一種耐高溫陶瓷履帶制備方法與流程

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明屬于新材料履帶制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種耐高溫陶瓷履帶制備方法，以兩相復(fù)合陶瓷材料zta(氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷)為原料，采用干壓+等靜壓成型和微波燒結(jié)技術(shù)制備應(yīng)用于履帶傳輸式隧道窯的耐高溫陶瓷履帶。

背景技術(shù)：
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履帶傳輸式隧道窯是現(xiàn)有技術(shù)中最新一代的高溫電爐，應(yīng)用于粉末冶金、陶瓷、建材和熱處理等行業(yè)的生產(chǎn)中，履帶傳輸式隧道窯有三大突出優(yōu)點(diǎn)：一是由于省去了匣缽等裝載體，直接對產(chǎn)品加熱，降低能耗50％以上，具有顯著的節(jié)能效果；二是和其他窯爐相比廢品率降低90％以上，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量，一致性好；三是故障少、維修方便，維修時(shí)不停產(chǎn)。履帶傳輸式隧道窯包含五部分結(jié)構(gòu)：一是可控硅控制的電氣控制系統(tǒng)，包括控溫系統(tǒng)和溫度監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)；二是由配流系統(tǒng)控制氮?dú)?、氫氣和丙烷的混合氣體的氣氛保護(hù)系統(tǒng)，用以確保各溫帶所需的氣氛保護(hù)氣體，使發(fā)熱體和被燒結(jié)產(chǎn)品得到所需的氣氛保護(hù)；三是燒結(jié)帶和冷卻帶，包括兩個(gè)帶區(qū)的預(yù)熱帶、三個(gè)帶區(qū)的高溫帶和三個(gè)帶區(qū)的冷卻帶，預(yù)熱帶的保溫材料為硅酸鋁纖維，加熱體為硅碳棒，高溫帶的保溫材料為氧化鋁纖維，充氮?dú)獗Ｗo(hù)，加熱體為硅鉬棒，冷卻帶的材料為雙層鋼套內(nèi)裝冷卻管和控制降溫，各帶區(qū)的溫度由熱電偶測定；四是由高性能結(jié)構(gòu)陶瓷材料制成的耐高溫陶瓷履帶，履帶總長42米、寬0.28米，每節(jié)長0.06米，通過一個(gè)長0.28米的圓柱串聯(lián)而成，整個(gè)履帶由滾輪和托輪控制行走，走速為4英寸/分，履帶的承載力為150公斤/小時(shí)；五是空分氮設(shè)備，由空氣分解出氮?dú)庖蕴峁└G爐所需的使用氣體。履帶傳輸式隧道窯的關(guān)鍵技術(shù)是耐高溫陶瓷履帶，履帶傳輸式隧道窯的技術(shù)要求包括高溫強(qiáng)度大、熱震性好、耐磨損、耐腐蝕，同時(shí)要求很高的尺寸精度和穩(wěn)定性。陶瓷材料在應(yīng)用于制造耐高溫履帶方面與不銹鋼材料相比性能良好，成本低廉，目前，制約陶瓷履帶發(fā)展的問題主要有制造成本高和使用性能差：陶瓷材料燒成后材料硬度很高，成型時(shí)不能達(dá)到近凈尺寸，研磨很困難，傳統(tǒng)的方法樣品加工成本高，導(dǎo)致產(chǎn)品的價(jià)格高，無法與金屬及其復(fù)合材料競爭，難以推廣使用，其中陶瓷機(jī)加工的成本幾乎占到陶瓷制造成本的1－2/3；另外，陶瓷材料的分散性大，可靠性差。成型工藝作為制備高性能陶瓷材料及部件的關(guān)鍵技術(shù)，不僅是材料設(shè)計(jì)和材料配方實(shí)現(xiàn)的前提，而且是降低陶瓷制造成本，提高材料可靠性尤為重要的環(huán)節(jié)；現(xiàn)有技術(shù)中，陶瓷履帶規(guī)?；a(chǎn)使用的成型方法主要是干壓法、注漿成型法和注塑成型法的傳統(tǒng)方法，干壓成型由于粉料與模具的摩擦阻力，力傳遞的梯度效應(yīng)等易導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)的不均勻；注漿成型易造成素坯分層和素坯強(qiáng)度也較低的問題；注塑成型存在著制造成本高和使用可靠性差的問題。現(xiàn)有技術(shù)中的單模式或多模反射式加熱燒結(jié)靠腔體壁的反射形成駐波使能量集中來進(jìn)行熱傳導(dǎo)形式的加熱，存在加熱溫度梯度大、材料受熱不均勻、加熱時(shí)間長和耗能大的缺點(diǎn)。因此，研發(fā)一種低成本、高可靠性和使用性能的耐高溫陶瓷履帶制備方法，制備取代不銹鋼履帶的陶瓷履帶，有利于結(jié)構(gòu)陶瓷材料的批量化生產(chǎn)制備，促進(jìn)科學(xué)研究成果迅速轉(zhuǎn)化為商品，具有很好的規(guī)模化產(chǎn)業(yè)化前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，尋求設(shè)計(jì)一種低成本、高可靠性和使用性能的耐高溫陶瓷履帶制備方法，制備取代不銹鋼履帶的陶瓷履帶，提高履帶的性能指標(biāo)，減少生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明涉及的耐高溫陶瓷履帶制備方法的工藝過程包括粉料制備、生坯成型和微波燒結(jié)共三個(gè)步驟：

