CN103964794B - 纳米增强耐磨防腐陶瓷料及其制备方法和使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米增强耐磨防腐陶瓷料及其制备方法和使用方法，原材料质量份配比为：电熔刚玉65-70份，纳米陶瓷粉15-20份，铝酸盐水泥3-6份，SiO₂微粉2-5份，活性ａ-Al₂O₃粉2-5份，复合高效分散剂0.2-1份，促晶剂1-3份；纳米陶瓷粉的原料质量份配比为：氧化锆9-11份，氧化铝73-77份，氧化镁5-7份，氧化锌5-7份，氧化钴2-4。它在400℃以下，具有高强度、高韧性、高耐磨性、高防腐、抗开裂的性能，在400-1300℃，形成无收缩、高强度、无开裂、耐磨保温防腐的陶瓷致密体，具有施工方便、维护容易、性价比高、坚固耐用、节能环保等特点。

Description

纳米增强耐磨防腐陶瓷料及其制备方法和使用方法

技术领域

本发明涉及一种纳米增强耐磨防腐陶瓷料及其制备方法和使用方法。

背景技术

水泥、国防、钢铁、火电、石油、化工等行业中涉及到各种高、低温设备，这些设备关键耐磨处理层等重磨损部位的处理关涉到设备的安全运行，甚至决定着设备的使用寿命。因而需要采用适当的防护方法进行处理。

目前，电厂中的许多重要部件，如锅炉四管，风机叶片，煤粉管道弯头，汽轮机末级叶片等，因磨损、高温腐蚀及水蚀等而使其使用寿命大大缩短，严重影响着机组的安全运行，直接影响电力生产的经济效益。

国内解决该类问题的办法多为定期更换受损部件，工期长且投入大。随着工业用新材料的开发，特殊高性能材料已成为材料科学研究的新热点。陶瓷及金属陶瓷与常规金属材料相比，具有极高的耐高温、耐氧化和耐磨性能，在西方发达国家已获广泛应用，以它作为表面防护材料，可大大延长设备的使用寿命，对保证设备的安全经济使用具有重要意义。

综上，现有的防护方法及其问题有：

（1）耐磨合金钢：具有良好的耐磨性，但材料强度高，施工难度大，非标制作时浪费大，制作时容易变形，最容易从焊接处被腐蚀。

（2）不锈钢：低温具有耐腐蚀性，但是不耐高温，高温下易被腐蚀磨损。

（3）普通耐磨料：有一定的耐磨性，造价相对低，强度低（小于35Pa），易产生裂纹，不能起到很好的防护作用。

（4）陶瓷片：耐磨性、防腐性良好，有缝隙，由于施工时需采用树脂粘贴，容易老化，容易松动被气流吹脱落，使用周期短。

由此可见，火力发电行业设备的重磨损部位采用耐磨陶瓷片、耐磨钢等工艺，因风选磨蚀、冲击磨蚀等原因需要频繁停工检修，影响了设备的利用率。

发明内容

本发明需要解决的技术问题就在于克服现有技术的缺陷，提供一种纳米增强耐磨防腐陶瓷料及其制备方法和使用方法，它在常温及低温时（400℃以下），具有高强度、高韧性、高耐磨性、高防腐、抗开裂的性能，在高温时（400-1300℃），形成无收缩、高强度、无开裂、耐磨保温防腐的陶瓷致密体，具有施工方便、维护容易、性价比高、坚固耐用、节能环保等特点。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

本发明公开了一种纳米增强耐磨防腐陶瓷料，制备陶瓷料原材料的质量份配比为：5mm -8mm电熔刚玉 65-70份，100nm- 300nm纳米陶瓷粉 15-20份，铝酸盐水泥 3-6份，SiO₂微粉 2-5份，活性ａ-Al₂O₃粉 2-5份，复合高效分散剂 0.2-1份，促晶剂 1-3份；

其中，制备纳米陶瓷粉的原料质量份配比为：氧化锆9-11份，氧化铝73-77份，氧化镁5-7份，氧化锌5-7份，氧化钴2-4。

所述复合高效分散剂为氨基磺酸系高效减水剂，所述促晶剂为镁的氧化物、氯化物等低温可发生、促进水化反应的物质。

本发明同时公开了一种纳米增强耐磨防腐陶瓷料的制备方法，采用高温煅烧磨细法制备纳米陶瓷粉，将纳米陶瓷粉与电熔刚玉、铝酸盐水泥、SiO₂微粉、活性ａ-Al₂O₃粉、复合高效分散剂和促晶剂一起配制成纳米增强耐磨防腐陶瓷料。

