專利名稱：耐熱鋼用納米復(fù)合陶瓷添加劑及其制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備耐熱鋼用的納米復(fù)合陶瓷添加劑及其制備工藝，特別是一種用于耐熱鋼中、替代原來貴金屬鎳的新型添加劑和它的制備方法。
背景技術(shù)：
耐熱鋼鑄件在熱電廠鍋爐、高溫電爐等領(lǐng)域正在起著重要的作用。耐熱鑄鋼均需要添加6～35％(重量百分比)的鎳金屬。鎳是航空發(fā)動(dòng)機(jī)用戰(zhàn)略資源，且不可再生，民用工業(yè)的大量使用，將加快鎳資源的消耗速度；而且由于鎳金屬價(jià)格昂貴(約16萬元/噸)，用在民用工業(yè)上導(dǎo)致成本增加，企業(yè)利潤大大減少。

發(fā)明內(nèi)容
1、發(fā)明目的本發(fā)明提供一種耐熱鋼用納米復(fù)合陶瓷添加劑及其制備工藝，其目的是解決傳統(tǒng)的耐熱鋼鑄件需要添加6～35％重量百分比的鎳金屬，但鎳金屬價(jià)格昂貴增加了產(chǎn)品的成本，也加快鎳資源的消耗速度等方面存在的問題。
2、技術(shù)方案本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的一種耐熱鋼用納米復(fù)合陶瓷添加劑，其特征在于該添加劑由陶瓷粉料、低熔點(diǎn)金屬、高密度金屬組合制備而成；其中陶瓷粉料由納米級(jí)的Al2O3、TiO2及其它金屬氧化物組成，它們的重量和占添加劑總重量的10～25％；低熔點(diǎn)金屬為鋁、鈦、鎂中的一種或多種元素按任意重量比例混合，低熔點(diǎn)金屬的重量占添加劑總重量的5～18％；高密度金屬由鉻、錳、鉛、鋅中的一種或多種元素按任意重量比例混合，高密度金屬的重量占添加劑總重量的57～85％。
陶瓷粉料中的納米級(jí)Al2O3和TiO2的重量之和占陶瓷粉料總重量的6～21％；其它金屬氧化物為MgO、Cr2O3和ZrO2，三者之間按任意比例混合，其總重量占陶瓷粉料總重量的79～94％。
制得添加劑的密度為5.03～6.19g/cm3，熔點(diǎn)為1450～15lO℃。
一種耐熱鋼用納米復(fù)合陶瓷添加劑的制備工藝，其特征在于該制備工藝按下述步驟進(jìn)行按上述比例取各原料，首先將陶瓷粉料中的納米級(jí)Al2O3、TiO2分散成單顆粒狀態(tài)，和其它金屬氧化物一起加入到無水乙醇溶液中制備成料漿，將低熔點(diǎn)金屬加入到制備的料漿中，再加入高密度金屬，然后用攪拌機(jī)攪拌均勻，攪拌時(shí)間6～24小時(shí)，干燥后燒結(jié)，即得本發(fā)明耐熱鋼用納米復(fù)合陶瓷添加劑。
將上述攪拌均勻后的料漿脫去部分溶劑制成泥餅，干燥后燒結(jié)；或直接將料漿烘干，用干壓成型方法壓成塊狀后燒結(jié)；燒結(jié)時(shí)在氣體保護(hù)條件下完成，保護(hù)用的氣體為氬氣或氮?dú)猓瑹Y(jié)溫度為1000～1350℃，保溫30～240分鐘。3、優(yōu)點(diǎn)及效果通過本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)施，能夠很好地解決傳統(tǒng)的耐熱鋼鑄件需要添加6～35％重量百分比的鎳金屬，但鎳金屬價(jià)格昂貴增加了產(chǎn)品的成本，也加快鎳資源的消耗速度等方面存在的問題。
