一种复合型耐火材料及其制备方法论文和设计-戴燎元

全文摘要

本发明属于钛合金熔炼坩锅耐火材料领域，具体为一种复合型耐火材料及其制备方法，该复合型耐火材料包括按重量份计的如下原料所制成：锆酸钡粉体50～60份、渗透剂5～10份、辛醇6～8份、粘结剂10～15份、氧化钇5～8份、氧化钙6～10份、二氧化锆10～20份；该复合型耐火材料的制备方法，包括如下步骤：分组混合、干燥、烧结及热处理，本发明制备耐火材料时，采用逐次添加原料的方式混合，其混合更加均匀，减少了原料的成团现象，增加了各反应物颗粒间的接触面积，使得利用该耐火材料制备的熔炼坩锅更加致密，同时还具有烧结温度低，容易烧结成型，外观缺陷少，成品率高的优点。

主设计要求

1.一种复合型耐火材料，其特征在于，包括按重量份计的如下原料所制成：锆酸钡粉体50～60份、渗透剂5～10份、辛醇6～8份、粘结剂10～15份、氧化钇5～8份、氧化钙6～10份、二氧化锆10～20份。

设计方案

2.根据权利要求1所述的一种复合型耐火材料，其特征在于：所述锆酸钡粉体的平均粒度为160～180微米，所述锆酸钡粉体为电熔锆酸钡粉体。

3.根据权利要求1所述的一种复合型耐火材料，其特征在于：所述渗透剂是脂肪醇聚氧乙烯醚、异构醇聚氧乙烯醚或烷基酚聚氧乙烯醚中的一种。

4.一种如权利要求1所述的复合型耐火材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、分组混合：渗透剂、辛醇及粘结剂为第一组，锆酸钡粉体、氧化钇、氧化钙及二氧化锆为第二组，分别将两组原料混合均匀，向第一组原料内逐次加入少量第二组原料，使两组原料混合分散均匀后再进行下一次添加，直至添加完所有第二组原料，每次加入量为第二组总重量的10～20％；

步骤二、干燥：将步骤一分组混合后的原料静置6～8小时，待其充分干燥；

步骤三、烧结：将步骤二充分干燥后得到的原料在1080～1200摄氏度下进行高温烧结；

步骤四、热处理：待步骤三得到的材料冷却后，将其在1100～1300摄氏度和100兆帕的条件下进行高温处理，再次冷却后即得复合型耐火材料。

5.根据权利要求4所述的一种复合型耐火材料的制备方法，其特征在于，所述步骤一中每次添加完第二组原料后，采用超声波搅拌器对其进行搅拌分散。

6.根据权利要求4所述的一种复合型耐火材料的制备方法，其特征在于，所述步骤四中高温处理时，先在1100摄氏度条件下加热10分钟，之后在1300摄氏度条件下保温2～4小时。

设计说明书

技术领域

本发明属于钛合金熔炼坩锅耐火材料领域，具体为一种复合型耐火材料及其制备方法。

背景技术

锆酸钡是一种极为稳定的耐火材料，是目前制备高质量单晶体钇钡铜氧超导体材料的理想坩埚材料。在锆酸钡用于坩锅熔炼钛合金时，锆酸钡耐火材料与钛合金表现出较差的润湿性，熔体与坩锅间无过渡层，未见坩锅元素向熔体中扩散，说明锆酸钡是一种具有潜力的钛合金熔模铸造用耐火材料。

但锆酸钡作为耐火材料也存在着一些问题需要解决，锆酸钡的成型温度较高，因此在其烧结制备过程中，难以烧结成型，烧结的温度往往较高；同时由于锆酸钡质地较脆，其在烧结过程中容易因细小裂纹的扩展造成产品裂开，产品不够致密，影响产品的使用，最终的成品率较低。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本申请提供了一种复合型耐火材料及其制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种复合型耐火材料，包括按重量份计的如下原料所制成：锆酸钡粉体50～60份、渗透剂5～10份、辛醇6～8份、粘结剂10～15份、氧化钇5～8份、氧化钙6～10份、二氧化锆10～20份。