所述高温煅烧磨细法制备纳米陶瓷粉的具体步骤为：

按照上面所述的制造纳米陶瓷粉的原料配比将各种原料混合均匀后，经过1450℃的高温煅烧成陶瓷粉体，再将此粉体制作成细度为100nm-300nm的纳米粉体。

本发明同时还公开了一种纳米增强耐磨防腐陶瓷料的使用方法，以纳米增强耐磨防腐陶瓷料为基础料，施工现场加入占纳米增强耐磨防腐陶瓷料重量（3-5）%的耐热不锈钢纤维和（6-10）%的拌合水，现场拌合30min以上，现场涂抹施工、成型、养护，形成纳米耐磨陶瓷质复合防护内衬；

在400℃以下的常温或低温环境中工作时，纳米陶瓷粉和SiO₂微粉在以钾钠钙镁为主的无机结合剂和氨基磺酸系高效减水剂、和微晶促晶剂镁的氧化物、氯化物等低温可发生、促进水化反应的物质的作用下，弥散分布在电熔刚玉骨料中间，形成一种致密、几乎无收缩的微晶陶瓷结构，具有高强度、高韧性、高耐磨性、抗开裂、高防腐的优良性能；

在400℃-1300℃的高温使用条件下，以钾钠钙镁为主的无机结合剂和微晶促晶剂一起作为复合结合剂，对纳米陶瓷粉进行催化进而与其他组分发生一系列的高温相反应，形成微膨胀、无收缩、无开裂的陶瓷致密体，在高温下具有良好的耐磨防腐性能。

具体地，本发明与同类产品相比具有下面优点：

（1）具有极高的机械强度和刚度：      经中科院上海硅酸盐研究所测定，本发明纳米增强耐磨防腐陶瓷材料，洛氏硬度为HRA80-90，硬度仅次于金刚石，远远超过耐磨钢和不锈钢的耐磨性能。在使用过程中，不会由于物料冲刷而致使使用寿命降低。

（2）耐磨性能极好：

经中南大学粉末冶金研究所测定，本发明其耐磨性能相当于锰钢的26倍，高铬铸铁的17倍。根据我们十几年来的客户跟踪调查，在同等工况下，可至少延长设备使用寿命十倍以上。

（3）低密度、保温隔热、防腐蚀：

纳米增强耐磨防腐陶瓷料的最大体积密度为3.0g/cm³，仅为钢铁的一半，可大大减轻设备负荷。导热系数20W/m.k，热膨胀系数：7.2*10-6m/m.k，（铁的导热系数是40*1.163 kW/m.度，溶于酸，和碱会发生反应。）而本材料既不溶于水，也不溶于酸和碱。在使用过程中不会由于酸碱侵蚀而降低其使用寿命。

（4）具有优良的韧性和抗震性：  　　由于本发明纳米增强耐磨防腐陶瓷料采用无定向钢纤维和定向网状增强双重补强措施，通过耦合进一步改善韧性，增加了系统的使用可靠性，可有效防止冲击力造成的破损和剥落。另一方面，由于离子键和共价键为强结合键，键能比较高，低温对其影响很小，而且它的振动频率极高，常温难以对其构成威胁，不会产生热震损毁。

（5）整体性好：  　　由于本发明纳米增强耐磨防腐陶瓷料采取了双重补强措施，有的甚至采取了多种补强措施，有效地改善了材料性能。而且纳米增强耐磨陶瓷料低的膨胀系数等，使其体积稳定，不会产生裂纹。更不可能产生裂缝，因而整体性好。加上无接缝的施工方法，使其整体性一步到位。

（6）环境相容性好：

本发明采用了耐酸和耐碱的人工合成原料，性能稳定，不会和介质发生反应，同时纳米增强耐磨防腐陶瓷料的原料多为高温合成材料，晶体发育好，结构完整，不受环境因素的影响，属环境惰性材料，因而可有效抵御环境介质作用和各种化学腐蚀。