(一)、粉料制備：將純度大于99％和粒度小于0.5μm的粉狀3y-tzp與純度為99％和粒度為1μm的粉狀al2o3配制成質(zhì)量百分比為10％的混合粉狀物，混合粉狀物經(jīng)球磨機(jī)混合10小時(shí)后干燥并經(jīng)40目篩子的過濾，得到粉料，完成粉料的制備；

(二)、生坯成型：對粉料先后進(jìn)行3-5分鐘的100mpa干壓與8-12分鐘的250mpa冷等靜壓形成履帶的生坯；

(三)、微波燒結(jié)：將生坯放入填充有sic粉料的al2o3坩堝中，al2o3坩堝在由保溫材料制成的底部開設(shè)圓孔的圓筒，圓筒的外壁套設(shè)直徑為18cm和高度為12cm的不銹鋼環(huán)的微波燒結(jié)裝置，生坯在100℃溫度下保溫1小時(shí)后，然后微波燒結(jié)裝置按照100℃/h的升溫速率將溫度升至500℃，最后以15℃/min的升溫速率升溫至1400℃，并在1400℃條件下保溫30分鐘，完成微波燒結(jié)。

本發(fā)明制備的耐高溫陶瓷履帶中的3y-tzp和al2o3的質(zhì)量百分比分別為90％和10％。

本發(fā)明制備的耐高溫陶瓷履帶在美國gassbre公司生產(chǎn)的12英寸履帶傳輸式高溫隧道窯進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：將1米長的耐高溫陶瓷履帶換裝在高溫隧道窯上，設(shè)置實(shí)驗(yàn)工作區(qū)溫度為1120-1250℃，設(shè)置履帶運(yùn)行速度為4英寸/分鐘，設(shè)置履帶每一工作循環(huán)時(shí)間為3小時(shí)，設(shè)置履帶負(fù)荷為25公斤/米，總載荷為450公斤，設(shè)置實(shí)驗(yàn)時(shí)間為168小時(shí)/次，進(jìn)行2次實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：耐高溫陶瓷履帶平整且無尺寸偏移，符合組裝要求，經(jīng)過實(shí)際滿負(fù)荷工作實(shí)驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)斷裂和破損的異常情況，滿足使用要求，使用性能良好；實(shí)驗(yàn)表明：耐高溫陶瓷履帶具有高溫強(qiáng)度大、熱震性好、耐磨損、耐腐蝕、尺寸精度高和穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，耐高溫陶瓷履帶在800℃-室溫的過程中進(jìn)行了180次熱循環(huán)，熱震性能好，耐高溫陶瓷履帶在1200℃條件下的平均強(qiáng)度為456.07mpa，耐高溫陶瓷履帶在1400℃條件下保持50小時(shí)后的收縮率為0.61％，尺寸穩(wěn)定性良好。

本發(fā)明涉及的微波燒結(jié)裝置的主體結(jié)構(gòu)包括磁控管、微波電源、環(huán)形器、水負(fù)載、四樁調(diào)諧器、加熱腔、負(fù)載、天線陣、轉(zhuǎn)動(dòng)支架和托盤；設(shè)置有磁控管的微波電源與環(huán)形器的左端管道式連接，環(huán)形器的下端設(shè)置有水負(fù)載，環(huán)形器的右端與四樁調(diào)諧器的左端管道式連接，四樁調(diào)諧器的右端與內(nèi)空式矩形結(jié)構(gòu)的加熱腔管道式直角連接，設(shè)置有負(fù)載加熱腔的頂端設(shè)置有天線陣，加熱腔的底端設(shè)置有轉(zhuǎn)動(dòng)支架，轉(zhuǎn)動(dòng)支架的頂端設(shè)置有圓形板狀結(jié)構(gòu)的托盤；磁控管發(fā)射的微波頻率為2.45ghz；微波電源的最大輸出功率為5kw；環(huán)形器用于將負(fù)載的反射波送入水負(fù)載，使其不致返回磁控管，以保護(hù)磁控管；水負(fù)載用于吸收環(huán)形器送入的反射波；四樁調(diào)諧器用于控制加熱腔使負(fù)載的反射波最??；加熱腔的材質(zhì)為不銹鋼；天線陣用于匯聚微波并使微波順利進(jìn)入加熱腔；轉(zhuǎn)動(dòng)支架用于旋轉(zhuǎn)和支撐托盤，使托盤在轉(zhuǎn)動(dòng)支架的帶動(dòng)下做圓周運(yùn)動(dòng)；托盤用于承載被燒結(jié)的物品。