所述锆酸钡粉体的平均粒度为160～180微米，所述锆酸钡粉体为电熔锆酸钡粉体。

所述渗透剂是脂肪醇聚氧乙烯醚、异构醇聚氧乙烯醚或烷基酚聚氧乙烯醚中的一种。

所述粘结剂包括钇溶胶和酸性硅溶胶，所述钇溶胶和酸性硅溶胶的混合比例为2:1。

该复合型耐火材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤二、干燥：将步骤一分组混合后的原料静置6～8小时，待其充分干燥；

步骤三、烧结：将步骤二充分干燥后得到的原料在1080～1200摄氏度下进行高温烧结；

步骤四、热处理：待步骤三得到的材料冷却后，将其在1100～1300摄氏度和100兆帕的条件下进行高温处理，再次冷却后即得复合型耐火材料。

所述步骤一中每次添加完第二组原料后，采用超声波搅拌器对其进行搅拌分散。

所述步骤四中高温处理时，先在1100摄氏度条件下加热10分钟，之后在1300摄氏度条件下保温2～4小时。

本发明有益的技术效果在于：

1．本发明的复合型耐火材料用于制备钛合金熔炼坩锅，其通过在原料中同时加入特定比例的氧化钇及氧化钙，利用氧化钇及氧化钙的协同作用与二氧化锆烧结成型，一方面氧化钇中的阳离子能够置换氧化钙中的阳离子，形成置换型固熔体，起到稳定氧化钙的作用，使得烧结后的成品不易脱钙失稳，另一方面烧结后的成品中形成有两种晶体：四方晶体及立方晶体，两种晶体均匀掺杂在以锆酸钡为主的耐火材料中，产生细小裂纹时，两种晶体转变成一种单斜晶体，其体积“膨胀”变大填充在裂纹中，且伴随着体积膨胀还诱导出压缩应力，起着减小裂纹扩展驱动力的作用，以阻止裂纹的扩展，同时在材料烧结后对其进行相应的热处理，减少了材料内气泡和裂纹的产生，使得最终产品的良率获得大大提升，且最终成型材料的韧性较高；

2．将粘结剂、辛醇及渗透剂三者进行特定比例的组合，与锆酸钡粉体进行充分混合后，辛醇作为表面活性剂与渗透剂形成功能上的互补，粘结剂能够更好的渗透至锆酸钡粉体中，使得烧结时材料单位体积内的颗粒数较大，颗粒间的作用力也相应增大，粘度变大，烧结制备过程中更加容易成型，同时也降低了烧结温度；

3．分组混合时采用逐次添加原料的方式混合，其混合更加均匀，减少了原料的成团现象，增加了各反应物颗粒间的接触面积，使得利用该耐火材料制备的熔炼坩锅更加致密。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明进行具体描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种复合型耐火材料，包括按重量份计的如下原料所制成：锆酸钡粉体50份、脂肪醇聚氧乙烯醚5份、辛醇6份、混合比例为2:1的钇溶胶和酸性硅溶胶10份、氧化钇5份、氧化钙6份、二氧化锆10份。

本实施例中的复合型耐火材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、称取上述重量份计的原料，对其进行分组混合，其中渗透剂、辛醇及粘结剂为第一组，锆酸钡粉体、氧化钇、氧化钙及二氧化锆为第二组，分别将两组原料混合均匀，向第一组原料内逐次加入少量第二组原料，使用JY-Y202G型超声波搅拌器将两组原料混合分散均匀后再进行下一次添加，直至添加完所有第二组原料，每次加入量为第二组总重量的10％；

步骤二、干燥：将步骤一分组混合后的原料静置6小时，待其充分干燥；

步骤三、烧结：将步骤二充分干燥后得到的原料在1080摄氏度下进行高温烧结4小时；

步骤四、热处理：待步骤三得到的材料冷却后，将其放置在真空炉内，调节压力至100兆帕，先在1100摄氏度条件下加热10分钟，之后在1300摄氏度条件下保温2小时，再次冷却后即得复合型耐火材料。

