一种凝胶注模成型制备氧化钇耐火材料制品的方法及坩埚技术

本发明专利技术属于耐火材料技术领域，具体涉及一种凝胶注模成型制备氧化钇耐火材料制品的方法及坩埚。针对纯相的氧化钇只适合制备尺寸相对较小的坩埚，无法满足大尺寸铸锭的熔炼与铸造的需求的问题，本发明专利技术提出了一种制作工艺简单、尺寸可控、性能优良的制备氧化钇耐火材料制品的方法，采用四种不同尺寸的Y2O3颗粒或微米细粉，将不同尺寸的Y2O3按照合理的顺序和配比加入，所获得制品同时具有良好的力学性能和抗热震性能。同时结合分散剂和悬浮剂的合理选择，排胶及烧结的精确制度，最终获得的制品，特别是氧化钇坩埚具有优良的综合性能。别是氧化钇坩埚具有优良的综合性能。别是氧化钇坩埚具有优良的综合性能。

【技术实现步骤摘要】
一种凝胶注模成型制备氧化钇耐火材料制品的方法及坩埚


[0001]本专利技术属于耐火材料
，具体涉及一种凝胶注模成型制备氧化钇耐火材料制品的方法及坩埚。

技术介绍

[0002]小型冷等静压改造型氧化钇坩埚(Tetsui T,Kobayashi T,Kishimoto A,et al.Structural optimization of an yttria crucible for melting TiAl alloy[J].Intermetallics,2012,20(1):16
–
23)已具有一定的工程实验基础。因氧化钇是热力学上最稳定的氧化物，已证实，在制备TiAl合金等对于污染敏感的合金时，与由氧化铝，氧化锆或氧化钙制成的坩埚相比，由氧化钇制成的坩埚可大大减少铸锭的污染。
[0003]2017年中国科学院金属研究所(专利申请号201710600385.9)提出一种TiAl精密铸造用耐火材料的制备方法，提出第二相化合物的引入对氧化钇耐火材料的影响。得以降低氧化钇模壳的烧结温度，提高烧结性能。最终得到的改进型氧化钇坩埚可以最大程度地重复使用TiAl合金进行感应熔炼，并且所得的TiAl合金锭中的夹杂物含量最低。
[0004]该方法中，第二相化合物的进入虽然能在一定程度上降低烧结温度，达到更好的烧结性能，却又引入了杂质，无法达到优良的性能。且该方法十分依赖于特定开模的形状与尺寸，不能做到尺寸可变可控，工艺复杂。
[0005]对于纯相的氧化钇，虽然因为具有极低的夹杂物而具有极好的热锻性能，但是不同于一般的耐火材料，氧化钇大多应用于功能陶瓷，如透明陶瓷，发光陶瓷等，其自身性能难以做到抗热震性能和力学性能的兼顾，通常认为只适合制备尺寸相对较小的坩埚，无法满足大尺寸铸锭的熔炼与铸造的需求。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的不足，本专利技术提供一种制作工艺简单、尺寸可控、性能优良的制备氧化钇耐火材料制品的方法，特别是适用于制备大尺寸的氧化钇坩埚，大尺寸的氧化钇坩埚更加适合用于TiAl合金冶炼。
[0007]本专利技术采用凝胶注模成型制备氧化钇耐火材料制品，采用的方法具体包括以下步骤：
[0008]S1：配制包含有机单体和交联剂的预混合液；有机单体可以为甲基丙烯酸铵(AM)，交联剂可以为N,N
，
—亚甲基双丙烯酰胺(MBAM)，有机单体和交联剂的质量比例能够确保二者能发生交联反应形成凝胶即可，具体地，对于甲基丙烯酸铵(AM)和N,N
，
—亚甲基双丙烯酰胺(MBAM)，二者质量比优选为8:1至10:1。预混合液采用水作为溶剂。有机单体和交联剂的质量之和与溶剂水的质量之比为(15～20)：100。
[0009]S2：将以下四种尺寸的Y2O3原料中的两种或两种以上，按照尺寸由大到小的顺序加入到预混合液中：粒度为60～100目的Y2O3颗粒、粒度为325目的Y2O3颗粒、粒度为1000目的Y2O3颗粒、粒径大小为1～2μm的Y2O3微米细粉。
[0010]上述四种颗粒或细粉中，粒度为60～100目的Y2O3颗粒占Y2O3原料总质量的10～40％，粒度为325目的Y2O3颗粒占Y2O3原料总质量的20～70％，粒度为1000目的Y2O3颗粒占Y2O3原料总质量的20～40％，粒径大小为1～2μm的Y2O3微米细粉占Y2O3原料总质量的20～35％。如前文所述，对于加入预混合液中的Y2O3，这四种尺寸的原料可包含两种或两种以上，而非每一种都必须包括在内，所以这里的质量比例是指加入预混合液中的Y2O3中包含这种尺寸的颗粒或细粉时，其合适的添加比例。
[0011]这种多个不同尺寸由大到小加入的方式中，粗粉会降低烧结能力，导致多孔结构，但伴随着更大程度的粉末分离；细粉会导致烧结能力增强，结构致密，但耐热冲击性降低。粗粉与细粉以合适比例配合，则可以使烧结后的耐火材料制品具有最佳的综合性能。