本發(fā)明采用廉價(jià)材料制成添加劑，它可替代制備耐熱鋼時(shí)添加的貴金屬鎳，既可節(jié)約戰(zhàn)略資源，又可為耐熱鋼鑄件生產(chǎn)廠家降低成本增加效益。本發(fā)明利用納米氧化鋁、氧化鋯、氧化鎂、氧化鈦以及氧化鉻等陶瓷粉料，與其他金屬粉料進(jìn)行復(fù)合，制成納米復(fù)合陶瓷添加劑加入耐熱鋼中，替代貴金屬鎳。
通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，所制備的添加劑，用在耐熱鑄鋼件上，鑄鋼件的耐熱性超過原來加鎳的工件，且焊接性能良好，焊縫處的耐熱性與母材的耐熱性相同，節(jié)省了稀有金屬資源，降低了耐熱鋼產(chǎn)品成本。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的目的是研究一種納米復(fù)合陶瓷添加劑材料，使之具有與耐熱鋼相近的熔點(diǎn)和密度。當(dāng)鋼水熔化后，將該添加劑加入并熔于耐熱鋼中，隨后即可進(jìn)行澆鑄。用添加劑代替耐熱鋼中的貴金屬鎳，既保持耐熱鋼原有耐熱性能，又極大地降低了耐熱鋼的成本，節(jié)約稀有金屬資源。在研究過程中，必須解決三個(gè)重要問題一是添加劑的熔點(diǎn)必須與耐熱鋼的熔點(diǎn)相近，如果熔點(diǎn)差異過大，添加劑無法充分熔解，必將形成成分偏析，對提高耐熱性不利。二是添加劑的密度必須與耐熱鋼的密度相近，如果密度相差過大，添加劑飄浮在鋼水表面，很難熔入鋼水中，無法起到提高耐熱性的作用。三是添加劑所有組元都不能影響耐熱鋼的工藝性能，如果對熔煉或澆鑄過程產(chǎn)生不良影響，耐熱鋼生產(chǎn)廠家就不愿意使用，將會(huì)影響該產(chǎn)品的推廣。
本發(fā)明為一種耐熱鋼用納米復(fù)合陶瓷添加劑，該添加劑由陶瓷粉料、低熔點(diǎn)金屬、高密度金屬組合制備而成；其中陶瓷粉料中包括納米級(jí)或亞微米級(jí)的Al2O3、TiO2與其它金屬氧化物，它們的重量之和占添加劑總重量的10～25％，陶瓷粉料中納米級(jí)的Al2O3和TiO2的重量之和占陶瓷粉料總重量的6～21％，金屬氧化物為MgO、Cr2O3和ZrO2按任意重量比組合而成，它們的重量和占陶瓷粉料總重量的79～94％；低熔點(diǎn)金屬由鋁、鈦、鎂中的一種或多種元素按任意重量比例混合而成，低熔點(diǎn)金屬的重量占添加劑總重量的5～18％；高密度金屬由鉻、錳、鉛、鋅中的一種或多種元素按任意重量比例混合而成，高密度金屬的重量占添加劑總重量的57～85％。
本發(fā)明的耐熱鋼用納米復(fù)合陶瓷添加劑的制備工藝，該制備工藝按下述步驟進(jìn)行按上述比例取各原料，首先將陶瓷粉料中的納米級(jí)的Al2O3和TiO2分散成單顆粒狀態(tài)，和其它金屬氧化物一起加入到無水乙醇溶液中制備成料漿，將低熔點(diǎn)金屬加入到制備的料漿中，再加入高密度金屬，然后用攪拌機(jī)攪拌均勻，攪拌時(shí)間6～21小時(shí)，干燥后燒結(jié)；燒結(jié)時(shí)在氬氣或氮?dú)獾臍怏w保護(hù)條件下完成，燒結(jié)溫度為1000～1350℃，保溫30～240分鐘，即得本發(fā)明耐熱鋼用納米復(fù)合陶瓷添加劑?？梢詫⑸鲜鰯嚢杈鶆蚝蟮牧蠞{脫去部分溶劑制成泥餅，干燥后燒結(jié)；也可以直接將料漿烘干，用干壓成型方法壓成塊狀后燒結(jié)。
