阅读说明：本技术 一种铸造用钛酸铝陶瓷及其制备方法 (Aluminum titanate ceramic for casting and preparation method thereof ) 是由 黄学辉 陈微 于 2020-06-03 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种铸造用钛酸铝陶瓷及其制备方法,以α-Al<Sub>2</Sub>O<Sub>3</Sub>和钛黄粉为原料,加入碳酸镁和二氧化硅作为稳定剂,各原料组分为：α-Al<Sub>2</Sub>O<Sub>3</Sub>53％～59％wt,钛黄粉37.58％～42.72％wt,稳定剂总量3％～6％,各原料经湿法球磨混合、造粒、冷等静压成型、烧制成钛酸铝陶瓷。本发明采用一步法直接制得钛酸铝材料,简化了制备工艺,大大节约生产成本,具有良好的经济效益,同时制备的材料机械强度大、热膨胀系数低,可以用来制备铸造用升液管、坩埚等产品。(The invention relates to aluminum titanate ceramic for casting and a preparation method thereof, which is prepared from alpha-Al 2 O 3 And titanium yellow powder as raw materials, adding magnesium carbonate and silicon dioxide as stabilizing agents, wherein the raw materials comprise: alpha-Al 2 O 3 53 to 59 percent of titanium yellow powder, 37.58 to 42.72 percent of titanium yellow powder and 3 to 6 percent of stabilizer, and the raw materials are ball-milled and mixed by a wet method, granulated, cold isostatic pressing molded and sintered to prepare the aluminum titanate ceramic. The invention adopts a one-step method to directly prepare the aluminum titanate material, simplifies the preparation process, greatly saves the production cost, has good economic benefit, simultaneously has high mechanical strength and low thermal expansion coefficient of the prepared material, and can be used for preparing products such as a riser tube, a crucible and the like for casting.)

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

如图1所示，本实施例1的X射线衍射图谱可知， 当加入的稳定剂量比较少时，样品中主要晶相是钛酸铝，因此该实例的热膨胀率 最低(如图2所示)，室温抗弯强度是最低的，但是比纯钛酸铝强度却高很多， 稳定剂的加入与钛酸铝生成了固溶体，起到了强化晶格的作用，增强了其稳定性。

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 晶格常数如图1所示，本实施例1的X射线衍射图谱可知，当以此 原料配比制备钛酸铝瓷时，主晶相主要为钛酸铝和刚玉相，因为刚玉相的强度大， 因此本实例的抗弯强度明显增大，物相中钛酸铝相比例的下降势必会损坏其优良 的热膨胀性能，导致其热膨胀率增大(如图2所示)。

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 晶格常数如图1所示，本实施例1的X射线衍射图谱可知，此时样 品中出现了镁铝尖晶石相，提高了强度，但是对热膨胀系数的影响没有刚玉相那 么明显(如图2所示)。

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 的晶格常数如图1所示，本实施例1的X射线衍射图谱可知，当二 氧化硅加入量增多，样品中出现了莫来石相，它的出现会增大钛酸铝陶瓷的强度， 但同时也增大了其热膨胀系数。

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

大，晶体的扭曲度 下降，稳定性提高。

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。