專利名稱:生產(chǎn)充分純的氧化鋁材料的方法
本發(fā)明涉及生產(chǎn)一種充分純的氧化鋁的方法。特別是，本發(fā)明涉及生產(chǎn)這樣一種充分純的氧化鋁，它是從利用一種鋁母金屬和一種含氧的氣體的不平常的氧化反應(yīng)過程的粉碎和純化的產(chǎn)品得到的。本發(fā)明還涉及提高較低純度氧化鋁的質(zhì)量來生產(chǎn)更高純度氧化鋁產(chǎn)品的方法。
下面的共同所有的專利申請敘述了生產(chǎn)自支承陶瓷體的新穎方法，該方法是通過母金屬的氧化形成的氧化反應(yīng)產(chǎn)物和任選的金屬成分的多晶體材料。
(A)1986年1月15日申請的系列號為818，943的申請，該申請是1985年9月17日申請的系列號為776，964的部分繼續(xù)申請，后者是1985年2月26日申請的系列號為705，787的部分繼續(xù)申請，后者又是1984年3月16申請的系列號為591，392的部分繼續(xù)申請，所有都以Marc S.Newkirk等人的名義以及題目為“新型陶瓷材料及其制造方法”;
(B)1986年1月27日申請的系列號為822，999的申請，該申請是1985年9月17日申請的系列號為776，965的部分繼續(xù)申請，后者是1985年6月25日申請的系列號為747，788的部分繼續(xù)申請，后者又是1984年7月20日申請的系列號為632，636的部分繼續(xù)申請，所有都以Marc S.Newkirk等人的名義和題目為“自支承陶瓷材料的制造方法”;
(C)1986年1月17日申請的系列號為819，397的申請，該申請是1985年2月4日申請的系列號為697，876的部分繼續(xù)申請，兩者皆以Marc S.Newkirk等人的名義和題目為“復(fù)合陶瓷制品及其制造方法”。
每一個上述共同所有的專利申請的全部公開內(nèi)容都結(jié)合在此以供參考。
正如在這些共同所有的專利申請中所解釋的，新型的多晶陶瓷材料或多晶體陶瓷復(fù)合材料是通過母金屬和作為氧化氣氛的氣相氧化劑，即蒸氣化的或正常氣體之間的氧化反應(yīng)生產(chǎn)的。該方法是屬于在上述共同所有的專利申請(A)中所披露的方法。按照這類方法，將一母金屬，例如鋁，加熱到高于其的熔點(diǎn)但低于其氧化反應(yīng)產(chǎn)物的熔點(diǎn)的高溫下，以形成熔融母金屬體，該母金屬與氣相氧化劑接觸時發(fā)生反應(yīng)形成氧化反應(yīng)產(chǎn)物。在該溫度下，該氧化反應(yīng)產(chǎn)物，或者至少其一部分，與該熔融母金屬體和氧化劑接觸并處于兩者之間，并且將熔融的金屬經(jīng)過已形成的氧化反應(yīng)產(chǎn)物向氧化劑抽引或輸送。該輸送的熔融金屬在以前形成的氧化反應(yīng)產(chǎn)物表面上因與氧化劑相接觸而形成另外的氧化反應(yīng)產(chǎn)物。當(dāng)該工藝過程繼續(xù)進(jìn)行時，另外的金屬經(jīng)過該形成的多晶體氧化反應(yīng)產(chǎn)物而輸送，從而連續(xù)不斷地“長大”成一種互相連接的多晶體陶瓷結(jié)構(gòu)。最后所得陶瓷體可能含有金屬成分，例如，母金屬的未氧化的成分和/或空隙。在一種氧化物作為氧化反應(yīng)產(chǎn)物的情況下，氧氣或含氧的氣體混合物(包括空氣)是合適的氧化劑，由于明顯的經(jīng)濟(jì)原因，通常最好是用空氣。然而，在所有的共有所有的專利申請中和在本申請中氧化一詞是在其廣義上使用的，并且涉及一個金屬失去電子，給予氧化劑，或與氧化劑共有電子，該氧化劑可以是一種或多種元素和/或化合物。
在某些情況下，為了有助于對氧化反應(yīng)產(chǎn)物生長的有利影響或促進(jìn)，母金屬可以要求一種或多種摻雜劑的存在而該摻雜劑是作為母金屬的合金成分提供的。例如，在以鋁作為母金屬和空氣作為氧化劑的情況下，將象鎂和硅之類的摻雜劑(只舉出兩種較大類的摻雜劑材料)與鋁熔合，并用作母金屬。所得氧化反應(yīng)產(chǎn)物含有氧化鋁，一般是α氧化鋁。
