我国高铝瓷的现状及发展.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/我国高铝瓷的现状及发展石棋黄弘付江盛(景德镇陶瓷学院333001)摘要本文着重对我国高铅瓷的生产现状进行综合性的分析评论,指出了尚存在的不足之处,并对其发展提出展望。1引言高铝瓷以其诸多优良性能,被广泛应用于国民经济各部门,机械、电子、医药、食品、石油、化工、航空、航天等领域都用到高铝瓷配件。产品类型众多,以性能划分有:耐磨件、绝缘件、耐酸碱件、耐温件、抗辐射器件等等,每一类特性器件又有成百上千种产品。要求多项性能指标的高铝瓷件品种更多。以颜色划分,有白色、红色、粉红、黄色、黑色、透明等等,各有不同的用途,随着我国科学技术的不断进步,高铝瓷的应用领域将进一步拓宽,应用水平也必将越来越高。2特点及分析211生产企业众多我国是高铝瓷生产大国,生产企业众多。新老企业并存,国营、集体、个体企业并存;人员从一二十人到上千人不等;设备条件差异很大。简陋的企业,一两台热压铸机,一台高温电炉就组织生产。资金雄厚的企业,全套引进喷雾造粒,等静压成型,全自动高温隧道窑烧成设备;产量相距甚远;产品质量及批次稳定性差异很大。这些良莠不齐的并列存在,在一定程度上反映出,目前,高铝瓷产品的应用在我国许多工业领域尚处于起步阶段,一些用户对该材料还缺乏实质性的了解,模仿国外使用而使用的情况较为普遍。生产企业虽然多,但产量很低。212生产95A l2O3瓷为主以含量划分,高铝瓷大体上有75、80、95、99A l2O3瓷之分,也有人分得更细,范围更广。三氧化二铝含量在9296%的高铝瓷称为95A l2O3瓷。国内以生产95A l2O3瓷为主,其他含量的高铝瓷产量很小。如75A l2O3瓷,曾广泛用于纺织机械配件,因用量很大,纺织瓷一度成为75A l2O3瓷的代名词。纺织瓷件主要要求瓷体硬度大,经久耐磨,而该特性95A l2O3瓷明显优于75A l2O3瓷。因而几年间,75A l2O3纺织瓷件就被95A l2O3瓷件所取代,经过几年来的使用,尤其是引进高速纺织 机,当 纺 速 高 达5000米?分 时,发 现95A l3O2纺织瓷件表面会出现明显的毛刺等现象,造成断线、纺出的线等级差等问题。一些关键的纺织瓷件必须使用99A l2O3瓷件。这是因为99A l2O3瓷体的可磨表面光洁度比95A l2O3瓷体要高,11级甚至更高的表面光洁度是95A l2O3瓷难于达到的。含量在7585%之间的A l2O3瓷,曾在53第13卷第1期1998年3月陶瓷研究CERAM IC STUD IES JOU RNALVol.13 No.1M ar.1998收稿日期:1997209212 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/电子陶瓷中广泛用作金属膜电阻和线绕可变电阻基体。随着电器小型化的需要,集成电路的迅猛发展,要求瓷体的介质损耗尽可能小,就该项指标而言,75A l2O3瓷比95A l2O3瓷大,而95A l2O3又比99A l2O3瓷大。因此在该领域的应用情况是95A l2O3瓷优于75A l2O3瓷,99A l2O3瓷又优于95A l2O3瓷。该应用的另一项要求是瓷体表面光洁指标,也是99A l2O3瓷最优。而最基本的抗电性能指标,7599A l2O3瓷均能满足使用要求。目前在该领域,我国仍以95A l2O3瓷生产为主,或在95A l2O3瓷的基础上,将A l2O3含量适当地提高一些,真正的99以上含量的A l2O3瓷很少。表1A l2O3瓷典型特性A l2O3含量性能密度(g?cm3)晶粒平均尺寸(m)表面光洁度(微英寸)tg10-4(1 M HZ)绝缘强度(kv?mm)75929699.5 99.7 3.2 3.63.73.89 3.86224.03.01.54040258410 4 4 1 12020202020国内高铝瓷生产以95A l2O3瓷为主,其主要原因有:(1)95A l2O3瓷各项性能指标基本上能满足绝大多数现行工业技术使用要求;(2)99A l2O3瓷生产难度大,工艺要求明显高于95A l2O3瓷,原料纯度高,烧成温度高,各工序控制要求十分严格,甚至环境卫生条件都不同程度地影响着产品的质量;(3)95A l2O3瓷生产成本比75A l2O3瓷稍高。