一种铸造用钛酸铝陶瓷及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种陶瓷制备技术领域，尤其涉及一种铸造用钛酸铝陶瓷及其制 备方法。
背景技术
随着现代工业的迅猛发展，特别是汽车、航空工业等领域的崛起，对同时具 有优良的耐高温和抗热震性陶瓷材料的需求愈来愈迫切。钛酸铝(Al2TiO5)是 集低膨胀系数和高熔点为一体的新型材料，具备优异的抗热冲击性能、抗渣、耐 腐蚀、和对多种金属不浸润的优点，它低的热膨胀系数和优异的抗热冲击性能使 它广泛用于玻璃、汽车、热加工工业等领域，如催化剂载体、排气管、内燃机隔 热、金属冶金铸造抗热震部件等。但该材料也因存在着两大致命缺陷而使其应用 受到很大程度限制：一是在750～1280℃温度区间易分解成金红石和刚玉相，从 而丧失了其优良的低膨胀性能；二是钛酸铝晶体冷却时内部会产生大量微裂纹， 大大降低了其室温机械强度。
钛酸铝陶瓷升液管是低压铸造连铸机的关键部件，直接影响铸铝产品的质量 及生产效率，由于铸铁升液管易污染铝源、使用寿命短、粘铝液等缺点，国外发 达国家已经开发Si3N4反应烧结SiC陶瓷升液管，这种陶瓷制品具有不污染铝液、 耐侵蚀性能好等突出优势，而且使用寿命长且稳定，但由于它生产成本高，价格 昂贵，在我国推广应用还有较大阻碍。钛酸铝是价格比较低廉的高温低膨胀材料， 具有优异的抗热震性能和对铝液的不浸润性，是取代铸铁制造升液管的理想材 料。目前国内钛酸铝陶瓷升液管多采用两步法制备，而直接采用一步法生产的研 究与应用报道较少。
发明内容
为解决钛酸铝材料的两大致命缺陷，为国内陶瓷升液管生产提供一种新的思 路，本发明提出铸造用钛酸铝陶瓷及其制备方法，具体技术方案为：
一种铸造用钛酸铝陶瓷，采用一步法直接烧制而成，制作所述钛酸铝陶瓷的 原料及其配比为：α-Al2O353％～59％wt，钛黄粉37.58％～42.72％wt，稳定剂3％～ 6％，所述稳定剂由碳酸镁和二氧化硅复合而成。
一种铸造用钛酸铝陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
(1)把权利要求1所述的原料球磨至一定细度；
(2)把球磨后的原料按权利要求1所述的比例用一定转速的行星球磨机进 行湿法球磨混合，制得料浆；
(3)将所述料浆倒入容器中，在电热鼓风干燥箱中于110℃下干燥4h，形 成的粉体经玛瑙研钵研磨后过100目筛，加入适量的PVA水溶液进行造粒，陈 腐24h形成混合料；
(4)将所述混合料利用液压机预压，液压机的压力为8MPa，再采用等静 压机压制，等静压机的压力120MPa～140MPa，压制时间为5min，制得生坯；
(5)将压制成型后的生坯去除边角处毛刺，再放入烘箱中以90～100℃的 恒温干燥12～24h；
(6)将干燥后的坯体放入硅钼炉内烧结，烧结温度1420～1450℃，烧结时 间为10～12h。
进一步地，步骤(1)所述原料细度为200目。
进一步地，步骤(2)所述行星球磨机的转速为400r/min，球磨时间为12h。
进一步地，球磨所使用的介质为无水乙醇，所使用的球磨子为氧化锆陶瓷球 磨子，所述原料、球磨子与无水乙醇的质量比为1:3:1.25。
进一步地，步骤(6)所述烧结温度为：1000℃以下升温速率为3～8℃/min， 其中在600℃保温2h，1000℃以上升温速率为2～5℃/min，达到最高烧成温度后 保温3～5h。
有益效果：
本发明利用α-Al2O3和钛黄粉作为原料，加入碳酸镁和二氧化硅作为稳定剂 来制备钛酸铝陶瓷，在保证其优良的热膨胀性能的同时，提高其机械强度；试试 陶瓷制备铸造用陶瓷升液管等材料，可节约能耗，简化工艺，节约生产成本，具 有良好的经济效益。
附图说明
图1为本发明实施例1～4的X射线衍射图谱比对图；
图中：1为实施例1的X射线衍射图谱曲线，2为实施例2的X射线衍射图 谱曲线，3为实施例3的X射线衍射图谱曲线，4为实施例4的X射线衍射图谱 曲线；
