体。用分析纯的Al (OH) 3、Mg (OH) 2、La2O3作为实验原料，按LaMgAl11O19化学计量比设计配料，后球磨16h取出并干燥、分别在1600°C条件下保温12h，煅烧合成粉体，合成后的粉体经粉碎研磨制得板片状结构的LaMgAl11O19粉体。
将ZrO2粉体与Al2O3粉体为原料按体积比为15 85混合配料，以LaMgAl11O19与Zr02、Al2O3混合粉体按30 70配料，然后以玛瑙球为球磨介质、无水乙醇为球磨剂湿法球磨8h，混合后经旋转蒸发仪90°C蒸发，置于烘箱中在120°C烘干，后经研磨、200目过筛处理得到混合粉体。采用干压成型法在40MPa下得到试样坯体，然后经200MPa冷等静压处理得到坯体，最后采用无压烧结法在1500°C条件下保温10h，自然冷却到室温，即可得到耐磨损LaMgAl J1O19-ZrO2-Al2O3 复相陶瓷材料。对得到的LaMgAl11O19-ZrO2-Al2O3复相陶瓷材料进行测试，测得陶瓷抗弯强度为650MPa，断裂韧性为6. 98MPa · m1/2，常温冲蚀磨损体积磨损率为O. OlOmmVg。实施案例4 用ZrO (NO3) 2 ·2Η20和氨水为原料，按一定比例混合，经原味水解2h，并于烘箱中烘干，烘干后于1000°c保温4h进行无压烧结，后研磨过筛得到ZrO2粉体。用分析纯的Al (OH) 3、Mg (OH) 2、La2O3作为实验原料，按LaMgAl11O19化学计量比设计配料，后球磨16h取出并干燥、分别在1700°C条件下保温12h，煅烧合成粉体，合成后的粉体经粉碎研磨制得板片状结构的LaMgAl11O19粉体。 将ZrO2粉体与Al2O3粉体为原料按体积比为20 80混合配料，以LaMgAl11O19与Zr02、Al2O3混合粉体按体积比为40 60配料，然后以玛瑙球为球磨介质、无水乙醇为球磨剂湿法球磨8h，混合后经旋转蒸发仪90°C蒸发，置于烘箱中在120°C烘干，后经研磨、200目过筛处理得到混合粉体。采用干压成型法在50MPa下得到试样坯体，然后经200MPa冷等静压处理得到坯体，最后采用无压烧结法在1600°C条件下保温12h，自然冷却到室温，即可得到耐磨损LaMgAl J1O19-ZrO2-Al2O3 复相陶瓷材料。对得到的LaMgAl11O19-ZrO2-Al2O3复相陶瓷材料进行测试，测得陶瓷抗弯强度为613MPa，断裂韧性为6. 23MPa · m1/2，常温冲蚀磨损体积磨损率为O. 013mm3/g。
权利要求
1.一种LaMgAl11O19-ZrO2-Al2O3复相耐磨陶瓷材料，其特征在于将ZrO2粉体与Al2O3粉体按照氧化锆的加入量为2vol. % 30vol. %进行配料，再将LaMgAl11O19粉体与Zr02、Al203混合粉体按LaMgAl11O19加入量为2vol. 50vol. %进行配料,后采用球磨湿法置于行星式球磨机中球磨6-24h，混合后经旋转蒸发仪90°C蒸发，置于烘箱中在120°C烘干，后经研磨、200目过筛处理得到混合粉体。采用干压成型法在10-50MPa下得到试样坯体，然后经200MPa冷等静压处理得到坯体，最后采用无压烧结法在1250°C _1650°C条件下保温6h，自然冷却到室温，即可得到LaMgAl11O19-ZrO2-Al2O3复相耐磨陶瓷材料。
2.根据权利要求书I所述的一种LaMgAl11O19-ZrO2-Al2O3复相耐磨陶瓷材料，其特征在于所述的ZrO2粉体是以ZrO (NO3) 2 · 2H20和氨水为原料，采用原位水解法在常温下水解I 24h，并在600 1000°C煅烧I 24h制备得到。所述的LaMgAl11O19粉体原料是以Mg(OH)2、Al (OH) 3和稀土氧化物为原料(均为化学分析纯)，按照化学计量比进行配料，进行球磨混合4 48h，将球磨后的混合物经干燥后，在1400°C -1700°C保温I 24h合成后，将合成后的粉体破碎磨细，得到板片状结构LaMgAl11O19粉体。
全文摘要
本发明涉及一种耐高磨损的LaMgAl11O19-ZrO2-Al2O3复相陶瓷材料，属于结构陶瓷及高温复合材料技术领域。本发明以自制ZrO2粉体、LaMgAl11O19粉体和Al2O3粉体为原料，通过无压烧结制得。通过控制ZrO2和LaMgAl11O19的添加量和烧结温度使材料获得较高的断裂韧性，提高材料的耐高温冲蚀磨损性能。其耐高温气固两相流冲蚀磨损性能均优于常用的氧化铝系列陶瓷，也可代替低碳钢、耐热合金钢和硬质合金应用于各种易磨损部件(如气流运输物料管道、高温烟气物料输送管道等)的耐冲蚀磨损材料。
文档编号C04B35/117GK102826837SQ20121033435
公开日2012年12月19日 申请日期2012年9月12日 优先权日2012年9月12日
发明者文瑞龙, 房明浩, 闵鑫, 黄朝晖, 刘艳改, 唐浩, 唐潮 申请人:中国地质大学(北京)