實(shí)施例1一種耐熱鋼用納米復(fù)合陶瓷添加劑，該添加劑由陶瓷粉料、低熔點(diǎn)金屬、高密度金屬組合制備而成；其中陶瓷粉料包括納米級(jí)的Al2O3、TiO2和金屬氧化物MgO、Cr2O3、ZrO2的重量之和為500g；其中Al2O3150g、TiO2150g、MgO 80g、Cr2O370g、ZrO270g；低熔點(diǎn)金屬由鋁、鈦、鎂各元素按任意重量比例混合，低熔點(diǎn)金屬的重量為900g；高密度金屬由鉻、錳、鉛、鋅各元素按任意重量比例混合，高密度金屬的重量為3600g。
一種耐熱鋼用納米復(fù)合陶瓷添加劑的制備工藝，按下述步驟進(jìn)行按上述重量取各原料，首先將陶瓷粉料中納米級(jí)的Al2O3和TiO2分散成單顆粒狀態(tài)，和其它金屬氧化物MgO、Cr2O3和ZrO2一起加入到無水乙醇溶液中制備成料漿，依次將低熔點(diǎn)金屬鋁、鈦、鎂加入到制備的料漿中，再加入高密度金屬鉻、錳、鉛、鋅，然后用攪拌機(jī)攪拌均勻，攪拌時(shí)間6～24小時(shí)，干燥后燒結(jié)；燒結(jié)在氬氣或氮?dú)獾臍怏w保護(hù)條件下完成，燒結(jié)溫度為1000～1350℃，保溫30～240分鐘，即得本發(fā)明耐熱鋼用納米復(fù)合陶瓷添加劑。
實(shí)施例2一種耐熱鋼用納米復(fù)合陶瓷添加劑，該添加劑由陶瓷粉料、低熔點(diǎn)金屬、高密度金屬組合制備而成；其中陶瓷粉料中納米級(jí)的Al2O3、TiO2和金屬氧化物MgO、Cr2O3、ZrO2的重量之和為750g；其中Al2O3200g、TiO2200g、MgO 150g、Cr2O3100g、ZrO2100g；低熔點(diǎn)金屬由鋁、鈦、鎂各元素按任意重量比例混合，低熔點(diǎn)金屬的重量為500g；高密度金屬由鉻、錳、鉛、鋅各元素按任意重量比例混合，高密度金屬的重量為3750g。
一種耐熱鋼用納米復(fù)合陶瓷添加劑的制備工藝，按下述步驟進(jìn)行按上述重量取各原料，首先將陶瓷粉料中納米級(jí)的Al2O3和TiO2分散成單顆粒狀態(tài)，和其它金屬氧化物MgO、Cr2O3和ZrO2一起加入到無水乙醇溶液中制備成料漿，依次將低熔點(diǎn)金屬鋁、鈦、鎂加入到制備的料漿中，再加入高密度金屬鉻、錳、鉛、鋅，然后用攪拌機(jī)攪拌均勻，攪拌時(shí)間6～24小時(shí)，將料漿脫去部分溶劑制成泥餅，干燥后燒結(jié)；干燥過程保持負(fù)壓，燒結(jié)在氬氣或氮?dú)獾臍怏w保護(hù)條件下完成，燒結(jié)溫度為1000～1350℃，保溫30～240分鐘，即得本發(fā)明耐熱鋼用納米復(fù)合陶瓷添加劑。
實(shí)施例3一種耐熱鋼用納米復(fù)合陶瓷添加劑，該添加劑由陶瓷粉料、低熔點(diǎn)金屬、高密度金屬組合制備而成；其中陶瓷粉料中納米級(jí)的Al2O3、TiO2和金屬氧化物MgO、Cr2O3、ZrO2的重量之和為1250g；其中Al2O3500g、TiO2500g、MgO 100g、Cr2O375g、ZrO275g；低熔點(diǎn)金屬由鋁、鈦、鎂各元素按任意重量比例混合，低熔點(diǎn)金屬的重量為500g；高密度金屬由鉻、錳、鉛、鋅各元素按任意重量比例混合，高密度金屬的重量為3250g。