图2为本发明实施例1～4的热膨胀率比对图；
图中：1为实施例1的热膨胀率曲线，2为实施例2的热膨胀率曲线，3为 实施例3的热膨胀率曲线，4为实施例4的热膨胀率曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步描述：
如图1-2所示，一种铝合金铸造用钛酸铝陶瓷，采用固相反应一步法直接烧 制而成，所述生坯的原料及其配比为：α-Al2O353％～59％wt，钛黄粉37.58％～ 42.72％wt，稳定剂3％～6％，其中稳定剂由碳酸镁和二氧化硅复合而成。
实施例1：
一种铸造用钛酸铝陶瓷的制备方法，其制作所述钛酸铝陶瓷的原料及其配比 为：α-Al2O354.34wt％、钛黄粉42.72wt％、碳酸镁1.94wt％、二氧化硅1wt％； 其制作的步骤为：
(1)原料处理：球磨细度为200目的α-Al2O3、钛黄粉、碳酸镁、二氧化硅 原料。
(2)原料混合：按各原料所占比例进行混合，用行星球磨机球磨12h，转 速为400r/min，制得料浆；上述原料的混合采用湿法球磨制得，其中使用的球磨 介质为无水乙醇，球磨子为氧化锆陶瓷球磨子，所述原料、球磨子、酒精的质量 比为1:3:1.25。
(3)造粒：将所述料浆倒入容器中，在电热鼓风干燥箱中于110℃下干燥 4h，待酒精完全蒸发后，粉体结合成比较松散的块体，加入适量的PVA水溶液 经玛瑙研钵研磨后过100目筛造粒，最后将粉料陈腐24h。
(4)成型：将陈腐好粉料利用液压机预压，液压机压力为8MPa，然后采 用冷等静压机压制，冷等静压机参数设置为130MPa×5min，得到陶瓷生坯。
(5)修坯与干燥：将压制成型后的生坯利用刀具去除边角处毛刺；再放入 烘箱中以100℃的恒温干燥12h。
(6)烧成：将干燥后的坯体放入硅钼炉内烧结，经1420℃烧成。所述烧成 制度为：1000℃以下升温速率为5℃/min，在600℃时保温2h，1000℃以上升温 速率为3℃/min，达到最高烧成温度1420℃保温3h。
经测试，本实施例1制得的钛酸铝瓷的抗弯强度为48.13MPa，体积密度为 3.44g·cm-3，显气孔率5.38％，平均热膨胀系数为1.15×10-6℃-1(RT～900℃)，钛 酸铝的晶格常数
实施例2：
一种铸造用钛酸铝陶瓷的制备方法，其制作所述生胚的原料及其配比为： α-Al2O358.22wt％、钛黄粉38.78wt％、碳酸镁1.5wt％、二氧化硅1.5wt％；其制 作的步骤为：
(1)原料处理：球磨细度为200目的α-Al2O3、钛黄粉、碳酸镁、二氧化硅 原料。
(2)原料混合：按各原料所占比例进行混合，用行星球磨机球磨12h，转 速为400r/min，制得料浆；上述原料的混合采用湿法球磨制得，其中使用的球磨 介质为无水乙醇，球磨子为氧化锆陶瓷球磨子，所述原料、球磨子、酒精的质量 比为1:3:1.25。
(3)造粒：将所述料浆倒入容器中，在电热鼓风干燥箱中于110℃下干燥 4h，待酒精完全蒸发后，粉体结合成比较松散的块体，加入适量的PVA水溶液 经玛瑙研钵研磨后过100目筛造粒，最后将粉料陈腐24h。
(4)成型：将陈腐好粉料利用液压机预压，液压机压力为8MPa，然后采 用冷等静压机压制，冷等静压机参数设置为130MPa×5min，得到陶瓷生坯。
(5)修坯与干燥：将压制成型后的生坯利用刀具去除边角处毛刺；再放入 烘箱中以100℃的恒温干燥12h。
(6)烧成：将干燥后的坯体放入硅钼炉内烧结，经1450℃烧成。所述烧成 制度为：1000℃以下升温速率为5℃/min，在600℃时保温2h，1000℃以上升温 速率为3℃/min，达到最高烧成温度1450℃保温3h。
经测试，本实施例2制得的钛酸铝瓷的抗弯强度为63.30MPa，体积密度为 2.99g·cm-3，显气孔率3.70％，热膨胀系数1.90×10-6℃-1(RT～900℃)，钛酸铝的 晶格常数
实施例3：