（7）无环境污染：

纳米增强耐磨防腐陶瓷料为无机非金属材料，主要成分为铝酸盐，对环境敏感性差。和地球岩石圈成份相近，不会造成土质恶化和重金属离子污染，是一种绿色环保型的产品。

由于具有上述特点，本发明纳米增强耐磨防腐陶瓷料可适宜于水泥、国防、钢铁、火电、石油、化工行业等各种高、低温设备的关键耐磨处理层等重磨损部位，尤其对于火力发电行业具有较高的性价比，是替代现有的耐磨陶瓷片、耐磨钢的新一代理想材料，解决了各行业因风选磨蚀、冲击磨蚀、部件频繁停工检修等问题，大大提高了设备的利用率。在洛阳万基发电有限公司、万基控股集团贸易有限公司、永城市神火示范电站、华润电力登封有限公司等电力行业得到推广应用并取得用户的一致好评。

具体实施方式

实施例1-1

高温煅烧磨细法制备纳米陶瓷粉：

按照原料重量份配比为氧化锆9份，氧化铝77份，氧化镁5份，氧化锌7份，氧化钴2，将各种原料混合均匀后，经过1450℃的高温煅烧成陶瓷粉体，再将此粉体制作成细度为100nm的纳米粉体。

实施例1-2

高温煅烧磨细法制备纳米陶瓷粉：

按照原料重量份配比为氧化锆11份，氧化铝73份，氧化镁7份，氧化锌5份，氧化钴4，将各种原料混合均匀后，经过1450℃的高温煅烧成陶瓷粉体，再将此粉体制作成细度为300nm的纳米粉体。

实施例1-3

高温煅烧磨细法制备纳米陶瓷粉：

按照原料重量份配比为氧化锆10份，氧化铝75份，氧化镁6份，氧化锌6份，氧化钴3，将各种原料混合均匀后，经过1450℃的高温煅烧成陶瓷粉体，再将此粉体制作成细度为200nm的纳米粉体。

实施例2

纳米增强耐磨防腐陶瓷料，原材料的质量份配比为：5mm电熔刚玉70份，实施例1-1制备的纳米陶瓷粉 15份，铝酸盐水泥6份，SiO₂微粉 2份，活性ａ-Al₂O₃粉 5份，复合高效分散剂 0.2份，促晶剂3份；

所述复合高效分散剂为氨基磺酸系高效减水剂，所述促晶剂为镁的氧化物类低温可发生、促进水化反应的物质。

将纳米陶瓷粉与电熔刚玉、铝酸盐水泥、SiO₂微粉、活性ａ-Al₂O₃粉、复合高效分散剂和促晶剂一起配制成纳米增强耐磨防腐陶瓷料。

实施例3

8mm电熔刚玉 65份，实施例1-2制备的纳米陶瓷粉20份，铝酸盐水泥 3份，SiO₂微粉5份，活性ａ-Al₂O₃粉 2份，复合高效分散剂1份，促晶剂 1份；

所述复合高效分散剂为氨基磺酸系高效减水剂，所述促晶剂为镁的氯化物等低温可发生、促进水化反应的物质。

将纳米陶瓷粉与电熔刚玉、铝酸盐水泥、SiO₂微粉、活性ａ-Al₂O₃粉、复合高效分散剂和促晶剂一起配制成纳米增强耐磨防腐陶瓷料。

实施例4

6mm电熔刚玉 68份，实施例1-3制备的纳米陶瓷粉18份，铝酸盐水泥5份，SiO₂微粉3份，活性ａ-Al₂O₃粉 4份，复合高效分散剂0.5份，促晶剂2份；

所述复合高效分散剂为氨基磺酸系高效减水剂，所述促晶剂为镁的氧化物等低温可发生、促进水化反应的物质。

将纳米陶瓷粉与电熔刚玉、铝酸盐水泥、SiO₂微粉、活性ａ-Al₂O₃粉、复合高效分散剂和促晶剂一起配制成纳米增强耐磨防腐陶瓷料。

实施例5

以纳米增强耐磨防腐陶瓷料为基础料，施工现场加入占纳米增强耐磨防腐陶瓷料重量3%的耐热不锈钢纤维和10%的拌合水，现场拌合30min以上，现场涂抹施工、成型、养护，形成纳米耐磨陶瓷质复合防护内衬。

