氧化鎂陶瓷是典型的新型陶瓷,也屬于傳統的耐火材料。氧化鎂本身對堿性金屬溶液有較強的抗侵蝕能力,制備的氧化鎂陶瓷坩堝具有優異的化學性能和抵抗金屬侵蝕的穩定性,與鎂、鎳、鈾、鋁、鉬等不起作用。在氧化氣氛或氮氣保護下氧化鎂陶瓷可穩定工作到2400℃,因此氧化鎂是現代冶金工業先進工藝中的關鍵材料。
01氧化鎂陶瓷的性能特點
MgO陶瓷屬立方晶系,氯化鈉結構。氧化鎂陶瓷的主晶相為MgO,理論密度為3.85g/cm3,熔點達2800℃,莫氏硬度為5-6.。MgO屬于弱堿性物質,對堿性金屬溶液有較強的抗侵蝕能力。氧化鎂晶格中離子堆積密度緊密,離子排列對稱性高,晶格缺陷少,難以燒結。所以在氧化鎂陶瓷的制備過程中,為了降低燒結溫度,需要加入一定量的燒結助劑,一般以混合稀土金屬氧化物(RxOY)、TiO2、ZrO2、SiO2作為燒結助劑。氧化鎂陶瓷的高溫穩定性、耐腐蝕性能優于氧化鋁陶瓷,可以在強堿金屬腐蝕性環境下使用。
02氧化鎂陶瓷的制備
(1)氧化鎂原料的制備
自然界中含鎂的化合物很豐富,它以多種礦物形式存在于地殼和海洋之中,如菱鎂礦(MgCO3)、白云石(CaMg(CO3)2)、水鎂石(Mg(OH)2)、滑石(Mg[Si4O10](OH)2)等。工業上主要從上述礦物中提取MgO,近來發展從海水中提取。
從礦物或海水中提取MgO,大多先制成氫氧化鎂或碳酸鎂,然后經煅燒分解成MgO,將這種MgO通過進一步化學處理或熱處理可得到高純MgO。
(2)MgO陶瓷的制備
制備時對MgO原料進行處理后,按組成進行配料。為了促進燒結以及能使晶粒稍微長大些,同時為了減少制備的水化傾向,可加入一些添加劑,如TiO2、Al2O3、V2O3等。表1列出了一些添加劑對MgO晶粒尺寸和燒結性的影響。如果要求具有高純度的MgO陶瓷,就不能采用加入添加劑的方法來促進燒結和晶粒長大,而是采用活化燒結的方法,即將Mg(OH)2在適當溫度下煅燒,得到具有很多晶格缺陷的活性MgO,用以制造燒結氧化鎂陶瓷。一般在1200℃煅燒分解Mg(OH)2為宜。
MgO陶瓷大都采用注漿法進行生產。但由于MgO容易水化,因此其工藝較為復雜。在準備料漿時,為不使MgO與水接觸,需采用無水乙醇等有機液體作懸浮介質。廣為采用的工藝過程如下:將MgO原料用足夠量的蒸餾水混合形成糊狀并充分水化成Mg(OH)2。存放一定時間后,在100℃以下烘干,在1450~1600℃于密封的條件下進行煅燒,保溫8h,使氫氧化鎂重新分解為MgO。然后球磨45~90h,然后加入水(水的加入量為50%~60%)繼續磨70~90min。形成懸浮漿料,用于澆注成型。為了改善料漿性能,可以通過調節pH值的方法,使pH值達7~8。
脫模后坯料在70℃溫度下干燥,為了使坯體中的水分迅速排除,應將濕空氣盡快排除。
陶瓷的燒成,是先在1250℃溫度下進行素燒,再裝入剛玉瓷匣缽中在1750~1800℃溫度下保溫2h燒結。
03氧化鎂陶瓷的應用
氧化鎂陶瓷,其理論使用溫度高達2200℃,可在1600℃~1800℃長期使用。其高溫穩定性及耐腐蝕性能均優于氧化鋁陶瓷,且與Fe、Ni、U、Th、Zn、Al、Mo、Mg、Cu、Pt等都不與MgO起作用,所以其應用范圍可包括:鋼鐵、玻璃等冶煉行業中腐蝕性條件下的坩堝或者其他耐火材料。
MgO陶瓷可用作冶煉金屬的坩堝,在原子能工業中也適于冶煉高純度的鈾和釷;還可用作熱電偶保護套管。利用它能使電磁波通過的性質,作雷達罩及紅外輻射的投射窗口材料等、冶煉金屬、合金,如鎳合金、放射性金屬鈾、釷合金、鐵及其合金等的坩堝。壓電、超導材料等的原料,并且無污染、耐鉛腐蝕等;亦可做陶瓷燒結載體,特別是β-Al2O3等高溫下有腐蝕性、揮發性物質的陶瓷產品的燒結保護。