本發(fā)明涉及的微波燒結(jié)是通過微波能激勵(lì)被燒結(jié)材料內(nèi)部的電偶極矩的極高頻率的振動(dòng)產(chǎn)生熱效應(yīng)，屬于整體性的均勻加熱，同時(shí)因?yàn)楸粺Y(jié)材料對電磁場的響應(yīng)時(shí)間極短，加熱速度快，通過電磁場直接對被燒結(jié)材料的內(nèi)部加熱，使被燒結(jié)材料的溫度梯度小,加熱均勻,抑制晶粒的過分長大,進(jìn)一步提高被燒結(jié)材料的性能指標(biāo)，節(jié)能環(huán)保。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，以超細(xì)的氧化鋁和3y-tzp微粉為原料，顯微組織為均勻的細(xì)晶粒3y-tzp-al2o3，亞穩(wěn)四方相氧化鋯(t-zro2)粒子彌散于氧化鋁基體中，原料具有強(qiáng)度高、耐磨性好，拋光性較好，磨擦系數(shù)小，耐腐蝕性高、自潤滑性能好的特點(diǎn)，采用干壓+等靜壓成型法和微波燒結(jié)技術(shù)制備高溫強(qiáng)度大、熱震性好、耐磨損、耐腐蝕、尺寸穩(wěn)定性好的陶瓷履帶，燒結(jié)完畢后只需將履帶表面拋光即可使用，避免了燒結(jié)后的研磨加工工序，使用壽命為不銹鋼履帶的10－20倍，大大降低了耐高溫陶瓷履帶的制作成本，在提高陶瓷材料的性能指標(biāo)、產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的前提下，減少生產(chǎn)環(huán)節(jié)，以利于推廣使用；其工藝簡單，原理科學(xué)合理，操作性強(qiáng)，能耗低、成品率高、成本低，使用環(huán)境友好，有良好的工業(yè)應(yīng)用前景。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明的工藝流程框圖。

圖2為本發(fā)明涉及的微波燒結(jié)裝置的主體結(jié)構(gòu)原理示意圖。

圖3為本發(fā)明涉及的耐高溫陶瓷履帶的主體結(jié)構(gòu)原理示意圖，其中a為排氣孔，b為鏈接孔。

具體實(shí)施方式：

下面通過實(shí)施例并結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

實(shí)施例1：

本實(shí)施例涉及的耐高溫陶瓷履帶制備方法的工藝過程包括粉料制備、生坯成型和微波燒結(jié)共三個(gè)步驟：

(一)、粉料制備：將純度大于99％和粒度小于0.5μm的粉狀3y-tzp與純度為99％和粒度為1μm的粉狀al2o3配制成質(zhì)量百分比為10％的混合粉狀物，混合粉狀物經(jīng)球磨機(jī)粉碎10小時(shí)后干燥并經(jīng)40目篩子的過濾，得到粉料，完成粉料的制備；

(二)、生坯成型：對粉料先后進(jìn)行3-5分鐘的100mpa干壓與8-12分鐘的250mpa冷等靜壓形成履帶的生坯；

(三)、微波燒結(jié)：將生坯放入填充有sic粉料的al2o3坩堝中，al2o3坩堝在由保溫材料制成的底部開設(shè)圓孔的圓筒，圓筒的外壁套設(shè)直徑為18cm和高度為12cm的不銹鋼環(huán)的微波燒結(jié)裝置，生坯在100℃溫度下保溫1小時(shí)后，然后微波燒結(jié)裝置按照100℃/h的升溫速率將溫度升至500℃，最后以15℃/min的升溫速率升溫至1400℃，并在1400℃條件下保溫30分鐘，完成微波燒結(jié)，(sic粉料的作用是使生坯的溫度均勻上升或下降；圓孔的作用是便于光學(xué)高溫計(jì)測量sic粉料的表面溫度；不銹鋼環(huán)的作用是修飾微波場，使燒結(jié)溫度分布均勻，升溫或降溫穩(wěn)定，易于控制燒結(jié)過程)。