实施例6

以纳米增强耐磨防腐陶瓷料为基础料，施工现场加入占纳米增强耐磨防腐陶瓷料重量5%的耐热不锈钢纤维和6-%的拌合水，现场拌合30min以上，现场涂抹施工、成型、养护，形成纳米耐磨陶瓷质复合防护内衬。

实施例7

以纳米增强耐磨防腐陶瓷料为基础料，施工现场加入占纳米增强耐磨防腐陶瓷料重量4%的耐热不锈钢纤维和8%的拌合水，现场拌合30min以上，现场涂抹施工、成型、养护，形成纳米耐磨陶瓷质复合防护内衬。

在400℃以下的常温或低温环境中工作时，纳米陶瓷粉和（SiO₂微粉）在结合剂、复合高效分散剂（以钾钠钙镁为主的无机结合剂和氨基磺酸系高效减水剂）和微晶促晶剂的作用下，弥散分布在（电熔刚玉骨料）中间，形成一种致密、几乎无收缩的微晶陶瓷结构，具有高强度、高韧性、高耐磨性、抗开裂、高防腐的优良性能；

在400℃-1300℃的高温使用条件下，无机高温结合剂（以钾钠钙镁为主的无机结合剂）和微晶促晶剂一起作为复合结合剂，对纳米陶瓷粉进行催化进而与其他组分发生一系列的高温相反应，形成微膨胀、无收缩、无开裂的陶瓷致密体，在高温下具有良好的耐磨防腐性能。

本发明纳米增强耐磨防腐陶瓷料是在研究烟道磨损腐蚀的基础上，运用纳米技术，通过添加纳米陶瓷粉来改进提高的一种新型耐磨防腐保温抗开裂耐高温材料。在常温及低温时（400℃以下），纳米陶瓷粉和刚玉起到耐磨防腐的骨架作用。具有超高活性的纳米陶瓷粉在分散剂的作用下均匀弥散分布在骨料中间，由于微晶促晶剂的作用，经过物理化学反应，整个组份形成一种紧密的无收缩微晶体，类似于陶瓷晶体的结构，具有高强度、高韧性、高耐磨性、高防腐、抗开裂的性能。在高温时（400-1300℃），无机高温结合剂和微晶促晶剂由于化学反应，形成复合结合剂，在纳米陶瓷粉的催化作用下进而和其他的组份进行一系列的液-固相化学反应，形成无收缩、高强度、无开裂、耐磨保温防腐的陶瓷致密体。采用科学合理的施工方法在烟道内壁形成坚固完整的隔离腔体，具有施工方便、维护容易、性价比高、坚固耐用、节能环保等特点。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (4)

1. 一种纳米增强耐磨防腐陶瓷料，其特征在于，制备陶瓷料原材料的质量份配比为：5mm-8mm电熔刚玉65-70份，100nm-300nm纳米陶瓷粉15-20份，铝酸盐水泥 3-6份，SiO₂微粉 2-5份，活性ａ-Al₂O₃粉 2-5份，复合高效分散剂 0.2-1份，促晶剂 1-3份；

其中，制备纳米陶瓷粉的原料质量份配比为：氧化锆9-11份，氧化铝73-77份，氧化镁5-7份，氧化锌5-7份，氧化钴2-4。

2. 如权利要求1所述的纳米增强耐磨防腐陶瓷料，其特征在于，所述复合高效分散剂为氨基磺酸系高效减水剂，所述促晶剂为镁的氧化物或镁的氯化物。

3. 权利要求1或2所述的一种纳米增强耐磨防腐陶瓷料的制备方法，其特征在于，采用高温煅烧磨细法制备纳米陶瓷粉，将纳米陶瓷粉与电熔刚玉、铝酸盐水泥、SiO₂微粉、活性ａ-Al₂O₃粉、复合高效分散剂和促晶剂一起配制成纳米增强耐磨防腐陶瓷料。

4. 如权利要求3所述的一种纳米增强耐磨防腐陶瓷料的制备方法，其特征在于，所述高温煅烧磨细法制备纳米陶瓷粉的具体步骤为：

按照制造纳米陶瓷粉的原料配比将各种原料混合均匀后，经过1450℃的高温煅烧成陶瓷粉体，再将此粉体制作成细度为100nm-300nm的纳米粉体。