利用富硼渣制备氮化硼／赛隆陶瓷复合材料的方法技术

本发明专利技术涉及利用富硼渣制备氮化硼／赛隆陶瓷复合材料的方法分两步制取：第一步合成ＢＮ／（Ｃａ，Ｍｇ）α′－Ｓｉａｌｏｎ粉末：（１）破碎；（２）球磨；（３）过筛；（４）磁选；（５）配料：按质量百分比为：富硼渣７．９４～４５．７９，硅灰１２．１９～５８．７８，铝矾土３．８２～１９．７８，碳黑２１．７０～３５．４１；（６）湿混：以无水乙醇为介质进行混合；（７）干燥：在６０℃下烘干；（８）干混；（９）模压成型；（１０）高温烧成：在一个大气压、温度１４５０～１５００℃、恒温６～１０小时，氮气保护下烧成；（１１）烧去残碳；第二步是将第一步烧成的粉末与添加剂ＣａＣＯ↓［３］混合，经模压成型后，在炉中埋粉条件下，温度１６００～１７００℃下烧结获取ＢＮ／（Ｃａ，Ｍｇ）α′－Ｓｉａｌｏｎ陶瓷复合材料，其各种性能优良。本发明专利技术工艺简单，制造成本低，为富硼渣综合利用开辟了新途径，减少环境污染。

The preparation of boron nitride / Sialon ceramic composite material made of boron rich slag

The present invention relates to the preparation of boron nitride / Sialon ceramic composites of boron rich slag system is divided into two steps: the first step for synthesis of BN (Ca, Mg) alpha '- Sialon powder: (1) crushing; (2) (3) ball milling; sieving; magnetic separation; (4) (5) ingredients according to the mass percentage of boron rich slag 7.94 ~ 45.79, 12.19 ~ 58.78 alumina silica fume, 3.82 ~ 19.78, 21.70 ~ 35.41 carbon black; (6): wet mixed with ethanol as medium were mixed; (7) drying: drying at 60 DEG C; (8) dry mixing; (9) molding molding; (10) high temperature firing in a large pressure, temperature 1450 to 1500 DEG C, temperature 6 ~ 10 hours, under the protection of nitrogen firing; (11 ) burn off the carbon residue; the second step is the first step of burnt powder and additive CaCO down 3 after mixing, after molding, powder embedded in the furnace under the condition that the temperature of 1600 to 1700 DEG C to obtain sintered BN / (Ca, Mg) alpha '- Sialon ceramic composite material, its properties excellent. The invention has simple process and low manufacturing cost, and opens up a new way for comprehensive utilization of boron rich slag to reduce environmental pollution.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉'及 一 种陶瓷复合材料的制备方法，具体涉及利用富硼渣制备 BN/(Ca,Mg)a'-Sialon陶瓷复合材料的方法。
技术介绍