可以说,95A l2O3瓷以其优越的机械电气特性,辅之于吻合现有通用窑用耐火材料的可承受温度的烧成制度,是其得以大量生产的客观条件之一,但科技在发展,要求在提高,在许多应用领域,95A l2O3瓷被99A l2O3瓷逐步取代的趋势越来越明显。213掺杂改性有关高铝瓷的掺杂改性研究很深入,尤其是95A l2O3瓷,掺杂改性的研究工作做得很 多。L a2O3,Y2O3,ZrO2,T iO2,M gO,Cr2O3稀土等等都是常见的改性加入物。人们在这5%左右的空间里,通过各种手段以达到降低烧成温度,控制材料微观结构,追求卓越性能之目的。传统的95A l2O 3瓷配方,基本上处于Ca(Ba)-M g-A l-Si系统中,以A l2O3、CaCO3、BaCo3苏州土、滑石的形式引入。多元化的掺杂改性,使得烧成机理十分复杂,液相反应和固相反应并存,等价置换和异价置换并存,半径相近及相距较大离子的置换形式关存。近年来从事该领域研究的人越来越多,掺杂物的引入量也越来越大。依据相变增韧机理引入ZrO2以获得韧性优越的ZTA材料,引导人们在A l2O3材料中引入价廉的硅酸锆粉体,并进行系统化的引入实验。据报道,可获得韧性好,而且抗热冲击性能也十分优良的材料,既经济又实惠,大有发展了一种新型实用材料的势头。当然,该研究已经超出了高铝瓷的以刚玉、莫来石为主晶相的范畴,已经深入到复相材料的研究领域。掺杂改性的研究还很多,在此不多叙述。这些研究成果正逐步应用到实际生活中,如刀具工业,在A l2O3中引入ZrO2、BN、A lN、更类晶须等等,以提高刀具的切削能力和切削不同类金属材料的适应性。在配方中引入稀土类物质,制成工厂里俗称的所谓“黄蜡饼”,也是应用研究成果的实例。214有关烧成95A l2O3瓷 的 烧 结 范 围 为16501750,基于成本及耐火材料特性等方面的原因,工厂一般选择温度下限。尤其是一些耐磨器件,绝缘器件,选择温度下限,控制晶粒过份发育,有一定作用。有些器件采用高温烧结,有利于高温状态下器件的尺寸稳定,即高温蠕变量较小。国内许多老企业,以1米3左右的油烧窑为主要烧成设备,也有一些厂家改用焦化气所为燃料,配以压力装置。一些有相当产量的厂家,采用油烧气烧隧道窑。如一63第13卷第1期陶瓷研究总第49期 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/些大型火花塞瓷件生产厂家,就全套引进了全自动高温隧道窑。电烧隧道窑电耗大,发热体损耗严重,制约了它的发展。一般乡镇企业,私营厂多采用小型间歇式电窑或电炉,为提高产量,采用1000左右的高温进出窑的作业方式,产量提高了,电耗也下降了,但发热体、炉体损坏相当严重,劳动强度又很大。随着1300左右的的梭式窑的引入和消化制造,近年来一种新型的高温梭式窑正逐步进入高铝瓷生产厂家,采用高热值的液化汽为燃料,配以高速喷嘴,温度可较快地升到1700以上。产量适当,易于操作,劳动强度不高,清洁卫生。而且有油烧窑还原焰的优点,通过调节,可控制还原程度,有利于高铝瓷的烧成。是一种很有发展潜力的高温烧制窑炉。值得一提的是,一些老式煤烧窑,通过几天几夜的烧制,温度也能达到1700,甚至更高,其烧炼经验是一个关键,窑炉的结构,耐火材料,烟囱的配置等都值得仔细研究。纵观国内高铝瓷烧成设备的现状,窑炉的软、硬件水平偏低。耐火材料质量欠佳,严重影响甚至制约着窑炉的发展,影响高铝瓷的生产及质量。如99A l2O3瓷,理论上的研究已经十分完善,但在实际生产中,要拿出适应1800以上烧成的窑炉却有一定的困难。近几年,有人迫于生产99A l2O3瓷的需要,已经研制出具有一定生产能力的温度在1800以上的高温钼丝窑,可烧制出半透明的99A l2O3瓷件,但成本偏高,产量也偏低,有待于改进和提高。