一种原位合成FeSix/透辉石复相金属陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种原位合成FeSix/透辉石复相金属陶瓷及其制备方法，复相金属陶瓷包括透辉石晶相、玻璃相及金属相FeSix，其中金属相FeSix弥散分布于所述透辉石和玻璃相构成的连续基体相中。该制备方法是以富含铁元素的尾矿、粉煤灰、冶炼渣等工业废弃物为主要原料，包括混合料的配制、高温熔制、原位合成、晶化热处理等步骤，本发明专利技术的FeSix/透辉石复相金属陶瓷，借助高温还原反应，不仅可以回收工业废弃物中的铁元素，同时将纳米/微米级的金属相FeSix弥散于贫铁透辉石玻璃陶瓷中，提高了材料的抗酸碱腐蚀性以及韧性，拓展了玻璃陶瓷的工业用途，且该玻璃陶瓷致密性好、强度高、耐磨、抗冲击性好，可广泛用于电力、化工、煤炭以及钢铁冶金等行业。

In situ synthesis of FeSix/ diopside composite cermet and preparation method thereof

The invention discloses an in-situ synthesis of FeSix/diopside multiphase cermet and a preparation method thereof. The multiphase cermet comprises diopside crystalline phase, glass phase and metal phase FeSix, in which the metal phase FeSix is dispersed in the continuous matrix phase composed of the diopside and glass phase. The preparation method is based on industrial wastes such as tailings, fly ash and smelting slag rich in iron elements as main raw materials, including mixtures preparation, high temperature melting, in-situ synthesis, crystallization heat treatment and other steps. The FeSix/diopside composite cermet of the invention can not only recover industrial wastes by means of high temperature reduction reaction. At the same time, the nano/micron metal phase FeSix is dispersed in the poor iron diopside glass-ceramics, which improves the acid-alkali corrosion resistance and toughness of the materials and expands the industrial use of glass-ceramics. The glass-ceramics have good compactness, high strength, wear resistance and impact resistance, and can be widely used in electric power, chemical industry, etc. Coal, iron and steel, metallurgy and other industries.

【技术实现步骤摘要】
一种原位合成FeSix/透辉石复相金属陶瓷及其制备方法
本专利技术涉及一种原位合成FeSix/透辉石复相金属陶瓷及其制备方法，特别是涉及一种以富铁尾矿/冶炼渣为主要原料，以石墨为还原剂，采用玻璃熔体调制技术原位合成FeSix/透辉石复相金属陶瓷及其制备方法。
技术介绍