一種耐熱鋼用納米復(fù)合陶瓷添加劑的制備工藝，按下述步驟進(jìn)行按上述重量取各原料，首先將陶瓷粉料中納米級(jí)的Al2O3和TiO2分散成單顆粒狀態(tài)，和其它金屬氧化物MgO、Cr2O3和ZrO2一起加入到無水乙醇溶液中制備成料漿，依次將低熔點(diǎn)金屬鋁、鈦、鎂加入到制備的料漿中，再加入高密度金屬鉻、錳、鉛、鋅，然后用攪拌機(jī)攪拌均勻，攪拌時(shí)間6～24小時(shí)，用干壓成型方法壓成塊狀后燒結(jié)；燒結(jié)在氬氣或氮?dú)獾臍怏w保護(hù)條件下完成，燒結(jié)溫度為1000～1350℃，保溫30～240分鐘，即得本發(fā)明耐熱鋼用納米復(fù)合陶瓷添加劑。
實(shí)施例4本發(fā)明制備的添加劑配方如下(1)加入低熔點(diǎn)金屬鋁、鈦、鎂，加入量控制在5～18％；(2)加入密度高的金屬如鉻、錳、鉛、鋅，總加入量為57～85％；其中低熔點(diǎn)金屬鉛和鋅的總量為0.5～3.5％，以保證耐熱鋼具有良好的耐熱性。
(3)納米陶瓷粉Al2O3，TiO2，MgO，Cr2O3，和ZrO2(5Y-PSZ，即含有5mol Y2O3的部分穩(wěn)定氧化鋯)?？傆?jì)加入量為10～25％。其中Al2O3，Cr2O3兩項(xiàng)之和為6～21％。
制備工藝按照所列組成成分，利用超聲波將納米級(jí)Al2O3和TiO2等陶瓷粉料充分分散后，加入事先配制好的PVB-無水乙醇溶液中，利用攪拌機(jī)攪拌，同時(shí)依次加入低熔點(diǎn)金屬鋁、鈦、鎂，再加入高密度金屬鉻、錳、鉛、鋅。再攪拌6～24小時(shí)，然后在真空干燥箱中干燥，干燥過程保持負(fù)壓。然后球磨過篩，再用液壓機(jī)和專用模具壓成塊狀，在1000～1350℃、氬氣保護(hù)條件下燒結(jié)90min，即得本發(fā)明添加劑。
用上述配方制得的本發(fā)明添加劑性能如下獲得添加劑密度為5.03～6.19g/cm3。添加劑的熔點(diǎn)1450～1510℃。
關(guān)于添加劑加入到鑄鋼件中的實(shí)施例鑄造過程添加劑的使用方法在200kg的感應(yīng)電爐中進(jìn)行鑄造實(shí)驗(yàn)。耐熱鑄鋼的其他成分與1Cr33Ni9TiRe相同，只是加入添加劑9％，取消了原來9％的貴金屬鎳。添加方法采用如下兩種實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)一按照正常工藝將鋼水熔化，然后將本發(fā)明添加劑加到鋼水中，經(jīng)過約5分鐘左右，添加劑熔化，將鋼水倒入鋼包中澆鑄；樣品編號(hào)為A1。
實(shí)驗(yàn)二按照正常工藝將鋼水熔化，將砸碎后的本發(fā)明添加劑加到鋼水包底部，然后將鋼水倒入鋼包中，此時(shí)添加劑熔化，等待約1分鐘即可澆鑄。樣品編號(hào)為A2。
由于鑄造工藝保持不變，滿足鑄鋼工藝的要求。
耐熱鋼耐熱性實(shí)施例實(shí)驗(yàn)用樣品三件，分別為A1，A2和1Cr33Ni9TiRe耐熱鋼(簡稱B)。
耐熱性實(shí)驗(yàn)采用如下兩個(gè)方案實(shí)驗(yàn)一1250℃氧化72小時(shí)。實(shí)驗(yàn)二1300℃氧化36小時(shí)。
失重率如表1所示。
表1兩種實(shí)驗(yàn)條件下樣品的失重率


從失重結(jié)果看，加入添加劑的耐熱鋼抗氧化性優(yōu)于原來加鎳的耐熱鋼。
加本發(fā)明制得添加劑的耐熱鋼焊接性實(shí)驗(yàn)實(shí)施例將使用添加劑的耐熱鋼樣品進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)，分別采用氬弧焊接和采用不銹鋼焊條焊接兩種方案。