上述的共同所有的專利申請(B)披露了進(jìn)一步的發(fā)展，該發(fā)展根據(jù)這個發(fā)現(xiàn)對要求摻雜劑的母金屬而言，如上所述的，可以通過向母金屬的一個或多個表面上施加一種摻雜劑材料引出合適的生長條件，因此在鋁為母金屬和空氣為氧化劑的場合，避免了摻雜劑即象鎂、鋅和硅之類的金屬與母金屬合金化的必要性，用這種改進(jìn)的措施，采用市售的金屬和合金是可行的，否則市售金屬和合金不會含有或具有合適的摻雜的組成。這一發(fā)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)還在于陶瓷的生長可以在母金屬的表面的一處或多處選定的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)，而不是雜亂地長大，從而使工藝過程例如，通過只對母金屬的一個表面上或一部分或幾部分摻雜，而應(yīng)用得更有效。
因此，上述的共同所有的專利申請敘述了作為易于“生長”到相當(dāng)大尺寸的氧化反應(yīng)產(chǎn)物的氧化鋁的生產(chǎn)，該氧化反應(yīng)產(chǎn)物可以作為氧化鋁產(chǎn)品有用的來源。本發(fā)明提供獲得充分純的氧化鋁的方法，這是從通過上述的氧化反應(yīng)過程中，例如，鋁母金屬與含氧氣相氧化劑的反應(yīng)產(chǎn)生的氧化鋁得到的。
新型陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)及其制造方法在上述的共同所有的專利申請(C)中公開并要求保護(hù)，共同所有的專利申請(C)利用氧化反應(yīng)來生產(chǎn)陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包含被多晶陶瓷基體滲透過的實(shí)質(zhì)上惰性的填料。將放置于鄰近可滲透的填料塊體的母金屬加熱形成熔融母金屬體，該熔融母金屬體與氣相氧化劑反應(yīng)形成氧化反應(yīng)產(chǎn)物，如上所述。當(dāng)該氧化反應(yīng)產(chǎn)物生長并滲透鄰近填料材料，熔融的母金屬被抽引經(jīng)過以前形成的氧化反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入填料塊體中，并與氧化劑反應(yīng)，在以前形成的產(chǎn)物表面上形成另外的氧化反應(yīng)產(chǎn)物，如上所描述的。所造成的該氧化反應(yīng)產(chǎn)物的生長滲透進(jìn)或埋置了填料，導(dǎo)致埋置填料的多晶體陶瓷基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的形成。例如，在采用摻雜的鋁作為母金屬，空氣作為氧化劑，和氧化鋁顆粒或鋁粉末作為可滲透的填料的情況下，如上所述形成了一復(fù)合材料，基本上由在氧化鋁基體內(nèi)的氧化鋁顆粒組成，其中氧化鋁基體具有均勻分散的各種金屬成分。
在本發(fā)明的另一方面，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)過氧化鋁填料材料生長作為基體的氧化鋁氧化反應(yīng)產(chǎn)物的工藝過程中，當(dāng)采用比較不純的氧化鋁填料的形式，特別是含有硅酸鹽的形式時，在該工藝過程中，它們與母鋁金屬反應(yīng)得出更純的氧化鋁和還原的金屬成分，例如硅。所以該工藝過程可從較低純度的氧化鋁源提供高純度的氧化鋁源。
在本發(fā)明的一個實(shí)施方案中，在含氧氣相氧化劑存在下，將鋁母金屬加熱形成熔融鋁金屬體。當(dāng)熔融鋁金屬與氧化劑接觸時，氧化鋁作為氧化反應(yīng)產(chǎn)物而形成。保持該工藝過程條件將熔融金屬經(jīng)過已形成的氧化鋁氧化反應(yīng)產(chǎn)物逐漸地向氧化劑抽引，以便在含氧氣相氧化劑和以前形成的氧化鋁氧化反應(yīng)產(chǎn)物之間的界面上繼續(xù)形成氧化鋁氧化反應(yīng)產(chǎn)物。該加熱步驟是在高于該鋁母金屬的熔點(diǎn)但低于氧化鋁反應(yīng)產(chǎn)物的溫度下進(jìn)行的。繼續(xù)進(jìn)行加熱經(jīng)過能產(chǎn)生一種氧化鋁多晶陶瓷體所需的時間。該坯體可能包含一種或多種未氧化鋁金屬材料，例如未氧化的母金屬、摻雜劑，或兩者都有。
