矾土基β-Sialon的制备方法技术

本发明专利技术提供了一β－Ｓｉａｌｏｎ粉料的制备方法。该方法以我国储量丰富的高铝矾土为原料，通过添加金属硅粉、铝粉以及晶种，采用氮化还原工艺制备出矾土基β－Ｓｉａｌｏｎ。本发明专利技术方法简单，条件易控制，所得产物物相较纯，β－Ｓｉａｌｏｎ的含量在８０％以上。用本发明专利技术制备的粉料性能优良，包括转化率高、无碳、机械性能及耐火性能高、抗渣性能优越，可在冶金、机械、陶瓷等工业领域广泛使用。本发明专利技术可以大幅度提高高铝矾土的产品附加值与利用率，降低了传统Ｓｉａｌｏｎ的制备成本。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
所属领域本专利技术涉及一种陶瓷粉料的制备方法，具体涉及到一种由高铝矾土还原氮化合成β-Sialon的制备方法。
技术介绍
Sialon(赛隆)是Si3N4与Al2O3的固溶体，是由K.H.Jack等人在1972年率先提出的。Si3N4有β-Si3N4及α-Si3N4两种变型体，与他们同结构的固溶体分别称为β-Sialon、α-Sialon。Sialon材料具有较好的综合性能，近年来受到广泛的关注。如同单相氧化物材料(Al2O3等)相比较，它们有优越得多的抗热震性，而高温力学性能相当，同时对多种冶炼熔渣具有较好的抗侵蚀性；与单相非氧化物(如Si3N4、SiC等)相比，它们又具有高得多的抗氧化性。这些特性使Sialon材料更适宜于在冶金、化工等高温、腐蚀性环境下使用，同时也可以利用他的高强度、高硬度等特点而作为刀具或轴承应用。几十年来，关于Sialon材料方方面面的研究也非常多，然而其实际应用依然受到限制，这是由于(1)直接反应法合成Sialon要先合成Si3N4和AlN粉末，然后再以SiO2、Si3N4、Al2O3、AlN为原料，依据Si-Al-O-N相图按一定比例混合后，在高温下经固相反应后合成，这种方法的工艺相对复杂、合成的Sialon粉中往往伴随诸多杂质相的存在，并且一般要求较高的烧结温度(1700℃左右)，并且该方法成本高昂，例如日本UBE公司的Si3N4价格超过1000RMB/Kg，国内AlN粉的价格也要超过600RMB/Kg；(2)采用金属Si、Al及其氧化物做为起始原料反应烧结合成Sialon粉，该工艺成本也较高。(3)采用粘土等为原料碳热还原氮化合成Sialon粉，该工艺存在着合成产物中杂质相较多、杂质量较大、难以控制等问题。公开号为CN1168872A的中国专利技术申请案中提供了一种Sialon粉的制备方法。他是利用高温自蔓延工艺，该工艺设备复杂、要求条件高，成本较高，难以实现大规模生产。公开号为CN1270153A的中国专利技术申请案中提供了一种Sialon结合SiC粉的制备方法。他是利用河砂为原料，合成产物相中存在着大量的SiC，同时合成材料中低熔点物质，如K2O(2.9％)、Na2O(3.5％)含量高，不适宜在高温工业领域内加以应用。公开号为CN1349956A的中国专利技术申请案中提供了一种低成本合成Sialon陶瓷粉料的方法。他采用的原料为冶金炉渣、或粉煤灰，合成的产物是α-Sialon。公开号为CN1363535A的中国专利技术申请案中提供了一种合成赛隆复相材料的方法。他采用的原料为粉煤灰和煤矸石，合成的产物除β-Sialon外，还有大量的X-Sialon和SiC。公开号为CN85107936A与CN1142478A的中国专利技术申请案中，提供的则都是利用直接反应法合成α-β-Sialon复合材料。中国拥有丰富的高铝矾土原料资源。但是由于原料质量不够稳定，成分不够均匀，品种单一，不仅无法满足特种耐火材料的需求，国际市场上的销售价格也远低于圭亚那、巴西等国家(如矾土熟料价格我国约为70-80美元/吨，而圭亚那、巴西售价约为155-165美元/ 吨)。如果以其(高铝矾土)为原料，加入适当的还原剂，经过适当的工艺，将其转化为Sialon，以满足国内外高温冶炼关键部位的需求，不仅可以大幅度地降低生产成本，减小高温工业用耐火材料的消耗费用；而且还可以极大的提高矾土的附加值，为合理开发中国高铝矾土资源，提高出口创汇，提供良好的条件。而本专利技术正瞄准国际及国内该研究领域的技术空白，以实现低成本、高性能、高附加值的β-Sialon材料的研制开发。
技术实现思路
