一种低成本合成赛隆陶瓷粉料的方法技术

本发明专利技术涉及一种低成本合成赛隆陶瓷粉料的方法，属于Ｓｉ↓［３］Ｎ↓［４］基陶瓷材料制备领域。其特征在于利用冶金炉渣或石灰石或粉煤灰工业废料，或廉价天然矿物为原料，通过添加金属硅粉、铝粉以及部分晶种，以α－ｓｉａｌｏｎ的通式Ｍ↓［ｘ］Ｓｉ↓［１２－（ｍ＋ｎ）］Ａｌ↓［ｍ＋ｎ］Ｏ↓［ｎ］Ｎ↓［１６－ｎ］中的ｘ、ｍ、ｎ值作为设计赛隆陶瓷主要参数（当Ｍ为Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｙ和Ｙｂ时，０．３３＜ｘ＜０．６７，ｍ＝３ｘ，ｍ＝２ｎ；当Ｍ为Ｃａ时，０．４＜ｘ＜１．４，ｍ＝２ｎ＝２ｘ），原料经球磨烘干后，经高温自蔓延工艺合成再经过处理得到单相α－ｓｉａｌｏｎ粉料，该粉料具有非常好的烧结性，可在１６００－１８００℃之间无压烧结，密度达３．０７ｇ／ｃｍ↑［２］，硬度为１５．５３ＧＰａ，韧性４．７２ＭＰａ.ｍ↑［１／２］，并具有远高于Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］和ＺｒＯ↓［２］陶瓷和优于ＳｉＣ陶瓷的的耐冲刷性能。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是。更确切地说是提供一种以冶金炉渣或石灰石、金属硅粉和金属铝粉为主要原料，通过高温自蔓延工艺合成高纯度、易烧结的阿尔法赛隆(α-Sialon)陶瓷粉料的方法，以此方法合成的α-Sialon陶瓷粉为原料，无压烧结样品具有较好的力学性能，其抗冲刷性能远高于氧化铝和氧化锆陶瓷。属于Si3N4基陶瓷材料制备领域。在自然界中没有天然的氮化硅，Sialon的原料为高纯度合成的氮化硅和高昂的添加剂，如AlN和稀土氧化物等。因此，原料价格是导致Sialon陶瓷成本偏高的一个重要因素，例如日本UBE公司的Si3N4价格超过1000RMB/kg，国内的AIN粉也要超过600RMB/kg，而高级Al2O3陶瓷的原料成本仅在200RMB/kg左右。因此，降低成本且保持其优异性能，就成为今后Sialon陶瓷开发应用的重要方向。此外，当前环境保护问题日益受到关注，如何避免工业废料，如炉渣，矿渣，粉煤灰等造成的污染并使之再生利用也是一个重要的研究领域。利用工业废料，如炉渣，矿渣，粉煤灰或自然界大量存在的粘土，通过一定工艺获得低成本的Sialon陶瓷将是解决以上问题的有效途径之一。1976年，S.Wild首先报导了利用高岭土在氮气中于1400℃保温24小时合成β-Sialon和AlN的混合物的研究结果。随后，日本、德国、新西兰、澳大利亚、苏联、荷兰和中国等国的学者相继围绕这一课题展开了研究。由于粘土矿物的化学组成相对简单，因此目前碳热还原氮化合成Sialon的原料大多采用粘土矿物，产物主要是由化学元素Si、Al、O、N组成的β-Sialon，而对炉渣等复杂系统的应用研究报导甚少。与β-Sialon相比，α-Sialon具有更高的硬度，能吸收更多的Ca，Mg，Ln，二稀土元素Y等金属离子。对于含大量CaO和MgO的高炉炉渣而言，制备(Ca，Mg)-α-Sialon就成为一条非常可行的途径。然而，文献报导和我们自己的研究结果表明，碳热还原氮化工艺合成的Sialon粉存在周期长，能耗高，产量低，反应不完全等缺点。由于氮化反应在动力学上较困难，产率非常低，通常几公斤粉料需要几天，不仅消耗了大量的能量，也间接造成了环境污染。高温自蔓延(SHS)工艺是最近二、三十年发展起来的高效合成金属和陶瓷粉末的先进工艺，它通过反应物之间自身的放热燃烧合成反应持续进行，整个过程几乎不需要外界提供任何能源，并且在几十秒内完成反应。因而是一种倍受关注的合成粉料的方法。本专利技术的目的是通过下述方式实施的。即应用已有的Ln、Ca、Mg、Al、O、N多元系统相关系知识，利用冶金炉渣、石灰石等工业废料或廉价天然矿物质为原料，通过添加金属硅粉、铝粉，结合高温自蔓延工艺合成制备出低成本、高性能的Sialon陶瓷粉料。具体地说(1)以α-赛隆的通式MxSi12-(m+n)Alm+nOnN16-n中的x、m、n值作为设计赛隆陶瓷主要参数(当M为Nd、Sm、Gd、Dy、Y和Yb时，通常0.33＜x＜0.67，m＝3x，m＝2n；当M为Ca时，0.4＜x＜1.4，m＝2n＝2x)，依据冶金炉渣、粉煤灰或天然矿物的化学组成和相应金属元素M所对应α-Sialon的单相区，确定合成α-赛隆的化学表达式和所需原料的组成配比。