本發(fā)明是基于這樣一種發(fā)現(xiàn)，實(shí)質(zhì)上所有的在如上所討論生產(chǎn)出的多晶體陶瓷產(chǎn)品中所產(chǎn)生的非氧化鋁材料a)通過第一次粉碎陶瓷產(chǎn)品可以從表面上看到和b)主要是金屬而不是陶瓷。于是將該非氧化鋁材料通過一種或多種瀝濾劑從陶瓷體內(nèi)抽取，溶解或擴(kuò)散出來，所說的瀝濾劑不管是氣體還是液體，此后均稱之為“瀝濾劑”(“l(fā)eaching agents”)和“瀝濾法”(“l(fā)eaching”)?？赡苄枰幌盗袨r濾步驟，在每一瀝濾之間由一般要用水沖洗。
將這樣獲得的多晶體材料進(jìn)行研磨，粉磨，或用諸如此類方法達(dá)到合適的顆粒度，或顆粒度范圍。然后將所磨好的材料與一種或多種瀝濾劑接觸，或者與一系列的瀝濾劑，例如，酸，堿，或其他有用的溶劑接觸，使用什么樣的瀝濾劑取決于雜質(zhì)。通過瀝濾，從氧化鋁材料中排除象非氧化的鋁金屬、母金屬的合金成分、來自摻雜劑的金屬、或其每一個組合這樣一類的非氧化鋁材料。這種瀝濾工藝過程繼續(xù)進(jìn)行一段時間足夠從粉末狀的多晶體產(chǎn)物中排除上述的非氧化鋁材料，以便可以回收到具有氧化鋁純度不低于99.9%重量的氧化鋁材料，更好的是99.99%(重量)或者更純的氧化鋁材料。
已發(fā)現(xiàn)與氧化本發(fā)明的方法生產(chǎn)的氧化鋁有關(guān)的一個特征是這些氧化鋁具有極其清楚的晶粒界面，沒有其它晶相出現(xiàn)。這個因素造成在該材料中的晶粒內(nèi)斷裂的性質(zhì)，這是在許多傳統(tǒng)生產(chǎn)的氧化鋁中經(jīng)常見不到的一個特點(diǎn)。在氧化鋁中的這種性質(zhì)與象研磨劑和拋光介質(zhì)這樣一類的一些應(yīng)用中的優(yōu)良性質(zhì)相聯(lián)系。
在本發(fā)明的另一方面，形成高純度氧化鋁的一種方法不只是通過母鋁金屬的氧化而且還通過提高低級氧化鋁顆粒產(chǎn)物的質(zhì)量來提供，方法是通過在氧化生長工藝過程中對這種產(chǎn)物中的其它氧化物雜質(zhì)同時進(jìn)行鋁熱還原。在這種情況下，在氧化劑(一般是空氣)存在下，把鋁母金屬放在對可透過的氧化鋁基填料材料適宜或規(guī)定的位置上，以便使氧化反應(yīng)產(chǎn)物的生長朝向和進(jìn)入填料塊體而發(fā)生。氧化反應(yīng)產(chǎn)物的生長透過填料塊體或埋置了填料塊體，從而形成一種氧化鋁/金屬復(fù)合陶瓷結(jié)構(gòu)。該氧化鋁基的填料可以是疏松的或結(jié)合一起的排列，以間隙、縫隙或交錯的空間為特征，并且填料床或填料塊體能為氣相氧化劑所透過并且能為氧化反應(yīng)產(chǎn)物的生長所透過。如在這里和附屬的權(quán)利要求
中所采用的“填料”(“filler”)或“填料材料”(“filler material”)意指由兩種或多種材料組成的均勻的氧化鋁基混合物或者是非均勻的氧化鋁基混合物。
該氧化反應(yīng)產(chǎn)物生長進(jìn)入填料而不會破壞或取代形成氧化鋁/金屬復(fù)合材料的填料成分。在氧化鋁基填料中的氧化物雜質(zhì)通過鋁熱還原而降低，得出更純的氧化鋁成分和金屬成分。然后將所得到的氧化鋁/金屬復(fù)合材料破碎或粉磨，并采用瀝濾劑的瀝濾方法來排除其金屬雜質(zhì)，得出高純度氧化鋁顆粒產(chǎn)物。
在本說明書和附屬權(quán)利要求
中的下述術(shù)語具有以下的含義“陶瓷”不應(yīng)局限于經(jīng)典意義的陶瓷體，也就是說，它完全由非金屬材料和無機(jī)材料組成，而是指組成或者主要性質(zhì)以陶瓷為主的一種坯體，雖然該坯體可以含有少量的或大量一種或多種金屬成分，該金屬成分由鋁母金屬派生，或由摻雜劑或填料還原而得，按體積計(jì)最典型的范圍約在1～40%，但可能包含更多的金屬。
“氧化反應(yīng)產(chǎn)物”是指在任何氧化狀態(tài)的一種或多種金屬、化合物或其混合物，其中的金屬已給出電子給另一元素，或與之共有電子。因此，在這種定義下的“氧化反應(yīng)產(chǎn)物”包括鋁母金屬與氧氣的反應(yīng)產(chǎn)物。
