新型刚玉-莫来石复合质坩埚的研发

  在透明氧化铝瓷的生产中，要求A1203原料在1200℃左右进行晶型转变，这需要有一种盛载粉的容器，这种容器应符合如下要求：(1)使用温度在1200℃以上;(2)有较好的热稳定性;(3)在1200℃时容器对Al2O3原料无污染。根据上述要求，研制出一种刚玉-莫来石复合质坩埚，经测试和实际使用证明，该坩祸性能较好，达到了使用要求。

  1 研制过程

  1.1 原料的选择

  1.1.1 骨料的选择

  因为坩埚的盛载物是高纯度的A1203粉，因此对坩埚的第一要求就是对所盛物质无腐蚀、无污染。这就要求保证坩埚与盛载物的同质性。如采用单体刚玉质坩埚，其热稳定性较差，直接影响坩埚使用寿命，这就要考虑引入一种主体材料-莫来石。由于莫来石的热稳定性较好，克服了单质刚玉坩埚热稳定性差的不足，但它不能直接与盛载物接触，以免因其与所载物的不同质而产生污染，因此要求坩埚制成双层结构;内层刚玉质，外层莫来石质，形成内薄外厚的刚玉莫来
石复合质坩埚。

  2.1.2 骨料的颗粒级配

  骨料的颗粒级配直接影响着泥浆注浆性能和内外层的结合性能。应做到内层以细为主，外层粗细结合，以保证内外层间的紧密结合。如果外层粗细结合不合理，粗颗粒过多，由于莫来石的非等径性(针、柱状)，在成型和干燥过程中易产生偏向应力而导致坯体开裂，如果细颗粒过多，制品的强度降低，热稳定性也会降低。具体配比如下：

  内层：60目刚玉240目刚玉=1.6~8;

  外层：(1.0~2.5mm)莫来石：(0~1.0mm)莫来石：莫来石细粉=1.2~3 2~4

  2.1.3 结合剂和助剂的选择

  为了使坩祸干燥和烧成收缩率降至最小，以防止坩埚在干燥和烧成过程中收缩加大而造成坩埚的变形和开裂，同时保证内层成分与盛载物成分的接近，就要尽可能减少结合剂的用量。但由于莫来石和刚玉骨料的比重较大，特别是莫来石的颗粒度又较大(最大1.0?2.5
mm)。能否用较少的结合剂将较多的重质骨料颗粒悬浮起来，并能形成均匀一致的、流动性较好的调和泥浆，以满足注浆成型性能，是我们首先遇到的难题，也是我们研制过程的关键，我们在做了大量的配方实验的基础上，通过对结合粘土的选择、助剂的应用、水分的控制等环节的研究和实验，最终制成了性能较好的，能适应注浆成型需要的调和泥浆。下面就对几种调和泥浆做一下分析对比，并见表1。

  表1 配料组成/%

  (1)用界牌土做结合剂的外层调和泥浆。实验结果表明，泥浆出现分层，结合剂浮在上层，骨料颗粒沉在下层，无法调成均匀一致的泥浆，说明界牌土做结合剂时由于其悬浮性差，难以形成稳定的调和泥浆。

  (2)用界牌土、1#苏州土做结合剂的外层调和泥浆。实验结果：引入苏州土后的调和泥浆虽然有一定的悬浮性，但由于结合剂的结合性能差，而且泥浆的水分较大，坯体不易脱模，且在脱模前产生开裂。

  (3)龙岩土做结合剂的外层调和泥浆。实验结果：泥浆出现分层，说明龙岩土的悬浮性较差，由它做结合剂的调和泥浆不适合于注浆成型。

  (4)用1#苏州土做结合剂的外层调和泥浆。实验结果：用1#苏州土做结合剂的调和泥浆的骨料配比合理，水分适合，加入适量助剂的条件下，具有很好的悬浮性，可以得到均匀一致的注浆用调和泥浆，该泥浆注浆速度较快，5min坯体即可达到所需的厚度，注浆频率太快，不利于操作。