一种铸造用钛酸铝陶瓷的制备方法，其制作所述生胚的原料及其配比为： α-Al2O356.42wt％、钛黄粉37.58wt％、碳酸镁5wt％、二氧化硅1wt％；其制作的 步骤为：
(1)原料处理：球磨细度为200目的α-Al2O3、钛黄粉、碳酸镁、二氧化硅 原料。
(2)原料混合：按各原料所占比例进行混合，用行星球磨机球磨12h，转 速为400r/min，制得料浆；上述原料的混合采用湿法球磨制得，其中使用的球磨 介质为无水乙醇，球磨子为氧化锆陶瓷球磨子，所述原料、球磨子、酒精的质量 比为1:3:1.25。
(3)造粒：将所述料浆倒入容器中，在电热鼓风干燥箱中于110℃下干燥 4h，待酒精完全蒸发后，粉体结合成比较松散的块体，加入适量的PVA水溶液 经玛瑙研钵研磨后过100目筛造粒，最后将粉料陈腐24h。
(4)成型：将陈腐好粉料利用液压机预压，液压机压力为8MPa，然后采 用等静压机压制，等静压机压力为130MPa，得到陶瓷生坯。
(5)修坯与干燥：将压制成型后的生坯利用刀具去除边角处毛刺；再放入 烘箱中以100℃的恒温干燥12h。
(6)烧成：将干燥后的坯体放入硅钼炉内烧结，经1450℃烧成。所述烧成 制度为：1000℃以下升温速率为5℃/min，在600℃时保温2h，1000℃以上升温 速率为3℃/min，1450℃的烧成温度保温3h。
经测试，本实施例3制得的钛酸铝瓷的抗弯强度为51.86MPa，体积密度为 3.32g·cm-3，显气孔率3.64％，热膨胀系数1.50×10-6℃-1(RT～900℃)，钛酸铝的 晶格常数
实施例4：
一种铸造用钛酸铝陶瓷的制备方法，其制作所述生胚的原料及其配比为： α-Al2O356.42wt％、钛黄粉37.58wt％、碳酸镁1.5wt％、二氧化硅4.5wt％；其制 作的步骤为：
(1)原料处理：球磨细度为200目的α-Al2O3、钛黄粉、碳酸镁、二氧化硅 原料。
(2)原料混合：按各原料所占比例进行混合，用行星球磨机球磨12h，转 速为400r/min，制得料浆；上述原料的混合采用湿法球磨制得，其中使用的球磨 介质为无水乙醇，球磨子为氧化锆陶瓷球磨子，所述原料、球磨子、酒精的质量 比为1:3:1.25。
(3)造粒：将所述料浆倒入容器中，在电热鼓风干燥箱中于110℃下干燥 4h，待酒精完全蒸发后，粉体结合成比较松散的块体，加入适量的PVA水溶液 经玛瑙研钵研磨后过100目筛造粒，最后将粉料陈腐24h。
(4)成型：将陈腐好粉料利用液压机预压，液压机压力为8MPa，然后采 用等静压机压制，等静压机压力为130MPa，得到陶瓷生坯。
(5)修坯与干燥：将压制成型后的生坯利用刀具去除边角处毛刺；再放入 烘箱中以100℃的恒温干燥12h。
(6)烧成：将干燥后的坯体放入硅钼炉内烧结，经1450℃烧成。所述烧成 制度为：1000℃以下升温速率为5℃/min，在600℃时保温2h，1000℃以上升温 速率为3℃/min，到达最高烧结温度1450℃保温3h。
经测试，本实施例4制得的钛酸铝瓷的抗弯强度为50.23MPa，体积密度为 2.79g·cm-3，显气孔率54.41％，热膨胀系数1.71×10-6℃-1(RT～900℃)，钛酸铝 的晶格常数
由上述实施例1至4分析可以知道，碳酸镁和二氧化硅的加入可以明显提高 钛酸铝陶瓷的机械强度，对这种材料的热膨胀系数影响并不是很大，结合表1 可知，稳定剂的加入，几乎所有的衍射峰都向小角度方向偏移，根据布拉格衍射 方程可知：θ减小，d必定增大。Ti4+、Mg2+的离子半径均比A13+大，发生固溶置 换后，撑大了晶格，使晶胞参数c比纯钛酸铝
表1各实施例钛酸铝的X衍射峰位置(2θ/°)
因此，结合图1、图2来看，利用α-Al2O3和钛黄粉作为原料，加入碳酸镁 和二氧化硅作为稳定剂来制备钛酸铝陶瓷，可在保证其优良的热膨胀性能的同 时，提高其机械强度；试试陶瓷可采用固相反应一步法制备铸造用陶瓷升液管等 材料，节约能耗并简化了制备工艺，大大节约生产成本，具有良好的经济效益， 适合工业化生产。