“氧化劑”，“氣相氧化劑”或諸如此類，它指定含有或包含一種特殊氣體或蒸汽的氧化劑，意思是指這樣一種氧化劑其中指定的氣體或蒸汽在采用的氧化環(huán)境中得到的條件下是母金屬唯一的或占優(yōu)勢的，或至少一種主要的氧化劑。例如，雖然空氣的主要成分是氮?dú)?，但空氣的所含的氧是母金屬的唯一氧化劑，因?yàn)檠鯕馐潜鹊獨(dú)怙@著強(qiáng)的氧化劑。所以空氣適合于“含氧氣體”氧化劑這個定義。
“母金屬”指的是這樣的金屬，即鋁，它是作為多晶體氧化反應(yīng)產(chǎn)物的前體，并且包括相當(dāng)純的金屬，具有雜質(zhì)的和/或合金成分的市售金屬、或者其金屬前體占主要成分的合金等的金屬。當(dāng)鋁金屬指定為母金屬時，要在思想中帶有這個定義來理解該金屬，除非在上下文中另有說明。
按照本發(fā)明的一個方面，將作為氧化鋁反應(yīng)產(chǎn)物的前體鋁母金屬(一般是摻雜的，如下面更詳細(xì)的說明)成型為鑄錠、坯段、棒、板、或諸如此類，并放入惰性床、坩堝或其他耐火容器內(nèi)。將該裝滿內(nèi)含物的容器放入爐子中，向爐內(nèi)供給含氧的氣相氧化劑。將該裝置加熱達(dá)到低于氧化鋁氧化反應(yīng)產(chǎn)物熔點(diǎn)但高于鋁母金屬熔點(diǎn)的溫度，這個溫度通常約在850～1450℃之間，更好是約在900～1350℃之間。在該可操作的溫度區(qū)域或范圍內(nèi)，可形成熔融金屬體或液池，并與含氧氣相氧化劑接觸，該熔融鋁金屬會形成一層氧化鋁氧化反應(yīng)產(chǎn)物。然而在某些情況下，其中連同母金屬一起采用象鎂這樣一種摻雜劑材料，在氧化鋁氧化反應(yīng)產(chǎn)物的形成以前先形成象鎂鋁尖晶石這樣一類的薄尖晶石層(如下面更詳細(xì)討論的)。當(dāng)繼續(xù)暴露于氧化環(huán)境時，熔融金屬在氣相氧化劑方向逐漸抽引進(jìn)入并經(jīng)過任何以前形成的氧化反應(yīng)產(chǎn)物。當(dāng)與氧化劑接觸時，該熔融鋁金屬會反應(yīng)形成另外的氧化鋁氧化反應(yīng)產(chǎn)物，由此形成一逐漸增厚的氧化鋁氧化反應(yīng)產(chǎn)物，同時留下分布于整個氧化鋁多晶體材料內(nèi)的金屬成分。該熔融鋁金屬與含氧氣相氧化劑的反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，直到氧化鋁氧化反應(yīng)產(chǎn)物已生長到所要求的限度或邊界，最好是繼續(xù)一段時間足以使鋁母金屬的全部或幾乎全部都與含氧氣相氧化劑反應(yīng)。將所得到氧化鋁陶瓷體粉碎到所需要的顆粒，方法是通過象沖擊研磨、滾動研磨，回轉(zhuǎn)園錐破碎機(jī)破碎等的這樣一類的傳統(tǒng)技術(shù)。
如上所說明的，所形成的陶瓷產(chǎn)品可能含有象未氧化的鋁母金屬、鋁母金屬的合金成分或摻雜劑材料之類的金屬成分。金屬的含量可能在1～40%(體積)的廣泛范圍內(nèi)變化，并且有時更高些，主要取決于所采用的鋁母金屬的消耗(轉(zhuǎn)變)程度和/或所采用的一種摻雜劑或多種摻雜劑的特性和數(shù)量。一般，最理想的是使鋁母金屬幾乎全部與含氧氣相氧化劑反應(yīng)，以便減小必須隨后在溶劑提取階段排出的鋁母金屬的數(shù)量。此外，該氧化反應(yīng)產(chǎn)物通常比金屬成分更容易斷裂，所以它可以以更大的顆粒狀態(tài)保留。因此，限制包含在陶瓷體內(nèi)的金屬的數(shù)量使在破碎陶瓷體和在調(diào)節(jié)提取的操作中所需要的工作減小到最少或緩和。在某些情況下，最好是先從氧化反應(yīng)產(chǎn)物中對較大的金屬顆粒進(jìn)行物理的分離，如在抽取步驟以前過篩以便緩和在這個操作中所必需的工藝過程。