实施例2

一种复合型耐火材料，包括按重量份计的如下原料所制成：锆酸钡粉体55份、异构醇聚氧乙烯醚8份、辛醇7份、混合比例为2:1的钇溶胶和酸性硅溶胶13份、氧化钇7份、氧化钙7份、二氧化锆15份。

本实施例中的复合型耐火材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤二、干燥：将步骤一分组混合后的原料静置7小时，待其充分干燥；

步骤三、烧结：将步骤二充分干燥后得到的原料在1150摄氏度下进行高温烧结4小时；

步骤四、热处理：待步骤三得到的材料冷却后，将其放置在真空炉内，调节压力至100兆帕，先在1100摄氏度条件下加热10分钟，之后在1300摄氏度条件下保温3小时，再次冷却后即得复合型耐火材料。

实施例3

一种复合型耐火材料，包括按重量份计的如下原料所制成：锆酸钡粉体60份、烷基酚聚氧乙烯醚10份、辛醇8份、混合比例为2:1的钇溶胶和酸性硅溶胶15份、氧化钇8份、氧化钙10份、二氧化锆20份。

本实施例中的复合型耐火材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤二、干燥：将步骤一分组混合后的原料静置8小时，待其充分干燥；

步骤三、烧结：将步骤二充分干燥后得到的原料在1200摄氏度下进行高温烧结4小时；

步骤四、热处理：待步骤三得到的材料冷却后，将其放置在真空炉内，调节压力至100兆帕，先在1100摄氏度条件下加热10分钟，之后在1300摄氏度条件下保温4小时，再次冷却后即得复合型耐火材料。

对照例1

与实施例3的区别在于：制备该复合型耐火材料的步骤一中一次性添加完所有第二组原料。

备制如下原料：锆酸钡粉体60份、烷基酚聚氧乙烯醚10份、辛醇8份、混合比例为2:1的钇溶胶和酸性硅溶胶15份、氧化钇8份、氧化钙10份、二氧化锆20份。

制备步骤如下：

步骤一、称取上述重量份计的原料，对其进行分组混合，其中渗透剂、辛醇及粘结剂为第一组，锆酸钡粉体、氧化钇、氧化钙及二氧化锆为第二组，向第一组原料内一次性加入所有第二组原料，使用JY-Y202G型超声波搅拌器将两组原料混合分散均匀；

步骤二、干燥：将步骤一分组混合后的原料静置8小时，待其充分干燥；

步骤三、烧结：将步骤二充分干燥后得到的原料在1200摄氏度下进行高温烧结4小时；

对照例2

与实施例3的区别在于：在该复合型耐火材料的制备中未添加氧化钇及氧化钙。

备制如下原料：锆酸钡粉体60份、烷基酚聚氧乙烯醚10份、辛醇8份、混合比例为2:1的钇溶胶和酸性硅溶胶15份、二氧化锆20份。

步骤一、称取上述重量份计的原料，对其进行分组混合，其中渗透剂、辛醇及粘结剂为第一组，锆酸钡粉体及二氧化锆为第二组，分别将两组原料混合均匀，向第一组原料内逐次加入少量第二组原料，使用JY-Y202G型超声波搅拌器将两组原料混合分散均匀后再进行下一次添加，直至添加完所有第二组原料，每次加入量为第二组总重量的20％；