215有关成型高铝瓷的成型方法很多,干压、热压铸、挤制、流延、等静压、注浆等等。依据不同产品采用不同成型方法。总体上看,热压铸成型方法占绝大多数,该成型方法能满足各类形状复杂的中小型器件的制作。我们认为,各成型方法不存在绝对的优劣之分,要保证产品质量,关键是严格工艺制度。据报道,俄罗斯高铝瓷生产多采用热压铸,但各工序把关严格,检测认真,故产品质量同样很好。我国的热压铸产品,铸模质量相差很大,具体表现在钢模用材、研磨精度、淬火与否,甚至于尺寸公差等方面。钢模质量好,成型产品质量高,成型容易。钢模采用不淬火的45号钢,尽寸又不规整,精确。成型产品尺寸也就难于控制,需要增加烦杂的修坯工序,最终产品仍然不理想。钢模质量差的现状,有我国金属加工水平偏低的原因,也有厂家强调眼前利益的原因。216有关原材料厂家一般购进粗 2A l2O3粉,进行干磨湿磨处理,干磨据多,以万孔筛余控制球磨细度,各厂家球磨细度有一定差异,有人认为我国现行A l2O3瓷原料颗粒尺寸以45m据多,部分颗粒大于10m,同先进国家相比,颗粒尺寸偏大,在制作一些高性能要求的制品时,往往低于国外同类产品的质量。为此,一些 厂 家 在 原 粉 中 不 同 程 度 地 引 入13mA l2O3微粉,必要时全部采用微粉配料,取得良好效果,近年来,随着气流磨技术的兴起,国内出现许多微细A l2O3粉供应商,13mA l2O3粉,价格在78千元左右,用户能够接受。在热压铸工艺中,引入微粉,需要提高蜡饼含蜡量,造成一些负面影响,故此,如果百分之百地采用微细A l2O3粉,一般采用干压,等静压成型,全部采用微粉配制蜡饼的工艺还没出现,但值得一试。我国是A l2O3粉生产大国,近年来A l2O3粉料供应比较混乱。表现在粉体的纯度、细度、-A l2O3含量及其他诸如钾、钠、铁等杂质含量指标上。造成国内A l2O3粉料的通用性差,用户在选材上慎之又慎,一般都趋向于从固定厂家进货。217有关后加工有关高铝瓷的后加工问题,资料鲜有介绍。其实高铝瓷的后加工是高铝瓷生产的一个重要环节。振抛是高铝瓷后加工的一种常见的手段,但振抛仅仅是去除烧结过程中瓷73第13卷第1期陶瓷研究总第49期 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/体表面粘结的一些粉末,让瓷体的真表面露出来,对瓷体的本身并没有进行真正的后加工。随着高铝瓷件使用尺寸要求的提高以及高表面光洁度的需要,就必须对瓷体外形进行磨削、研抛或者切割。一般采用金属结合的金刚石砂轮或砂轮片,视表面光洁度的要求,取不同粒度的砂轮。一般管件的内外园周面,端面,长方体的各个面比较容易加工,而一些燕尾槽面就比较难加工,而特殊的弧面加工难度更大。对高铝配件而言,许多都有这方面的要求。如纺织机用磨擦片,要求其外园周面纵、横向都是一均匀弧面,常规的机加工方法难于实现。高铝瓷的后加工和整个特种陶瓷的机加工技术一样正在朝前发展。3展望随着国民经济持续稳定发展,高铝瓷的应用范围将越来越广。总 体 上 看,仍 以95A l2O3瓷生产为主,其高性能低造价的优势将进一步发挥作用。7590A l2O3材料依托制造技术的改进和严格工艺,仍将占据一部分市场,包括目前一些由95A l2O3材料包揽的市场。99A l2O3瓷的生产比重将增大,许多新的应用领域,以及目前由95A l2O3瓷替代 的 领 域,最 终 都 要 用 到99A l2O3瓷。99A l2O3瓷的实用生产工艺的进一步探索,已经十分紧迫。原材料的规范化生产,超细超纯A l2O3粉体加工技术的日渐完善,将推动95、99A l2O3瓷上质量更上一层。厂家多、水平低、分散经营的格局将被打破,随着市场竞争的日益激烈,兼并、联营、破产现象不可避免,新型的具有现代管理手段,具有较强的新产品开发能力,规模化生产的企业终将占领市场,其规模化生产不体现在人员数量多,而是体现在产量大,生产效益高,窑炉的发展方向是全自动高温隧道窑和间歇窑并存,窑炉温差小,隔热效果好。新产品的高要求将推动后加工技术的发展。83第13卷第1期陶瓷研究总第49期