然后將粉碎的氧化反應(yīng)產(chǎn)物與一種或多種合適的瀝濾劑或一系列瀝濾劑接觸，從氧化鋁材料中排除、溶解、擴(kuò)散掉或類似辦法除掉陶瓷體的形成造成的非氧化鋁材料。瀝濾劑可以包含酸、酸的混合物、堿、堿的混合物、或其它溶劑，它們適合于溶解或排除特殊的非氧化鋁材料，例如鋁金屬或摻雜劑金屬，而基本上不降低氧化鋁產(chǎn)物的質(zhì)量。瀝濾劑可以包含象酸溶液這樣的液體、象氯氣這樣的氣體或蒸汽，或者象超臨界溶劑體系這樣的其它流體介質(zhì)。另外，可以連續(xù)地使用一種以上的瀝濾劑以便排除各種非氧化鋁材料，其每一個非氧化鋁材料可以更容易地和/或更有效地用一特別的瀝濾劑排除掉，而這個瀝濾劑對其它存在的非氧化鋁材料的排除是不合適或看成合適的。例如，在氧化反應(yīng)過程中含有未反應(yīng)的鋁和硅作為摻雜劑的磨細(xì)多晶陶瓷產(chǎn)品，首先可以與一種酸瀝濾劑接觸，排除某些金屬(例如，鋁)，水洗，然后與苛性瀝濾劑接觸，排除其它金屬(例如，硅)，再水洗，就回收到相當(dāng)純的氧化鋁。另外，按照本發(fā)明，破碎和瀝濾順序可以對同一多晶體產(chǎn)品反復(fù)進(jìn)行一次或多次，來得到具有更高純度的氧化鋁材料。
瀝濾劑或系列瀝濾劑主要根據(jù)它的能力來進(jìn)行選擇，就是它能溶解或排除破碎的多晶體陶瓷產(chǎn)品中出現(xiàn)的一種或幾種特別的非氧化鋁材料的能力。最典型的，這些非氧化鋁材料包含來自未氧化的鋁母金屬，來自母金屬的和摻雜劑金屬的合金雜質(zhì)，或由摻雜劑材料還原產(chǎn)生的金屬(例如，來自SiO2的Si)。所以，瀝濾劑或系列瀝濾劑必須根據(jù)特殊的非氧化鋁材料來進(jìn)行選擇。例如，在氧化反應(yīng)產(chǎn)物中存在的未反應(yīng)的鋁金屬，可以有效地用象50%HCl的酸排除掉。為加快工藝過程或提高工藝過程效率，可以攪動和/或加熱包括破碎的多晶體陶瓷產(chǎn)物和與特種瀝濾劑的接觸的瀝濾裝置。除了未氧化的鋁以外，破碎的氧化反應(yīng)產(chǎn)物一般含有由摻雜劑材料產(chǎn)生的一種或多種金屬。在某些情況下，例如當(dāng)采用硅或含硅摻雜劑時，酸介質(zhì)可能不會令人滿意地排除非氧化的鋁金屬(例如，硅)。所以，象堿(例如苛性堿溶液)這樣的第二種瀝濾劑是排除這些材料所必需的。然而，當(dāng)采用一系列獨(dú)立瀝濾劑時應(yīng)當(dāng)務(wù)必避免瀝濾劑的混合物或組合這種混合物或組合可能是危險的或者消除瀝濾法的設(shè)計(jì)效用。例如，這可通過適當(dāng)?shù)那逑磥肀苊猓缫环N溶液的洗滌(如去離子水)。將多晶陶瓷產(chǎn)品與瀝濾劑或系列瀝濾劑接觸一段時間足夠溶解掉或者基本上排除所有非氧化鋁材料。因此，萃取到的氧化鋁材料具有一般不低于99.9%(重量)的氧化鋁的純度，并且更好為99.99%如在共同所有的專利申請中所說明的，連同鋁母金屬一起摻雜劑材料的加入能夠?qū)ρ趸磻?yīng)過程起有利的影響。摻雜劑的一種作用或多種作用可能取決于除摻雜劑本身以外的許多因素。這些因素包括例如最終需要的產(chǎn)品、當(dāng)采用兩種或多種摻雜劑時摻雜劑的特種組合、與合金摻雜劑的聯(lián)合的外部施加摻雜劑的使用、摻雜劑的濃度、氧化環(huán)境，以及工藝過程條件。
連同鋁母金屬一起使用的一種摻雜劑或多種摻雜劑(1)可以作為鋁母金屬的合金成分提供，或(2)可以施加到至少鋁母金屬一部分表面上，或工藝方法(1)，(2)的任何組合。例如，合金摻雜劑可以和外部施加的摻雜劑組合使用?？梢酝ㄟ^將摻雜劑的固體放置在至少與一部分鋁母金屬表面接觸的方法來提供摻雜劑的來源。例如，可將一薄片含硅玻璃放在鋁母金屬表面上。當(dāng)將用含硅的材料覆蓋的鋁母金屬在氧化環(huán)境中進(jìn)行熔化時(例如，鋁在空氣中的情況下，在大約850～1450℃之間，最好是大約900～1350℃之間)，就發(fā)生了多晶體陶瓷材料的生長。在摻雜劑外施加到鋁母金屬的至少一部分表面上的情況下，該多晶體氧化鋁結(jié)構(gòu)通?；旧仙L到摻雜劑層以外(即，在施加的摻雜劑層的深度以外)。在任何情況下，一種或多種摻雜劑可以外部施加到母金屬的表面上。另外，母金屬內(nèi)合金化的摻雜劑濃度的任何不足可以通過外部施加到鋁母金屬上的摻雜劑的相應(yīng)濃度來增補(bǔ)。