目前国内外尚未见到利用富硼渣制备BN/(Ca,Mg)a'-Sialon陶瓷复合材料的任何报道。单 相a'-Sialon及a'-Sialon基陶瓷复合材料多以纯氮化物和氧化物为原料通过反应烧结法(RS) 制备。该法虽可制备出纯度较高的材料，但原料成本高，工艺复杂，不适合工业规模生产。 此外，还有以天然矿物或工业废渣为原料自蔓延烧结法(SHS)制备a'-Sialon，该方法虽然反应 时间短、速度快，但同样不适合工业规模生产，且烧结产品的重现性差。富硼渣是硼铁矿经 高炉或电炉分离后的产生一种废渣，目前尚无有效的资源化利用方法，长期累积将对环境造 成较大的污染。因此，无论从经济上还是生态上等方面考虑，都需对富硼渣进行大量有效的 利用。
技术实现思路
针对现有技术的缺点，本专利技术的目的是提供一种利用富硼渣制备BN/(Ca,Mg)a'-Sialon陶 瓷复合材料的方法。即利用产量大、成本诋廉的富硼渣为主要原料，以硅灰和铝矾土调整成 分，采用碳热还原氮化法制备BN/(Ca,Mg)a'-Sialon陶瓷复合材料。不仅达到工艺简便易行， 而且适合工业化连续生产，大大降低BN/(Ca,Mg)a'-Sialon陶瓷复合材料的制备成本，为我国 富硼渣无新的废弃和污染且生态化的整体利用提供一条新途径，减少对环境的污染。实现本专利技术目的的技术方案以硼铁矿经火法分离后的产物8203含量为12 20wt。/。的富 硼渣为主要原料，用Si02含量为82 95wt。/。的硅灰和八1203含量为79 85wt。/。铝矾土调整成分， 碳黑为还原剂，分两步进行第一步合成BN/(Ca,Mg)a'-Sialon粉末(1) 破碎对块状富硼渣进行破碎，然后用制样机对破碎后的炉渣进行处理得到渣粉；(2) 球磨对上述渣粉进行细磨；(3) 过筛用200目的标准筛对上述细磨后的渣粉进行筛分；(4) 磁选用磁铁对渣粉进行磁选，去除渣粉中所含的单质铁和铁磁性物质；(5) 配料选定合成0t'-Sialon的化学式为(Ca,Mg)xSin-3xAl3xOxNi6.x，式中x=0.3~1.8，确 定原料的质量百分配比为富硼渣7.94~45.79%，硅灰12.19-58.78%，铝砜土 3.82-19.78%， 碳黑21.70%~35.41%;(6) 湿混将配制好的混合料以无水乙醇为介质混合成料浆，湿混时间为24小时；(7) 干燥湿混后的料浆于60'C下烘干；(8) 干混干燥后的混合料再干混4小时，并将所得坯料置于干燥器中保存；(9) 模压成型将干混后的坯料进行单轴向压制成型，成型压力25MPa，保压lmin;(10) 高温烧成将压制成型的坯料在一个大气压、烧成温度为1450~1500°C、恒温时 间为6~10小时、升温和降温速度均为3~5°C/min、烧成过程中炉内通入流量为400 800ml/min 的流动氮气条件下进行烧结；(11) 烧去残碳将上述烧结成的BN/(Ca,Mg)a'-Sialon粉末在600。C空气中恒温5小时 进行热处理，以去除残余的游离碳。第二步BN/(Ca,Mg)a'-Sialon陶瓷复合材料的制备将第一步合成的BN/(Ca，Mg)a'-Sialon粉末与占原料总重量10~15%的添加剂CaC03混合 均匀，在压力为200MPa下模压成型，然后将该生坯埋入由60。/。Si3N4+30。/。AlN+10。/。BN组成 的混合粉中，置于烧结炉、在氮气保护下进行常压烧结，烧结温度为1600~1700°C，保温1~2 小时，升温是采取分阶段升温制度，升温速度为5~30°C/min，降温速度为30~40°C/min。第二步骤中所述烧结采取分阶段升温制度是先以25 3(TC/min的速度升温，当温度达 到115(TC时，保温30min，随后以20~25°C/min较快的速度升温至1400。C后，再以5~10°C/min 的速度升至烧成温度；所述的烧结炉是真空碳管炉。本专利技术显著的优点和积极效果是1、 充分利用了产量大、成本低廉的富硼渣为主要原料，因此，不仅生产成本很低，而且 为富硼渣的综合利用开辟了新的途径，减少了对环境的污染。2、 本专利技术利用富硼渣为主要原料，合成BN/(Ca,Mg)a'-Sialon陶瓷复合材料，工艺简单， 所获得材料中长柱状a'-Sialon晶粒对该材料有明显的自增韧作用。同时由于富硼渣中的B203 还原氮化后得到的BN颗粒细小，且具有高的抗热震性、导热系数大、良好的润滑性、高温 化学惰性、耐酸、碱、金属溶液等化学介质的侵蚀，特别是BN具有的片状叠层结晶构造及 较大的各向异性热膨胀特性使它作为第二相改性材料改善基体材料的抗热震性、耐腐蚀性、 可机加工性及材料的介电性能等。该产品具有各种优良性能(1)属于高密度、高硬度、高 强度材料。体积密度为2.8~3.2g/cm3，维氏硬度为18 23GPa，抗折强度150 200MPa，断裂韧性3~5MPa1/2; (2)具有较好的抗空气氧化性能。在空气中可发生"钝化氧化"，试样外层 能形成"保护膜"，阻止氧化反应的进一步进行。具体实施例方式例l:第一步合成BN/(Ca,Mg)a'-Sialon粉末。