  (5)用2#苏州土做结合剂的外层调和泥浆。

  实验结果：当只用水玻璃助剂时，调和料的悬浮性和成型坯体的塑性均不理想，而且料浆的触变性大，注浆后坯体开裂。针对上述问题我们将调和泥浆进行陈腐(24h)后，性能有所改善，但坯体开裂现象仍未解决，后来，我们在助剂水玻璃中引入少量CMC-Na，改变了料浆的触变性，提高料浆的悬浮性，同时也延长注浆时间到15min，使注聚工作更加适宜。

  从以上几种配合泥浆的对比分析可以看出：几种结合粘土中以1#苏州土的性能最好，以此为主要结合剂形成的调和泥浆完全满足注浆性能的要求。这是因为1#苏州土水溶液电位较高，粘土粒子间能保持一定的距离，削弱和抵消了范氏力，从而提高泥浆的稳定性。2#苏州土在助剂中引入CMC-Na后，改善了泥浆的悬浮性、触变性和塑性，使调和泥浆也满足注浆成型的要求。这主要是由于粘土粒子与CMC-Na本身是一种增塑剂，起到了增塑作用。龙岩土和界牌土的电位较低，颗粒间的斥力较小，当进入范氏力范围内，泥浆就失去稳定性，粘土粒子很快凝聚沉降，导致泥浆悬浮性较差，难以形成均匀一致的调和泥浆。

  2.2 成型过程

  刚玉-莫来石复合质坩埚采用内外两层的结构，外层莫来石层为主体层，较厚4~5mm，主要起盛载作用;内层刚玉层为附着层，较薄1~2mm，主要起与盛载物同质作用。成型时采用先外层后内层的注浆顺序，注浆时间控制在10~15min,
空浆后坯体在石骨模中的存置时间为30?45min。对于较大 尺寸坩埚，成型后往往在坯体口三分之一处产生折裂现象，
这是由于当坯体口朝上放置时，上口中空，在坯体自重的作 用下，产生内折引起的，这就要求我们空浆后的存置阶段，应
将石膏模倒置(坯体底朝上)，由于坯体底部为实体，具有径 向支撑作用，从而避免了坯体内折的发生。石膏模型要求壁
厚相等，以保证坯体各方向的吸浆速度相等，以免产生应力不均，导致坯体开裂。

  2. 3 烧成过程

  坩埚主要是由莫来石和刚玉组成，莫来石的合成温度为1200?1650℃，而刚玉的合成温度在1800℃左右，但我们窑炉的烧成温度为1290℃，莫来石和刚玉不可能在烧成过程中合成产生，这就要求我们采用已合成好的莫来石和刚玉作为骨料，用粘土做结合剂，在较低的温度下，通过结合剂将骨料颗粒连接起来。因为坩埚的使用温度为1200℃左右，我们把烧成温度定在1290℃。实验证明，此温度烧成的坩埚具有较高的强度。

  2.4 坩埚的性能指标

  (1)矿物组成：

  莫来石 方英石 刚玉 石英

  70%~80% 13%~15% 5%~10% 少量

  (2)耐火度：1350℃

  (3)抗折强度：15.8MPa

  (4)热震稳定性：20~1200℃内外层不脱离

  20~1200℃水中5次以上不反复不炸裂

  (5)体积密度：1.9g/cm3

  莫来石刚玉复合质坩埚，具有机械强度高、热稳定性较好、耐火度较高的特点，特别具有抵抗强热震冲击的性能，实验证明能满足生产的性能要求。但由于采用注浆成型，导致成型坯体的致密性较高，烧成后坩埚密度较大，具有较高的强度。而致密度过高，又会相对降低其热稳定
性，因此，今后在注浆成型的基础上，我们还应该考虑其它的
成型方法(如蜡模成型、捣制成型等),使坩埚的质地相对比较疏松，从而达到提高坩埚的热稳定性，进一步完善坩埚性能的目的。