對鋁母金屬有用的摻雜劑，特別是用空氣作氧化劑，包括，例如，鎂金屬和鋅金屬、彼此互相結(jié)合、或者與下面描述的其它摻雜劑組合。這些金屬，或金屬的合適的來源，可以熔合到鋁基的母金屬內(nèi)，每一種的濃度占最后摻雜的金屬總重約0.1～10%。在這個范圍內(nèi)的濃度似乎能促進(jìn)陶瓷的生長，加強(qiáng)金屬的輸送并有利于所得氧化反應(yīng)產(chǎn)物的生長形態(tài)。任何一種摻雜劑的濃度范圍將取決于象摻雜劑的組合和工藝過程溫度之類的因素。
對促進(jìn)氧化鋁多晶體氧化反應(yīng)產(chǎn)物生長有效的其他摻雜劑，例如，從鋁母金屬體系來說，有硅、鍺、錫和鉛，特別是當(dāng)與鎂一起組合使用時。可將一種或多種這些其它摻雜劑，或其合適的來源，熔合到鋁母金屬體系內(nèi)，對每一個的濃度以總合金的重量計(jì)從大約0.5～15%;然而，以總母金屬合金重量計(jì)在大約1～10%的摻雜劑濃度范圍內(nèi)，可得到更理想的生長動力學(xué)和生長形態(tài)學(xué)。鉛作為摻雜劑考慮到鋁的低溶解度通常是在至少1000℃的溫度下熔合到鋁基母金屬內(nèi)，然而，其它合金成分的加入，例如錫，一般會增大鉛的溶解度而使合金材料可在較低的溫度下加入。
一種或多種摻雜劑可以連同母金屬一起使用。例如，在鋁母金屬和以空氣為氧化劑的情況下，摻雜劑特別有用的組合有(a)鎂和硅或(b)鎂、鋅和硅。在這種實(shí)例中，優(yōu)選的鎂濃度大約在0.1～3%(重量)范圍內(nèi)，鋅大約在1～6%(重量)范圍內(nèi)，以及硅大約在1～10%(重量)范圍內(nèi)。
對用鋁母金屬非常有用的摻雜劑材料另外的實(shí)例包括鈉和鋰，可以單獨(dú)用或與一種或多種其它摻雜劑結(jié)合使用，這取決于工藝過程的條件。鈉和鋰可以用在百萬分之幾的范圍內(nèi)的很小的數(shù)量，一般大約百萬分之100～200，并且每一種可單獨(dú)使用或一起使用，或者與其它摻雜劑結(jié)合使用。鈣，硼，磷，釔和象鈰，鑭，鐠，釹，釤之類的稀土元素也是有用的摻雜劑，而這里還尤其是當(dāng)與其它摻雜劑組合使用時。
摻雜劑材料當(dāng)外部使用時，通常是施加在母金屬表面的一部分上作為其均勻的涂層。摻雜劑的有效數(shù)量，相對于要向其施加的母金屬數(shù)量來說范圍很大，在鋁的情況下，試驗(yàn)沒能確定出可操作的上限或下限。例如，當(dāng)采用以二氧化硅的形式的硅作為鋁基母金屬外部施加的摻雜劑，采用空氣或氧氣作為氧化劑時，數(shù)量低至每克母金屬0.00003克硅，或暴露的母金屬表面的每平方厘米大約0.0001克硅，和具有鎂和/或鋅來源的第二種摻雜劑一起使用就會產(chǎn)生多晶體陶瓷生長現(xiàn)象。還發(fā)現(xiàn)采用空氣或氧氣作為氧化劑，采用MgO作為摻雜劑，加入量約大于每克要氧化的母金屬0.0008克的Mg，以及大于要施加MgO的每平方厘米母金屬表面0.003克的MgO，可以從鋁基母金屬獲得陶瓷結(jié)構(gòu)?？磥砗孟髶诫s劑材料的數(shù)量增加到某一程度會降低生產(chǎn)陶瓷復(fù)合材料所需要的反應(yīng)時間，但這取決于象摻雜劑類型、母金屬和反應(yīng)條件這樣一些因素。然而，增加所使用摻雜劑材料的數(shù)量一般會導(dǎo)致增加為排除所包含的摻雜劑材料的瀝濾步驟的工藝過程的時間。
在母金屬為內(nèi)部摻雜鎂的鋁和氧化介質(zhì)為空氣或氧氣的場合，可以觀察到在大約820～950℃溫度下，鎂至少部分地從合金中氧化掉。在這種摻雜鎂體系場合，在熔融鋁合金表面上鎂形成氧化鎂和/或鎂鋁尖晶石相，并且在生長工藝過程期間，在生長的陶瓷結(jié)構(gòu)中，這種鎂化合物開始保留在母金屬合金初始氧化物表面上(即，“初始表面”(“initiation surface”)。因此，在這種摻雜鎂的體系中，初始的表面上離開比較薄的鎂鋁尖晶石層產(chǎn)出氧化鋁基結(jié)構(gòu)。在需要的地方，對多晶體陶瓷產(chǎn)品進(jìn)行磨細(xì)之前，可先通過研磨、機(jī)械切削、拋光處理或噴砂等方法將該初始表面很容易地排掉。
