[发明专利]一种Al－AlN－ZrO2抗热震陶瓷材料

说明书

【技术领域】

本发明属陶瓷材料领域，具体涉及高抗热震氧化锆陶瓷基复相金属陶瓷结构材料。

【背景技术】

目前冶金工业方坯连铸系统中的钢水中间包定径水口材料存在着受瞬时热冲击作用极易发生热震开裂剥落、水口孔径扩大导致浇钢作业中断甚至造成跑钢以至于损毁连铸关键设备结晶器的实际问题，而一直没有得到很好地解决，急需研究更新材料。

钢铁连铸浇钢系统急需研究开发一种耐高温、热膨胀系数较小、高抗热震性的高温结构陶瓷材料，替代现有的定径水口氧化锆材料，提高定径水口的抗热震性能是促进钢铁连铸领域技术进步的保证，并可以降低钢铁连铸系统的生产成本，提高钢铁冶炼企业的经济效益。同时也可为我国的材料科学领域增加一个高温功能性的新材料。

上世纪70年代以来，世界各国陶瓷、耐火材料领域相继开展了氧化锆(ZrO₂)的稳定剂选择、晶型稳定相变控制、部分稳定氧化锆的应力诱导自身韧化、非稳定氧化锆增韧基体材料方面的基础研究与应用研究。

国内在提高ZrO₂材料抗热震性方面的研究，是通过控制氧化锆相变程度来实现韧化提高其强度、韧性、及抗热震性能。相继研究和应用了部分稳定氧化锆(P-ZrO₂)材料，除了用作钢铁冶金连铸系统中间包定径水口高温结构材料，在金属切削刀具、耐磨材料、发动机活塞及缸体材料、防弹铠甲材料等方面也有重要的应用。

上世纪90年代，美国的Lanxide公司曾研制开发AlN-Al-MgO复相材料，其抗热震性能及抗侵蚀性能优良，较传统的Al₂O₃-ZrO₂-C材料寿命提高2-3倍，其技术思路为ZrO₂定径水口材质的改进提供了研究发展方向。河北理工大学材料学院与唐钢耐火材料有限公司合作开发研究了金属铝-氮化铝结合刚玉(Al-AlN-Al₂O₃)复相材料，所研制的Al-AlN-Al₂O₃滑板浇钢使用寿命是现有Al₂O₃-C质滑板的2倍。但Al₂O₃比ZrO₂的耐高温及抗钢液侵蚀性能低，Al-AlN-Al₂O₃复相材料难于胜任中间包定径水口的使用性能要求。

AlN应用于耐火材料方面的研究目前少见报道，但上述国内外两个成功应用的实例表明了AlN是一种耐高温、抗热震性能优异的的高温结构陶瓷材料，可胜任钢铁冶金连铸系统中间包定径水口的工作条件。将金属Al或金属Al和AlN与ZrO₂混合、成型，在氮气条件下反应烧成制备金属Al-AlN结合ZrO₂复相材料，极有望获得冶金连铸定径水口的更新材料。目前对该复相材料的研究，在国内尚属空白。

【发明内容】

一种金属Al-AlN结合ZrO₂复相材料，其特征在于该复相材料所用原料以及原料的重量百分比为：金属Al 4—10％；部分稳定ZrO₂ 85—92％；AlN 3—6％；助烧结剂0.5—2％。

所用原料的粒径为：金属Al的粒径<0.074mm；部分稳定ZrO2的粒径<0.074mm；AlN的粒径<0.074mm；助烧结剂的粒径<0.01mm。

所用原料中的部分稳定ZrO₂由单斜ZrO₂和立方ZrO₂构成，二者的重量百分比为：单斜ZrO₂ 10—40％；立方ZrO₂ 60—90％。

所述的助烧结剂为SrCO₃、TiO₂或La₂O₃。

该复相材料的成型方法包括：压力成型；等静压成型；热压铸成型；注浆成型；滚压成型或真空挤压成型。

该复相材料的烧结方法包括：高温常压空气烧结；热压烧结；高温真空烧结或高温氮化烧结。不同烧结方法的烧结温度均≥1500℃。

本发明根据ZrO₂、AlN和金属Al高温塑性相的优良特性，拟采用在ZrO₂材料中引入金属Al、AlN作为结合相，制备金属Al-AlN结合ZrO₂复相材料，获得具有高抗热震性、可望替代现有定经水口材料的更新材料。