首先将富硼渣进行破碎，然后用制样机对 破碎后的炉渣进行处理得到渣粉，再将渣粉放入聚氨酯球磨罐中细磨，直至渣粉粒度达到200 网目以下。最后，磁选以去除渣中所含的单质铁和铁磁性物质。将磁选后的富硼渣与硅灰、 铝矾土、碳黑混合，其配比为富硼渣为35.78g,硅灰为21.97g，铝砜土为15.49g，碳黑为 26.76g。将配制好的混合料置于聚氨酯球磨罐中，以无水乙醇为介质湿混24h，然后将料浆放 入烘箱中于6(TC下烘干。待混合料充分干燥后再干混4h，以确保混合料充分均匀。将干混后 的坯料放入钢模中，于25MPa下单轴向机压成015mm的小圆坯。将模压后的素坯装入石墨 坩埚中，置于立式MoSi2电阻炉恒温带中，由炉底连续通入氮气(N%>99%)，常压下进行 烧结。用XMTA-1型温控仪(上海亚太精密仪表厂)进行控温，升温速度约5'C/min，降温 速度约4。C/min。烧结温度为1480°C，恒温8h，氮气流量为400ml/min。将烧成后的样品放 在玛瑙研钵中研磨成粉末，然后将其置于马弗炉内在60(TC空气中恒温5小时进行热处理， 以去除残余的游离碳。检测结果表明合成粉末中主要物相为(x'-Sialon、 A1N和BN，此外 还含有少量SiC。第二步制备BN/(Ca，Mg)a'-Sialon陶瓷复合材料。先将上述粉末与占粉末质量10%的添加 剂CaC03在玛瑙研钵中干混0.5h，再以无水乙醇为介质湿混lh，然后将料浆放入烘箱中于 60'C下烘干。待混合料充分干燥后再干混0.5h,以确保混合料充分均匀。再将坯料放入钢模 中，于200MPa下压制成直径为15mm的小圆坯。将素坯装入石墨坩埚中，置于真空碳管炉 中在高纯氮气氛和埋粉(60wt%Si3N4+30wt%AlN+10%wtBN)条件下进行常压烧结。烧结温 度1700。C，保温2h，恒温精度士rC。升温速本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用富硼渣制备氮化硼／赛隆陶瓷复合材料的方法，其特征在于：以硼铁矿经火法分离后的产物Ｂ↓［２］Ｏ↓［３］含量为１２～２０ｗｔ％的富硼渣为主要原料，用ＳｉＯ↓［２］含量为８２～９５ｗｔ％的硅灰和Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］含量为７９～８５ｗｔ％铝矾土调整成分，碳黑为还原剂，分两步进行：第一步：合成ＢＮ／（Ｃａ，Ｍｇ）α′－Ｓｉａｌｏｎ粉末（１）破碎：对块状富硼渣进行破碎，然后用制样机对破碎后的炉渣进行处理得到渣粉；（２）球磨：对上述渣粉进行细磨；（３）过筛：用２００目的标准筛对上述细磨后的渣粉进行筛分；（４）磁选：用磁铁对渣粉进行磁选；（５）配料：选定合成α′－Ｓｉａｌｏｎ的化学式为（Ｃａ，Ｍｇ）↓［ｘ］Ｓｉ↓［１２－３ｘ］Ａｌ↓［３ｘ］Ｏ↓［ｘ］Ｎ↓［１６－ｘ］，式中ｘ＝０．３～１．８，确定原料的质量百分配比为：富硼渣７．９４～４５．７９％，硅灰１２．１９～５８．７８％，铝矾土３．８２～１９．７８％，碳黑２１．７０～３５．４１％；（６）湿混：将配制好的混合料以无水乙醇为介质混合成料浆，湿混时间为２４小时；（７）干燥：湿混后的料浆于６０℃下烘干；（８）干混：干燥后的混合料再干混４小时，并将所得坯料置于干燥器中保存；（９）模压成型：将干混后的坯料进行单轴向压制成型，成型压力２５ＭＰａ，保压１ｍｉｎ；（１０）高温烧成：将压制成型的坯料在一个大气压、烧成温度为１４５０～１５００℃、恒温时间为６～１０小时、升温和降温速度均为３～５℃／ｍｉｎ、烧成过程中炉内通入流量为４００～８００ｍｌ／ｍｉｎ的流动氮气条件下进行烧结；（１１）烧去残碳：将上述烧结成的ＢＮ／（Ｃａ，Ｍｇ）α′－Ｓｉａｌｏｎ粉末在６００℃空气中恒温５小时进行热处理，去除残余的游离碳；第二步：ＢＮ／（Ｃａ，Ｍｇ）α′－Ｓｉａｌｏｎ陶瓷复合材料的制备将第一步合成的ＢＮ／（Ｃａ，Ｍｇ）α′－Ｓｉａｌｏｎ粉末与占原料总重量１０～１５％的添加剂ＣａＣＯ↓［３］混合均匀，在压力为２００ＭＰａ，单轴向模压成型，保压１ｍｉｎ，然后将该生坯埋入由６０％Ｓｉ↓［３］Ｎ↓［４］＋３０％ＡｌＮ＋１０％ＢＮ组成的混合粉中，置于烧结炉、在氮气保护下进行常压烧结，烧结温度为１６００～１７００℃，保温１～２小时，升温采取分阶段升温制度，升温速度为５～３０℃／ｍｉｎ，降温速度为３０～４０℃／ｍｉｎ。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：薛向欣，姜涛，巫俊斌，段培宁，杨合，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：89[中国|沈阳]