步骤二、干燥：将步骤一分组混合后的原料静置8小时，待其充分干燥；

步骤三、烧结：将步骤二充分干燥后得到的原料在1200摄氏度下进行高温烧结4小时；

对照例3

与实施例3的区别在于：在该复合型耐火材料的制备中未进行热处理。

备制如下原料：锆酸钡粉体60份、烷基酚聚氧乙烯醚10份、辛醇8份、混合比例为2:1的钇溶胶和酸性硅溶胶15份、氧化钇8份、氧化钙10份、二氧化锆20份。

制备步骤如下：

步骤二、干燥：将步骤一分组混合后的原料静置8小时，待其充分干燥；

步骤三、烧结：将步骤二充分干燥后得到的原料在1200摄氏度下进行高温烧结4小时，冷却后即得复合型耐火材料。

对照例4

与实施例3的区别在于：在该复合型耐火材料的制备中未添加粘结剂、辛醇及渗透剂，并添加常规的二氧化钛作为助熔剂进行烧结。

备制如下原料：锆酸钡粉体50份、氧化钇5份、氧化钙6份、二氧化锆10份、二氧化钛10份。

制备步骤如下：

步骤一、称取上述重量份计的原料，对其进行充分混合均匀；

步骤二、烧结：将步骤一混合均匀后得到的原料在1800摄氏度下进行高温烧结4小时；

步骤三、热处理：待步骤二得到的材料冷却后，将其放置在真空炉内，调节压力至100兆帕，先在1100摄氏度条件下加热10分钟，之后在1300摄氏度条件下保温2小时，再次冷却后即得复合型耐火材料。

将上述实施例1-3及对照例1-3所制备的材料进行外观及物理性能的测试，测试结果如下表1所示：

表1

（备注：表中“明显裂纹”是指在不借助显微镜的条件下，肉眼能够观察得到的裂纹。）

从表1中可以看出，实施例3相对于对照例1来说，通过逐次添加原料进行混合，所得耐火材料的体积密度更大，最终形成的耐火材料更加致密；实施例3相对于对照例2来说，通过添加氧化钇及氧化钙原料，提高了材料的抗弯折强度，制得的耐火材料韧性更好；实施例3相对于对照例3来说，通过在耐火材料的制备过程中增加热处理这一步骤，显著降低了所制得的耐火材料的气孔率及明显裂纹占比，大大减少了外观缺陷；

利用氧化钇及氧化钙的协同作用与二氧化锆烧结成型，一方面氧化钇中的阳离子能够置换氧化钙中的阳离子，形成置换型固熔体，起到稳定氧化钙的作用，使得烧结后的成品不易脱钙失稳，另一方面烧结后的成品中形成有两种晶体：四方晶体及立方晶体，两种晶体均匀掺杂在以锆酸钡为主的耐火材料中，产生细小裂纹时，两种晶体转变成一种单斜晶体，其体积“膨胀”变大填充在裂纹中，且伴随着体积膨胀还诱导出压缩应力，起着减小裂纹扩展驱动力的作用，以阻止裂纹的扩展，同时在材料烧结后对其进行相应的热处理，减少了材料内气泡和裂纹的产生，使得最终产品的良率获得大大提升，且最终成型材料的韧性较高。

将上述实施例1-3及对照例4进行烧结温度及耐火性能的测试，测试结果如下表2所示：

表2

从表2中可以看出，实施例1-3相对于对照例4来说，在保障耐火材料各项耐火性能的前提下，通过粘结剂、辛醇及渗透剂的添加，显著的降低了耐火材料的成型温度；

粘结剂、辛醇及渗透剂三者进行特定比例的组合，与锆酸钡粉体进行充分混合后，辛醇作为表面活性剂与渗透剂形成功能上的互补，辛醇及渗透剂与锆酸钡粉体混合后包覆在锆酸钡粉体颗粒表面，使粘结剂能够更好的渗透至锆酸钡粉体中，烧结时材料单位体积内的颗粒数较大，颗粒间的作用力也相应增大，粘度变大，烧结制备过程中更加容易成型，同时也降低了烧结温度；

综上所述，通过本发明制备的耐火材料，具有烧结温度低，容易烧结成型，材料更加致密，外观缺陷少，成品率高的优点。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

设计图

一种复合型耐火材料及其制备方法论文和设计

一种复合型耐火材料及其制备方法论文和设计-戴燎元

全文摘要

主设计要求

设计方案

设计说明书

设计图

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