随着我国矿业及钢铁行业的不断发展，矿产资源的采选冶过程中排出的尾矿、冶炼渣等固体废弃物逐年增加，这些工业固体废弃物的处置不仅占用了大量的土地资源，污染了生态环境，也造成了资源浪费。随着我国环保法、环保税等相关法律法规的逐步出台与完善，工业固体废弃物的处理与处置给企业带来了相当大的压力，同时也促进了企业向着资源节约、技术创新、产业转型进行转变。工业固体废弃物是放错了位置的二次资源，如何清洁高效高值化利用已成为企业、高校、科研院所关注的焦点和研究的热点。尾矿、冶炼渣等固体废弃物中主要含有CaO、MgO、Al2O3、SiO2等主要成分，是制备玻璃陶瓷材料很好的原料。但是，对于富含铁元素的尾矿、冶炼渣等工业固体废弃物由于铁离子的着色作用，在一定程度上限制了其在玻璃、陶瓷民用产品的应用范围，另外，以富铁尾矿、冶炼渣等为原料开发的玻璃陶瓷材料，由于铁元素的固化效果欠佳，抗腐蚀性差，限制了开发的玻璃陶瓷产品在工业腐蚀环境下的利用领域。贫铁透辉石玻璃陶瓷具有结构密实、耐磨、耐腐蚀、高强度等优异性能，制得的产品能够广泛应用于电力、煤炭、冶金、化工等磨损、腐蚀严重的恶劣工况。但是，不管是含铁透辉石玻璃陶瓷还是贫铁透辉石玻璃陶瓷均需要提高其韧性才能更好的拓展其应用领域。金属陶瓷由陶瓷和金属组成的一种复合材料，兼有金属的韧性强、抗弯性好以及陶瓷的耐高温、高强度和抗氧化性能等特点。根据各组成相所占百分比不同，金属陶瓷分为以陶瓷为基质和以金属为基质两类。目前，关于金属基金属陶瓷主要集中于铝基、镁基等有色金属基等复合材料，但是由于原材料成本高、工艺复杂等因素造成产品的价格昂贵，应用范围受到限制；陶瓷基金属陶瓷基体主要为SiC、WC、BN、Ti(C、N)等碳化物和氮化物，通常应用于高速切削等高精尖领域(如制成金属陶瓷刀具)，虽然该类材料具有耐高温、抗腐蚀、硬度高等优异性能，但该类金属陶瓷材料对基体相和增强相纯度要求高，制备工艺条件也比较苛刻，不适用于普通工业领域。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种原位合成FeSix/透辉石复相金属陶瓷及其制备方法，为提高含铁透辉石玻璃陶瓷抗酸碱腐蚀及韧性提供了新的思路，同时为富铁尾矿、冶炼渣等工业固体废弃物二次资源的清洁、高效、高值化利用提供了新途径。为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种原位合成FeSix/透辉石复相金属陶瓷，包括透辉石晶相、玻璃相及金属相FeSix，其中金属相FeSix弥散分布于所述透辉石和玻璃相构成的连续基体相中。复相金属陶瓷的基础配方包括以下成分：SiO245～60％、Al2O35～12％、CaO12～22％、MgO1～8％、Fe2O3≥5％、Na2O+K2O≤6％、TiO2+CaF2+Cr2O3≤5％。复相金属陶瓷的主要原料为含铁元素的尾矿、粉煤灰、冶炼渣中至少一种，并按照基础配方补加石英砂、纯碱。复相金属陶瓷的原位合成方法为：将原料混合，并进行高温熔融，在高温熔融过程中利用熔制坩埚及搅拌棒还原原料中的铁氧化物或含铁硅酸盐；再进行成型、退火、晶化即得。一种原位合成FeSix/透辉石复相金属陶瓷的制备方法，包括以下步骤：(1)混合料的配制：按照基础配方计算出各原料比率，称量原料并混合均匀；(2)混合料高温熔制及金属相FeSix的原位合成：将步骤(1)中混合料装于坩埚中，并放入熔化炉中进行高温熔制，同时在坩埚中加有搅拌棒搅拌，利用熔制坩埚及搅拌棒的还原作用，形成金属相FeSix弥散于玻璃熔体中；(3)含有弥散相的母体玻璃的制备及金属回收：将步骤(2)中得到的坩埚上层均质玻璃熔体浇铸成型，经退火、冷却后得到含有原位合成的弥散金属相FeSix的母体玻璃；坩埚底部的金属熔液进行水淬后回收；(4)晶化热处理：将步骤(3)中得到的退火母体玻璃经过晶化热处理后，得到FeSix/透辉石复相金属陶瓷。复相金属陶瓷的主要原料为含铁元素的尾矿、粉煤灰、冶炼渣中至少一种，并按照基础配方补加石英砂、纯碱。复相金属陶瓷的基础配方包括以下成分：SiO245～60％、Al2O35～12％、CaO12～22％、MgO1～8％、Fe2O3≥5％、Na2O+K2O≤6％、TiO2+CaF2+Cr2O3≤5％。高温熔制过程中，如熔化炉中没有通入还原性或惰性气体，则坩埚及搅拌棒均采用高纯石墨材质；若熔化炉中通有还原性或惰性气体，则坩埚及搅拌棒采用高纯石墨材质或普通石墨材质均可。高温熔制的温度为1450～1550℃，搅拌棒搅拌时间为3～4h；退火温度为550℃～650℃，时间为1～3h。晶化热处理制度为：将得到的退火母体玻璃从室温以2～5℃/min的升温速率升温至800℃～900℃，保温1h～3h，然后随炉降温至室温出炉。