(2)原料，包括冶金炉渣、粉煤灰或天然矿物(粒径＜20μm)、金属硅粉(95％，中位直径d＜20μm)、金属铝粉(95％，中位直径d＜20μm)以及部分作晶种用的Si3N4粉和AlN粉(或本专利技术合成的α-Sialon粉和AlN粉，占15wt％～40wt％)，按上述(1)组成配比称量后，在Al2O3球磨筒中以无水乙醇为分散介质，Si3N4球为球磨介质混合24小时，取出浆料烘干后，经55目筛网过筛。(3)混合均匀的原料放置于高温自蔓延合成炉内，原料上端覆盖少量金属钛粉，埋入与导线相连的钨丝，抽真空后通入高压N2气，N2气压力为3-10MPa，通电点燃原料。两小时后打开炉盖，取出样品，将样品上端的TiN去掉，剩下的即为合成好的单相的α-Sialon料柱。(4)将合成的α-Sialon料柱放入Al2O3球磨筒中以无水乙醇或水为分散介质，Si3N4球为介质，球磨72小时，取出浆料烘干后，经55目筛网过筛，即得到单相α-Sialon粉料。该粉料具有非常好的烧结性，可在1600-1800℃之间无压烧结致密，其1800℃无压烧结样品的密度3.07g/cm2，硬度15.53GPa，韧性4.72MPa·m1/2，并有远高于Al2O3和ZrO2陶瓷和优于SiC陶瓷的耐冲刷性能。本专利技术的优点是(1)效率高、产量大，且点燃后，自行燃烧合成，不需要能源，无污染。(2)由于α-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α-Sialon的获得；另外高温自蔓延过程中极高的温度会使大部分的杂质汽化并消失，因此该工艺对原料的要求较低，适合工业化生产。(3)高温自蔓延合成设备简单，成本低，易于规模生产。(4)合成后的α-Sialon物相较纯，反应活性高、易烧结。图2是本专利技术提供的实施例1合成粉料的显微形貌照片。图3是本专利技术提供的实施例1粉料制成的炉渣α-Sialon陶瓷材料(热压)的抗冲刷性(以YAG颗粒为冲刷介质)。■-Mg-PSZ(氧化镁部分稳定氧化锆)，○-Al2O3(99.8％密度)，▲-一般α-Sialon(CA2613)图4是本专利技术提供的实施例1粉料制成的样品耐冲刷性能与其他陶瓷材料的比较(以SiC颗粒作冲刷介质)。■热压—炉渣制备的Sialon(本专利技术)， —无压烧结—炉渣制备的Sialon(本专利技术)，△—日本Sialon，—反应烧结SiC(Concord公司)， —反应烧结SiC(Shunt公司)，★—一般α-Sialon图3、4中横坐标分别为冲刷量(g)，纵坐标为样品失重(g)。表1 某钢厂高炉渣的化学组成Component CaO SiO2Al2O3MgO Fe2O3MnOTiO2SO3K2O Na2O F-C1-wt％ 39.76 34.48 14.049.18 0.520.090.83 1.36 0.250.31 0.58 0.27mol/100g 0.71 0.57 0.14 0.23 ＜0.01 ＜0.01 0.01 0.02 ＜0.01 ＜0.01 0.03 ＜0.01其样品在抗冲刷试验设备上进行不同冲刷介质(YAG颗粒，60目和SiC，70目)不同冲刷角度的测试。在用硬度低于SiC的YAG颗粒作介质冲刷无压和热压制备的炉渣Sialon陶瓷样品时，样品的失重非常小，与图3中CA2613样品(Ca-α-Sialon，x＝1.3化学试剂为原料，无压烧结制备)类似。用SiC颗粒介质冲刷时，无压和热压的炉渣α-Sialon陶瓷样品的耐冲刷比通常的热压烧结Si3N4和反应烧结SiC都好，如图4所示。实施例2采用实施例1相同工艺，只是改用实施例1合成的(Ca，Mg)-α-Sialon粉料替代Si3N4和AlN一起作晶种，依然采用高炉炉渣、金属硅粉、铝粉为原料，按Ca0.71Mg0.23Si9.18Al2.82O0.94N15.06设计最终α本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低成本合成赛隆陶瓷粉料的方法，其特征在于利用冶金炉渣或石灰石或粉煤灰工业废料，或廉价天然矿物为原料，通过添加金属硅粉、铝粉以及部分晶种，以α－ｓｉａｌｏｎ的通式Ｍ↓［ｘ］Ｓｉ↓［１２－（ｍ＋ｎ）］Ａｌ↓［ｍ＋ｎ］Ｏ↓［ｎ］Ｎ↓［１６－ｎ］中的ｘ、ｍ、ｎ值作为设计赛隆陶瓷主要参数，原料经球磨、混料、烘干后由高温自蔓延工艺合成再经处理制备而成。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈卫武，王佩玲，程一兵，张宝林，庄汉锐，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，蒙那什大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]