按照本發(fā)明，根據(jù)上面提到的在共同所有的專利申請(A)，采用10%的硅，3%的含鎂鋁合金，在1200℃下在空氣中加熱?？芍圃斐鲆环N陶瓷體。將所得陶瓷體磨細(xì)到大約小于500目的顆粒尺寸。將該磨細(xì)的氧化反應(yīng)產(chǎn)物與50%鹽酸/去離子水溶液接觸經(jīng)24小時，同時進(jìn)行攪拌。將該材料用去離子水洗滌，接著與50%氫氧化鈉/去離子水溶液接觸經(jīng)24小時。然后將該材料用去離子水洗滌數(shù)次經(jīng)24小時，最后回收到高純氧化鋁材料。
在本發(fā)明的另一個方面，將氧化鋁基填料體或塊體在含氧環(huán)境中放置在與任何鋁母金屬來源相鄰近，該鋁母金屬來源具有如上所述的合適的摻雜劑，以便將該填料體放置在發(fā)展氧化反應(yīng)產(chǎn)物生長的路徑上。例如，該組合可由一個盛有顆粒狀粉料或粒料的耐火舟埋置的5052鉛合金棒組成，其中顆粒狀粉料或粒料如莫來石/氧化鋁的混合物。將該組合進(jìn)行加熱，例如，加熱到1150℃，于是得到一種復(fù)合材料，含有高純氧化鋁、鋁、硅和其它微量金屬。將所得到的復(fù)合材料磨細(xì)，用酸瀝濾，用水洗滌，然后用堿瀝濾再用水洗滌，得出了一種高純度氧化鋁粒料或粉料。
在另外的實(shí)例中，將尺寸為9×4×11/2英寸的矩形鉛合金5052鑄錠(具有按重量計(jì)的標(biāo)稱組成2.4%Mg和不多于0.5%Si和Fe)放進(jìn)一耐火材料容器內(nèi)，其中盛有耐火氧化鋁顆粒(E1剛玉，來自Norton公司，90目)基床，使一個9×4英寸的矩形表面暴露于大氣中。將一薄層摻雜劑二氧化硅顆粒(小于140目)，散布在該鑄定暴露的表面上。將這一裝置放進(jìn)爐子內(nèi)，爐子具有一個可通過連續(xù)供應(yīng)空氣的孔，在10小時內(nèi)加熱到1125℃。在1250℃下保溫165小時。然后經(jīng)10小時冷卻。將得到的陶瓷體進(jìn)行萃取并通過在兩鋼板間破碎而粉碎至約小于200目的顆粒大小范圍。將約250克的磨細(xì)的材料放進(jìn)一升的燒杯內(nèi)，杯內(nèi)盛有500毫升的50%HCl溶液，為一種對非氧化的鋁和鐵金屬的合適的瀝濾劑。將該溶液加熱到大約85℃并通過攪拌混合48小時。輕輕倒出酸溶液，將該材料用去離子水進(jìn)行漂洗。隨后，用適合于硅的瀝濾劑500毫升50%NaOH重復(fù)上述萃取步驟。將該材料用去離子水徹底地漂洗，從而采取到氧化鋁材料。
本發(fā)明的氧化鋁產(chǎn)物在生產(chǎn)燒結(jié)陶瓷產(chǎn)品中或作為拋光處理的介質(zhì)都非常有用。對這種產(chǎn)品而言，該氧化鋁最好是具有大約500目的尺寸或更細(xì)些，而尤其好的是大約一微米或更小。
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)氧化鋁材料的方法，該氧化鋁材料主要由鋁母金屬和含氧氣相氧化劑的氧化反應(yīng)產(chǎn)物組成，該氧化鋁材料的特征在于具有不低于99.9%(重量)氧化鋁的純度，所說的方法包括以下步驟(A)將所說的鋁母金屬加熱到高于所說的鋁母金屬的熔點(diǎn)但低于所說的氧化反應(yīng)產(chǎn)物的熔點(diǎn)的溫度，形成熔融的鋁母金屬體，并且在所說的溫度下進(jìn)行所說的熔融的鋁母金屬與所說的含氧氣相氧化劑的反應(yīng)，形成氧化鋁作為所說的氧化反應(yīng)產(chǎn)物；保持至少一部分所說的氧化反應(yīng)產(chǎn)物與所說的熔融鋁母金屬和所說的含氧氣相氧化劑接觸并保持在兩者之間，將熔融鋁母金屬經(jīng)過氧化反應(yīng)物向所說的含氧氣相氧化劑抽引，以便氧化反應(yīng)產(chǎn)物繼續(xù)在含氧氣相氧化劑和以前形成的氧化反應(yīng)產(chǎn)物之間的界面上形成，并繼續(xù)所說的反應(yīng)經(jīng)一段充分時間足夠產(chǎn)生包含氧化鋁和金屬成分的陶瓷體。(B)將所說的陶瓷體磨細(xì)，(C)提供一種或多種瀝濾劑并且將所說的磨細(xì)的材料與所說的瀝濾劑接觸經(jīng)過一段充分時間足夠從所說的氧化鋁中排除或溶解掉非氧化鋁材料，(D)回收所說的充分純的氧化鋁材料。
2.權(quán)利要求
1的方法，其中所說的一種或多種瀝濾劑包括一種或多種酸和一種或多種堿，并且還包括使所說的一種或多種瀝濾劑與所說的磨細(xì)的材料按順序接觸。