本专利技术的目的是以中国储量丰富的高铝矾土为原料，以β-Sialon的通式Si6-zAlzOzN8-z中的z值作为设计赛隆的主要参数，经过适当的工艺，研制合成工艺简单、成本低、性能好、附加值高的β-Sialon粉料，使高铝矾土经转型处理后，其价值可以提高10-20倍。本专利技术的技术方案为以高铝矾土为主要原料，以金属硅粉、铝粉为复合还原剂，采用氮化还原工艺制备矾土基β-Sialon，其工艺方法如下 a、选取原料的重量分数为高铝矾土 40-60％金属硅 40-60％金属铝 5-15％β-Sialon晶种 0.1-5％b、将高铝矾土、金属硅、金属铝和β-Sialon晶种混合均匀，加入原料总量1-5％的结合剂，机压成型或挤压成型；c、将b成型后块料或未成型的泥料置于氮化炉中进行氮化，在流动氮气气氛下，升温至800℃，保温1小时，升温速率为120-300℃/小时；继续升温至1100℃，保温1小时，升温速率为100-300℃/小时；再升温至1300℃，保温2小时，升温速率为20-100℃/小时；最后升温至1400-1550℃，保温4-10小时，升温速率为120-300℃/小时；然后冷却至100-800℃后关闭氮气，继续冷却至室温后，制得矾土基β-Sialon。在上述制备方法中，高铝矾土为生料或轻烧料，其灼减后的Al2O3质量百分比为70％-90％，SiO2质量百分比5％-20％；结合剂为糊精、聚乙烯醇、木质素、羧甲基纤维素、数脂中的一种或几种；机压成型的压力为10-100MPa；挤压成型的压力为1-10MPa。与现有技术相比，本专利技术的优点在于1、本专利技术制备工艺简单，无需复杂的工艺设备和工艺过程，同时以中国储量极丰富的高铝矾土为原料，可大大地降低Sialon的制造成本。2、由于β-Sialon是Si3N4的固溶体，其固溶度可在一定范围内变化，因此当原料组份稍有变化时并不影响最终β-Sialon的获得；因此该工艺对原料的要求较低，适合工业化生产。3、用本专利技术合成后的产物物相较纯，β-Sialon的含量在80％以上。说明书附图附图为本专利技术实施例所得产物的XRD分析图。下面结合附图对本专利技术作进一步说明。具体实施例方式实施例以河南省新密市的高铝矾土(成分如表1)、金属硅粉、铝粉为原料，并另加少量β-Sialon为晶种。表1河南省新密市的高铝矾土化学组成 将矾土48份、金属硅粉43份、金属铝粉9份，放置于球磨罐中，干混均匀；取出混合粉体以糊精为粘结剂，70-100MPa机压成型，80-110℃温度下干燥。使用气氛烧结炉，在氮气氛下，阶段升温至1500℃，保温5个小时。降温至700℃关闭氮气，继续降温至室温取出，得到β-Sialon粉料。本实施例中产物的XRD分析图如附图所示。经XRD分析，产物主晶相为β-Sialon，另有少量Al2O3、O’-Sialon、X相。如果以各种物相最强峰的积分面积近似为各物相的含量，β-Sialon的相对含量可以达到80％。权利要求1.，其特征在于以高铝矾土、金属硅、金属铝为主要原料，其重量分数为高铝矾土 40-60％金属硅40-60％金属铝5-15％β-Sialon晶种 0.1-5％b、将高铝矾土、金属硅、金属铝和β-Sialon晶种混合均匀，加入原料总量1-5％的结合剂，机压成型或挤压成型；c、将b成型后块料或未成型的泥料置于氮化炉中进行氮化，在流动氮气气氛下，升温至800℃，保温1小时，升温速率为120-300℃/小时；继续升温至1100℃，保温1小时，升温速率为100-300℃/小时；再升温至1300℃，保温2小时，升温速本文档来自技高网...

【技术保护点】
矾土基β－Ｓｉａｌｏｎ的制备方法，其特征在于：以高铝矾土、金属硅、金属铝为主要原料，其重量分数为：　　　　高铝矾土　　４０－６０％　　　　金属硅　　４０－６０％　　　　金属铝　　５－１５％　　　　β－Ｓｉａｌｏｎ晶种　　０．１－５％　　　　ｂ、将高铝矾土、金属硅、金属铝和β－Ｓｉａｌｏｎ晶种混合均匀，加入原料总量１－５％的结合剂，机压成型或挤压成型；　　　　ｃ、将ｂ成型后块料或未成型的泥料置于氮化炉中进行氮化，在流动氮气气氛下，升温至８００℃，保温１小时，升温速率为１２０－３００℃／小时；继续升温至１１００℃，保温１小时，升温速率为１００－３００℃／小时；再升温至１３００℃，保温２小时，升温速率为２０－１００℃／小时；最后升温至１４００－１５５０℃，保温４－１０小时，升温速率为１２０－３００℃／小时；然后冷却至１００－８００℃后关闭氮气，继续冷却至室温后，制得矾土基β－Ｓｉａｌｏｎ。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：钟香崇，张海军，叶方保，刘战杰，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：41[中国|河南]