本實(shí)施例制備的耐高溫陶瓷履帶中的3y—tzp(3％mol氧化釔作為穩(wěn)定劑的四方相二氧化鋯陶瓷)和al2o3(氧化鋁)的質(zhì)量百分比分別為90％和10％。

本實(shí)施例制備的耐高溫陶瓷履帶在美國gassbre公司生產(chǎn)的12英寸履帶傳輸式高溫隧道窯進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：將1米長的耐高溫陶瓷履帶換裝在高溫隧道窯上，設(shè)置實(shí)驗(yàn)工作區(qū)溫度為1120-1250℃，設(shè)置履帶運(yùn)行速度為4英寸/分鐘，設(shè)置履帶每一工作循環(huán)時(shí)間為3小時(shí)，設(shè)置履帶負(fù)荷為25公斤/米，總載荷為450公斤，設(shè)置實(shí)驗(yàn)時(shí)間為168小時(shí)/次，進(jìn)行2次實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：耐高溫陶瓷履帶平整且無尺寸偏移，符合組裝要求，經(jīng)過實(shí)際滿負(fù)荷工作實(shí)驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)斷裂和破損的異常情況，滿足使用要求，使用性能良好；實(shí)驗(yàn)表明：耐高溫陶瓷履帶具有高溫強(qiáng)度大、熱震性好、耐磨損、耐腐蝕、尺寸精度高和穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，耐高溫陶瓷履帶在800℃-室溫的過程中進(jìn)行了180次熱循環(huán)，熱震性能好，耐高溫陶瓷履帶在1200℃條件下的平均強(qiáng)度為456.07mpa，耐高溫陶瓷履帶在1400℃條件下保持50小時(shí)后的收縮率為0.61％，尺寸穩(wěn)定性良好。

本實(shí)施例涉及的微波燒結(jié)裝置的主體結(jié)構(gòu)包括磁控管1、微波電源2、環(huán)形器3、水負(fù)載4、四樁調(diào)諧器5、加熱腔6、負(fù)載7、天線陣8、轉(zhuǎn)動(dòng)支架9和托盤10；設(shè)置有磁控管1的微波電源2與環(huán)形器3的左端管道式連接，環(huán)形器3的下端設(shè)置有水負(fù)載4，環(huán)形器3的右端與四樁調(diào)諧器5的左端管道式連接，四樁調(diào)諧器5的右端與內(nèi)空式矩形結(jié)構(gòu)的加熱腔6管道式直角連接，設(shè)置有負(fù)載7加熱腔6的頂端設(shè)置有天線陣8，加熱腔6的底端設(shè)置有轉(zhuǎn)動(dòng)支架9，轉(zhuǎn)動(dòng)支架9的頂端設(shè)置有圓形板狀結(jié)構(gòu)的托盤10；磁控管1發(fā)射的微波頻率為2.45ghz；微波電源2的最大輸出功率為5kw；環(huán)形器3用于將負(fù)載7的反射波送入水負(fù)載4，使其不致返回磁控管1，以保護(hù)磁控管1；水負(fù)載4用于吸收環(huán)形器3送入的反射波；四樁調(diào)諧器5用于控制加熱腔6使負(fù)載7的反射波最?。患訜崆?的材質(zhì)為不銹鋼；天線陣8用于匯聚微波并使微波順利進(jìn)入加熱腔6；轉(zhuǎn)動(dòng)支架9用于旋轉(zhuǎn)和支撐托盤10，使托盤10在轉(zhuǎn)動(dòng)支架9的帶動(dòng)下做圓周運(yùn)動(dòng)；托盤10用于承載被燒結(jié)的物品。

本實(shí)施例涉及的微波燒結(jié)是通過微波能激勵(lì)被燒結(jié)材料內(nèi)部的電偶極矩的極高頻率的振動(dòng)產(chǎn)生熱效應(yīng)，屬于整體性的均勻加熱，同時(shí)因?yàn)楸粺Y(jié)材料對電磁場的響應(yīng)時(shí)間極短，加熱速度快，通過電磁場直接對被燒結(jié)材料的內(nèi)部加熱，使被燒結(jié)材料的溫度梯度小,加熱均勻,抑制晶粒的過分長大,進(jìn)一步提高被燒結(jié)材料的性能指標(biāo)，節(jié)能環(huán)保。