[发明专利]Al-ZrO2-N2反应烧结制备ZrN-Al2O3-ZrO2复相陶瓷材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于高温陶瓷材料领域，具体涉及一种Al-ZrO₂-N₂反应烧结制备ZrN-Al₂O₃-ZrO₂复相陶瓷材料的方法。

背景技术

ZrO₂具有熔点高(2700℃)、化学稳定性好、硬度高、不易被金属溶液润湿侵蚀等许多优良特性，是一种倍受关注的高温材料。但由于ZrO₂具有三种密度不同的晶型(立方氧化锆c-ZrO₂6.27g/cm³、四方氧化锆t-ZrO₂6.10g/cm³和单斜氧化锆m-ZrO₂5.68g/cm³)，在室温～2700℃温度范围内，随温度升高ZrO₂发生m-ZrO₂→t-ZrO₂→c-ZrO₂晶型转变、温度降低ZrO₂发生逆向转变，而且在ZrO₂发生晶型转变时均伴随有较大的体积效应，因此以单斜氧化锆(m-ZrO₂)为原料难于制备出致密高强的结构材料。

自上世纪70年代以来，国内外许多学者对氧化锆(ZrO₂)材料进行了相关研究。其研究主要集中在氧化锆的相变与晶型稳定化、稳定氧化锆的介稳性与相变增韧等多个方面。通过添加与Z⁴⁺离子半径相近的金属阳离子(Ca²⁺、Mg²⁺、Y3⁺等)，研发出部分稳定氧化锆(PSZ)、四方多晶氧化锆(TZP)、全稳定氧化锆(FSZ)等新材料；探明了应力诱导相变增韧、微裂纹增韧、残余应力增韧等机理的实质，使部分稳定氧化锆(高温稳定型t-ZrO₂或c-ZrO₂与低温稳定型m-ZrO₂的混合物)获得了较广泛的应用——如，用作钢铁冶金连铸系统中间包定径水口和滑板镶嵌环等的功能性高温结构材料、切削刀具材料、耐磨材料、发动机活塞及缸体材料以及防弹铠甲材料等。

作为高温结构材料，虽然ZrO₂材料已经获得的较为广泛的应用，但因ZrO₂晶型转变的体积效应较大、导热率小(约为0.36～1.27W·m^-1·K^-1)、热膨胀系数高(α＝8～11×10^-6/℃左右)，其抗热震性能差仍然是亟待解决的问题。如，在冶金连铸浇钢作业时，氧化锆定径水口历经800℃(预热温度)～1650℃左右(钢水温度)的高温急变，如此苛刻的热震条件极易造成氧化锆定径水口产生热震开裂，劣化定径水口对钢水的冲刷侵蚀抵抗能力，导致氧化锆定径水口的使用寿命大大降低，甚至因孔径非正常变化使得钢水流量过大而中断连铸过程、或发生漏钢、或损毁连铸关键设备“结晶器”。为此，山东莱芜钢铁股份有限公司研制出属国内首创、居国际领先水平的连铸中间包浇注定径水口快速更换装置，提出连铸中间包定径水口不断流快速更换技术，用于解决氧化锆水口寿命短，中间包更换频繁，钢水注余量多，连铸坯体的切头、切尾损失大以及浇铸后期由于水口的侵蚀导致拉速过快，对铸坯质量不利并可能产生漏钢事故等存在的问题。这一举措，虽然缓解了因氧化锆水口寿命短给高效连铸技术的快速发展带来的阻滞力，但没有从根本上解决目前定径水口材料与现有的高效快速连铸工艺不适用的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种热震稳定性优良的ZrN-Al₂O₃-ZrO₂复相陶瓷材料的制备方法。

本发明的总体思路为：