[0012]将Y2O3加入到预混合液中配成浆料后，加入研磨球、分散剂和悬浮剂，进行球磨，得到混合浆料。优选地，所述研磨球与所有Y2O3粉体之间的球料比为2.5～3:1；所述分散剂为聚甲基丙烯酸铵(A40)或柠檬酸铵(TAC))，所述分散剂质量为粉体质量(即Y2O3原料总质量)的0.8～1.8wt％；所述悬浮剂为木质素磺酸钙或聚乙烯醇，所述悬浮剂质量为浆料质量的1～5wt％；所述球磨的转速为100r/min～120r/min，球磨的时间为4～8h，球磨获得的混合浆料固含量为50～65％。
[0013]S3：将混合浆料进行真空除气处理，然后加入催化剂和引发剂，搅拌均匀后，将混合浆料浇注到模具中。
[0014]优选的，真空除气处理方法为：采用真空除气装置，在转速80～120r/min进行除气5～10min。
[0015]优选的，所述催化剂为四甲基乙二胺，所述催化剂质量为浆料质量的0.02～0.2wt％；所述引发剂为过硫酸铵，所述引发剂质量为浆料质量的0.15～1.5wt％。
[0016]S4：混合浆料在模具中凝胶固化和干燥，之后进行脱模和排胶，得到生坯。
[0017]干燥的方法优选为：将浇注了混合浆料的模具在自然环境中干燥一天，置于40℃烘箱中干燥一天，再置于60℃烘箱中干燥一天。排胶的方法为：将脱模后的坯料在室温下以1～1.5℃/min的升温速率升温至700℃～750℃，保温3～5h，保温时间可根据制品的尺寸确定，尺寸大则保温时间更长。
[0018]S5：将生坯进行真空烧结，得到氧化钇耐火材料制品。
[0019]真空烧结可在真空炉中进行，真空烧结的温度为1750℃～1850℃。
[0020]在步骤S2中加入Y2O3之前，还可以对要加入的Y2O3原料，特别是对1～2μm的Y2O3微米细粉进行预处理，以改善Y2O3原料粉体在水基分散体系中的分散性。预处理可以采用磷酸等物质作为改性剂。
[0021]本方法中采用凝胶注模的方式制备氧化钇耐火材料制品，采用四种不同尺寸的Y2O3颗粒或微米细粉，将不同尺寸的Y2O3按照合理的顺序和配比加入，所获得制品同时具有良好的力学性能和抗热震性能。同时结合分散剂和悬浮剂的合理选择，排胶及烧结的精确制度，最终获得的制品，特别是氧化钇坩埚具有优良的综合性能。凝胶注模的方式能够通过模具获得各种复杂形状的制品，尺寸精确可控。特别是通过本专利技术的方法，可以制成大尺寸(尺寸为外径直径115～130mm，高度为245～260mm)的纯氧化钇坩埚，这种坩埚可以应用于钛合金冶炼，打破了工业上大幅度使用水冷铜坩埚无法达到很高过热温度的弊端，且最终得到的钛合金氧含量为0.1～0.2wt％，低于任何氧化物坩埚冶炼的钛合金氧含量(氧化钙、
氧化铝、氧化锆等氧化物坩埚)。
附图说明
[0022]图1为对比例3、实施例1、实施例2中的方法制成的样品在热震试验前的抗弯强度和经过热震试验后的抗弯强度损失量。其中样品1对应对比例3，样品2对应实施例1，样品3对应实施例2。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种凝胶注模成型制备氧化钇耐火材料制品的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：配制包含有机单体和交联剂的预混合液；S2：将粒度为60～100目的Y2O3颗粒、粒度为325目的Y2O3颗粒、粒度为1000目的Y2O3颗粒、粒径大小为1～2μm的Y2O3微米细粉中的两种或两种以上，按粒径由大到小的顺序加入到预混合液中配成浆料，之后加入研磨球、分散剂和悬浮剂，进行球磨，得到混合浆料；S3：将混合浆料进行真空除气处理，然后加入催化剂和引发剂，搅拌均匀后，将混合浆料浇注到模具中；S4：混合浆料在模具中凝胶固化和干燥，之后进行脱模和排胶，得到生坯；S5：将生坯进行真空烧结，得到氧化钇耐火材料制品。2.根据权利要求1所述的凝胶注模成型制备氧化钇耐火材料制品的方法，其特征在于，所述步骤S2中粒度为60～100目的Y2O3颗粒占Y2O3原料总质量的10～40％，粒度为325目的Y2O3颗粒占Y2O3原料总质量的20～70％，粒度为1000目的Y2O3颗粒占Y2O3原料总质量的20～40％，粒径大小为1～2μm的Y2O3微米细粉占Y2O3原料总质量的20～35％。3.根据权利要求1所述的凝胶注模成型制备氧化钇耐火材料制品的方法，其特征在于，所述步骤S1中有机单体为甲基丙烯酸铵，交联剂为N,N
’
—亚甲基双丙烯酰胺，步骤S1中，预混合液中，有机单体和交联剂的质量之和与水的质量之比为(15～20)：100。4.根据权利要求1所述的凝胶注模成型制备氧化钇耐火材料制品的方法，其特征在于，所述步骤S2中：所述研磨球与所有Y2O3粉体之间的球料比为2.5～3:1；所述分散剂为聚甲基丙烯酸铵或柠檬酸铵，所述分散剂质量为Y2O3原料总质...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙旭东，任培，王昭东，张牧，刘威，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：