氬弧焊接結(jié)果焊接過程未開裂，焊后放置48小時(shí)，未開裂，加熱到1300℃保持36小時(shí)，未開裂。
不銹鋼焊條焊接焊接過程未開裂，焊后放置48小時(shí)，未開裂，加熱到1300℃保持36小時(shí)，未開裂。
因此本發(fā)明制得的添加劑可完全替代金屬鎳作為制備耐熱鋼的添加物使用，用它制得的耐熱鋼的各種性能均優(yōu)于用金屬鎳制備耐熱鋼，大大降低了耐熱鋼的成本，減少了金屬鎳資源的消耗。
權(quán)利要求
1.一種耐熱鋼用納米復(fù)合陶瓷添加劑，其特征在于該添加劑由陶瓷粉料、低熔點(diǎn)金屬、高密度金屬組合制備而成；其中陶瓷粉料由納米級(jí)的Al2O3、TiO2及其它金屬氧化物組成，它們的重量之和占添加劑總重量的10～25％；低熔點(diǎn)金屬為鋁、鈦、鎂中的一種或多種元素按任意重量比例混合，低熔點(diǎn)金屬的重量占添加劑總重量的5～18％；高密度金屬由鉻、錳、鐵、鉛、鋅中的一種或多種元素按任意重量比例混合，高密度金屬的重量占添加劑總重量的57～85％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐熱鋼用納米復(fù)合陶瓷添加劑，其特征在于陶瓷粉料中的納米級(jí)Al2O3和TiO2的重量之和占陶瓷粉料總重量的6～21％；其它金屬氧化物為MgO、Cr2O3和ZrO2，三者之間按任意比例混合，其總重量占陶瓷粉料總重量的79～94％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐熱鋼用納米復(fù)合陶瓷添加劑，其特征在于制得添加劑的密度為5.03～6.19g/cm3，熔點(diǎn)為1450～1510℃。
4.一種耐熱鋼用納米復(fù)合陶瓷添加劑的制備工藝，其特征在于該制備工藝按下述步驟進(jìn)行按上述比例取各原料，首先將陶瓷粉料中的納米級(jí)Al2O3、TiO2分散成單顆粒狀態(tài)，和其它金屬氧化物一起加入到無水乙醇溶液中制備成料漿，將低熔點(diǎn)金屬加入到制備的料漿中，再加入高密度金屬，然后用攪拌機(jī)攪拌均勻，攪拌時(shí)間6～24小時(shí)，干燥后燒結(jié)，即得本發(fā)明耐熱鋼用納米復(fù)合陶瓷添加劑。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的耐熱鋼用納米復(fù)合陶瓷添加劑的制備工藝，其特征在于將上述攪拌均勻后的料漿脫去部分溶劑制成泥餅，干燥后燒結(jié)；或直接將料漿烘干，用干壓成型方法壓成塊狀后燒結(jié)；燒結(jié)時(shí)在氣體保護(hù)條件下完成，保護(hù)用的氣體為氬氣或氮?dú)?，燒結(jié)溫度為1000～1350℃，保溫30～240分鐘。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種耐熱鋼用納米復(fù)合陶瓷添加劑及其制備工藝，該添加劑由陶瓷粉料、低熔點(diǎn)金屬、高密度金屬組合制備而成；其中陶瓷粉料由納米級(jí)的Al
文檔編號(hào)C22C38/00GK1876877SQ20061004652
公開日2006年12月13日 申請日期2006年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月9日
發(fā)明者韓亞苓, 孫泰禮, 袁曉光 申請人:沈陽工業(yè)大學(xué)