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：(1)本专利技术的FeSix/透辉石复相金属陶瓷，是以富铁尾矿、冶炼渣、粉煤灰等工业固体废弃物为主要原料，采用高温熔制原位合成的方法制得，不需要额外添加金属，制备工艺简单，成本低廉。(2)本专利技术的FeSix/透辉石复相金属陶瓷，借助高温还原反应，不仅可以回收富铁尾矿、粉煤灰、冶炼渣等原料中的铁元素，同时将纳米/微米级的金属相FeSix弥散于贫铁透辉石玻璃陶瓷中，提高了材料的抗酸碱腐蚀性以及韧性，拓展了玻璃陶瓷的工业用途，且该玻璃陶瓷致密性好、强度高、耐磨、抗冲击性好，可广泛用于电力、化工、煤炭以及钢铁冶金等行业。(3)本专利技术的适用于大部分含铁尾矿、冶炼渣等工业固体废弃物，充分利用二次资源，减轻固体废弃物带来的环境压力，为实现了二次资源的清洁、高效、高值化利用提供新思路。附图说明图1为本专利技术材料制备的工艺流程示意图。图2为本专利技术的FeSix/透辉石复相金属陶瓷光学电镜照片。图3为本专利技术的FeSix/透辉石复相金属陶瓷SEM及EDS照片。图4为本专利技术的FeSix/透辉石复相金属陶瓷TEM照片。图5为本专利技术的FeSix/透辉石复相金属陶瓷X射线衍射图谱。图中的Fe20、Fe15、Fe10、Fe5、Fe0代表：金属陶瓷混合原料中Fe2O3含量分别为20％、15％、10％、5％及0％。具体实施方式以下结合实施例对本专利技术的具体实施方式作进一步详细说明。实施例1一种FeSix/透辉石复相金属陶瓷，采用高温熔制-原位合成的方法制得，其具体步骤如下(如图1所示)：(1)混合料的配制：参照CaO-MgO-Al2O3-SiO2四元相图设计透辉石相基础配方，其中各成分的重量百分比组成为：SiO254％、Al2O38％、CaO20％、MgO2％、Fe2O310％、Na2O+K2O2％、CaF24％。以白云鄂博尾矿、粉煤灰为主要原料(其主要成分见表1)，搭配适量石英砂、纯碱等计算玻璃料方，按照玻璃料方称量原料并混合均匀。表1白云鄂博尾矿及粉煤灰主要化学组分(wt.％)(2)混合料高温熔制及金属相FeSix的原位合成：将混合料装于高纯石墨坩埚中，高纯石墨坩埚放于高温硅钼棒电炉(不通气体)中加本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种原位合成FeSix/透辉石复相金属陶瓷，其特征在于，所述复相金属陶瓷包括透辉石晶相、玻璃相及金属相FeSix，其中金属相FeSix弥散分布于所述透辉石和玻璃相构成的连续基体相中。

【技术特征摘要】
1.一种原位合成FeSix/透辉石复相金属陶瓷，其特征在于，所述复相金属陶瓷包括透辉石晶相、玻璃相及金属相FeSix，其中金属相FeSix弥散分布于所述透辉石和玻璃相构成的连续基体相中。2.根据权利要求1所述的原位合成FeSix/透辉石复相金属陶瓷，其特征在于，所述复相金属陶瓷的基础配方包括以下成分：SiO245～60％、Al2O35～12％、CaO12～22％、MgO1～8％、Fe2O3≥5％、Na2O+K2O≤6％、TiO2+CaF2+Cr2O3≤5％。3.根据权利要求1所述的原位合成FeSix/透辉石复相金属陶瓷，其特征在于，所述复相金属陶瓷的主要原料为含铁元素的尾矿、粉煤灰、冶炼渣中至少一种，并按照基础配方补加石英砂、纯碱。4.根据权利要求1所述的原位合成FeSix/透辉石复相金属陶瓷，其特征在于，所述复相金属陶瓷的原位合成方法为：将原料混合，并进行高温熔融，在高温熔融过程中利用熔制坩埚及搅拌棒还原原料中的铁氧化物或含铁硅酸盐；再进行成型、退火、晶化即得。5.一种原位合成FeSix/透辉石复相金属陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)混合料的配制：按照基础配方计算出各原料比率，称量原料并混合均匀；(2)混合料高温熔制及金属相FeSix的原位合成：将步骤(1)中混合料装于坩埚中，并放入熔化炉中进行高温熔制，同时在坩埚中加有搅拌棒搅拌，利用熔制坩埚及搅拌棒的还原作用，形成金属相FeSix弥散于玻璃熔体中；(3...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓磊波，张雪峰，张明星，贾晓林，徐文利，胡锋，
申请(专利权)人：内蒙古科技大学，
类型：发明
国别省市：内蒙古,15