3.權(quán)利要求
1的方法，該方法包括，在步驟(D)中所說的氧化鋁回收以后，將所說的回收的氧化鋁磨細(xì)到更小的顆粒尺寸，接著通過用所說的瀝濾劑與磨細(xì)的氧化鋁接觸，進(jìn)一步排除所說的非氧化鋁材料，并且回收最后所得的氧化鋁。
4.權(quán)利要求
2的方法，其中所說的一種或多種酸是選自由HF、HCl、HBr、HI、H2SO4、HNO3和H3PO4組成的一組酸中，而一種或多種堿是選自由NaOH、KOH和NH4OH組成的一組堿中。
5.權(quán)利要求
1的方法，其中在所說的陶瓷體的表面上還產(chǎn)生尖晶石層，然后在步驟(B)以前先將該層除掉。
6.一種生產(chǎn)氧化鋁材料的方法，該氧化鋁材料主要由(a)鋁母金屬與含氧氣相氧化劑的氧化反應(yīng)產(chǎn)物、(b)由一種或多種填料成分的鋁熱還原生產(chǎn)的氧化鋁以及，隨意地，(c)直接組成至少一部分所說的填料的氧化鋁組成，該氧化鋁材料的特征在于具有不低于99.9%(重量)的氧化鋁的純度，所說的方法包括以下步驟(a)將所說的鋁母金屬放在鄰近可透過的氧化物填料塊體，該氧化物填料塊體選自鋁熱還原填料、至少部分由所說的填料組成的氧化鋁、及其混合物，將所說的母金屬和所說的氧化物填料互相排列成一定方向，于是所說的氧化反應(yīng)產(chǎn)物的形成就朝向并進(jìn)入所說的氧化物填料的所說的塊體中而發(fā)生;(b)將所說的母金屬加熱到高于其熔點(diǎn)但低于所說的氧化反應(yīng)產(chǎn)物的熔點(diǎn)的溫度，以形成熔融母金屬體，并且將該熔融母金屬與所說的氧化劑在所說的溫度下進(jìn)行反應(yīng)，形成所說的氧化反應(yīng)產(chǎn)物，并且在所說的溫度下至少保持一部分所說的氧化反應(yīng)產(chǎn)物與所說的熔融母金屬和所說的氧化劑接觸并延伸到兩者中間，經(jīng)過該氧化反應(yīng)產(chǎn)物朝向氧化劑并朝向和進(jìn)入鄰近的所說的氧化物填料塊體，抽引熔融的金屬，以便氧化反應(yīng)產(chǎn)物繼續(xù)在所說的氧化物填料塊體內(nèi)部氧化劑和以前形成的氧化反應(yīng)產(chǎn)物之間的界面上形成，并且繼續(xù)所說的反應(yīng)經(jīng)過一段充分時間足以在所說的氧化反應(yīng)產(chǎn)物內(nèi)部埋置至少一部分所說的氧化物填料，生產(chǎn)出一包含氧化鋁和金屬成分的陶瓷體;(c)將所說的陶瓷體磨細(xì);(d)提供一種或多種瀝濾劑，將所說的磨細(xì)的材料與所說的瀝濾劑接觸經(jīng)過一段充分時間足以從所說的氧化鋁中排除或溶解掉非氧化鋁材料;(e)回收所說的充分純的氧化鋁材料。
7.權(quán)利要求
6的方法，其中在所說的陶瓷體表面上還產(chǎn)生一個初始層，這一初始層在步驟(c)之前排除掉。
8.權(quán)利要求
6的方法，其中所說的一種或多種瀝濾劑包括一種或多種酸或一種或多種堿。
9.權(quán)利要求
1、2、3、4、5、6、7或8的任一個方法，其中所說的含氧氣相氧化劑包括空氣。
10.權(quán)利要求
1、2、3、4、5、6、7或8的任一個方法，其中摻雜劑是連同所說的鋁母金屬一起使用的。
11.一種由權(quán)利要求
1、2、3、4、5、6、7或8的任一方法生產(chǎn)的氧化鋁材料，其中所說的氧化鋁材料在其晶粒界面上不存在其它相。
12.一種由權(quán)利要求
1、2、3、4、5、6、7或8的任一方法生產(chǎn)的氧化鋁材料，其中所說的氧化鋁材料表現(xiàn)出晶粒內(nèi)斷裂性質(zhì)。
專利摘要
一種生產(chǎn)高純度氧化鋁的方法，該方法包括由鋁母金屬和含氧氣相氧化劑形成的氧化反應(yīng)產(chǎn)物，磨細(xì)所得到的陶瓷體并從其中瀝濾掉任何非氧化鋁材料，并回收充分純的氧化鋁材料。
文檔編號B01F7/02GK87106229SQ87106229
公開日1988年6月8日 申請日期1987年9月10日
發(fā)明者馬克·S·紐克爾克 申請人:蘭克西敦技術(shù)公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan