一種改性復(fù)相塞隆陶瓷、其制備方法及用圖
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于高溫結(jié)構(gòu)陶瓷領(lǐng)域，涉及新的α-β復(fù)相賽隆(Sialon)陶瓷及其制備方法；具體來說，涉及一種改性復(fù)相塞隆陶瓷、其制備方法及用途。
【背景技術(shù)】
[0002]塞隆(Sialon)陶瓷是20世紀(jì)70年代后迅速發(fā)展起來的一類高溫結(jié)構(gòu)材料，以其優(yōu)越的力學(xué)性能、熱學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，被認(rèn)為是最有希望的高溫結(jié)構(gòu)陶瓷之一。目前，合成Sialon多采用純度較高的原料，成本較高，阻礙了該材料作為普通耐火材料或結(jié)構(gòu)材料實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。利用鋁灰制備Sialon材料，不僅可以充分利用鋁工業(yè)廢料，還可以較低成本獲得較高性能的Sialon材料，具有重要的社會意義和經(jīng)濟(jì)效益。
[0003]塞隆陶瓷的β相為長柱狀晶型，具有較高的強(qiáng)度和韌性，α相為等軸狀晶型，具有較高的硬度和抗震性。α相和β相顯微結(jié)構(gòu)的差異及性能上具有互補(bǔ)性，因此，人們希望通過改性塞隆陶瓷，控制α相和β相的比例，以獲得具有更優(yōu)性能的復(fù)相塞隆陶瓷。
[0004]經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，李家鏡等在《稀有金屬材料與工程》(2009年，增刊2，第44 一 47頁)發(fā)表了“采用鋁灰和粉煤灰合成Sialon粉”，具體方法為:以鋁灰、粉煤灰和碳黑為主要原料，采用碳熱鋁熱復(fù)合還原氮化工藝制備了 Sialon粉體。該方法的不足之處在于:僅僅合成了 Sialon粉體，未能直接燒結(jié)陶瓷，且合成的粉體中，相組成復(fù)雜，難以燒結(jié)成性能良好的陶瓷。經(jīng)文獻(xiàn)檢索還發(fā)現(xiàn)，黃軍同等在《稀有金屬材料與工程》(2009年，增刊2，第1255 - 1258頁)發(fā)表了 “利用鋁灰和粉煤灰鋁熱還原氮化制備鎂鋁尖晶石_剛玉-Sialon復(fù)相材料”，具體方法為:以鋁灰和粉煤灰為原料，以鋁灰中的金屬鋁為還原劑在1550°C，3h下進(jìn)行原位鋁熱還原氮化制備鎂鋁尖晶石-剛玉-Sialon復(fù)合材料。經(jīng)文獻(xiàn)檢索還發(fā)現(xiàn)，該方法的不足之處在于:所得陶瓷材料的高溫力學(xué)性能僅為183MPa，極大限制了工業(yè)應(yīng)用。經(jīng)文獻(xiàn)檢索進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，黃莉萍等在《無機(jī)材料學(xué)報(bào)》(1986年，第二期，第123 - 128頁)發(fā)表了“ -a ' -Sialon 二相陶瓷”，具體方法為:以三氧化二釔(Y2O3)和三氧化二鋁(Al2O3)等為添加劑，經(jīng)高溫?zé)o壓燒結(jié)，制得了 β ' -a' -Sialon 二相陶瓷，1200°C彎曲強(qiáng)度為450MPa，該方法的不足之處在于:Y203是一種昂貴的稀土氧化物，原料成本較高，高溫力學(xué)性能未達(dá)到500MPa。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種低成本的原料，采用工業(yè)固體廢棄物鋁灰和稀土氧化物中較便宜的三氧化二鑭(La2O3)為原料，采用四步法制備高性能α-β復(fù)相Sialon陶瓷，滿足有色金屬冶金有加熱體保護(hù)管的應(yīng)用。
[0006]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種改性復(fù)相塞隆陶瓷，該陶瓷的原料包含:氮化硅粉80?90%，鋁灰5?17%，三氧化二鑭3?5%，其中，氮化硅粉中α相氮化硅質(zhì)量百分比含量大于94%。
[0007]上述的改性復(fù)相塞隆陶瓷，其中，所述的三氧化二鑭純度為其質(zhì)量百分比大于99% ο
[0008]上述的改性復(fù)相塞隆陶瓷，其中，各原料組分的粒徑分別為:氮化硅0.4?0.6 μ m，銷灰小于100 μ m，三氧化二鑭1~3 μ m。
[0009]上述的改性復(fù)相塞隆陶瓷，其中，該陶瓷中a-Sialon含量為13.6?30.2%，其余為 β -Sialon0
[0010]上述的改性復(fù)相塞隆陶瓷，其中，該陶瓷在1200°C高溫彎曲強(qiáng)度達(dá)到500MPa。
[0011]上述的改性復(fù)相塞隆陶瓷，其中，所述鋁灰中各種成份的質(zhì)量百分比含量為Al2O3:35 ?40%，S12:15 ?18%，Al: 18 ?20%，CaO:3 ?5%，MgO:6 ?9%，AlN:5 ?10%。
[0012]本發(fā)明還提供了一種上述的改性復(fù)相塞隆陶瓷的制備方法，該方法包含如下步驟:
步驟1，配料、球磨混合:以質(zhì)量百分比計(jì)取原料氮化硅粉80?90%，鋁灰5?17%，三氧化二鑭3?5%，球磨混合均勻；
步驟2，制坯:等靜壓成型，200MPa壓力，然后車削加工成所需形狀；
步驟3，鋁熱還原反應(yīng):溫度為1400?1500°C，在氮?dú)夥障?，鋁熱還原反應(yīng)時(shí)間為I?3小時(shí)；
步驟4，氮化反應(yīng):溫度為1250?1350°C，在氮?dú)夥障拢??5小時(shí)；
步驟5，α-β復(fù)相塞隆陶瓷的合成:溫度為1550?1650 °C，在氮?dú)夥障?，保??5小時(shí)；
步驟6，氣壓燒結(jié):溫度為1750?1800°C，在0.15-0.8MPa的氮?dú)夥障?，燒結(jié)1_2小時(shí)，以封閉陶瓷氣孔；然后在4-8MPa的氮?dú)夥障?，燒結(jié)3?5小時(shí)，使得陶瓷更加致密。
[0013]上述的制備方法，其中，步驟I中，球磨混合的轉(zhuǎn)速為350轉(zhuǎn)/分，時(shí)間為16?24小時(shí)。
[0014]上述的制備方法，其中，步驟6中，氣壓燒結(jié):溫度為1780°C，在0.5MPa的氮?dú)夥障?，燒結(jié)I小時(shí)，然后在4MPa的氮?dú)夥障?，燒結(jié)4小時(shí)。
[0015]本發(fā)明提供的四步法制備α -β復(fù)相Sialon陶瓷，第一步為鋁熱還原反應(yīng)，鋁灰中的金屬Al主要用于還原鋁灰中的S12，得到金屬Si ;第二步為氮化反應(yīng)，金屬Si在氮?dú)夥障卤坏癁?“隊(duì);第三步為α-β復(fù)相Sialon陶瓷的合成，鋁灰中的AlN和Al2O3進(jìn)入Si3N4晶格，生成β相Sialon，而鋁灰中的CaO和MgO進(jìn)入Si3N4晶格，生成α相Sialon ;第四步為氣壓燒結(jié)，α-β復(fù)相Sialon陶瓷在高溫下通過氣壓燒結(jié)工藝達(dá)到致密化。
[0016]本發(fā)明還提供了一種上述的改性復(fù)相塞隆陶瓷的用途，該陶瓷能用于陶瓷軸承及耐高溫、抗腐蝕的工程結(jié)構(gòu)件。
[0017]作為工業(yè)固體廢棄物的鋁灰，其雜質(zhì)含量較高，制備的單一相組成的β-Sialon陶瓷時(shí)，大量的雜質(zhì)存在晶界處，形成玻璃相，降低了 Sialon陶瓷的高溫力學(xué)性能。為此，本發(fā)明通過控制燒結(jié)工藝，在β-Sialon陶瓷的基礎(chǔ)上，確保生成一部分a-Sialon陶瓷，形成α-β復(fù)相Sialon陶瓷。此時(shí)，銷灰中大量雜質(zhì)元素進(jìn)入α相晶格中，凈化了Sialon陶瓷的晶界，改善了 Sialon陶瓷的高溫力學(xué)性能，1200°C彎曲強(qiáng)度達(dá)到500MPa (現(xiàn)有Sialon陶瓷通常低于500MPa)。
[0018]本發(fā)明不僅利用了工業(yè)固體廢棄物鋁灰，降低了成本，而且通過α_β復(fù)相Sialon陶瓷的設(shè)計(jì)，不但沒有使該陶瓷高溫力學(xué)性能下降，而且出乎意料地改善了高溫力學(xué)性能，其高溫彎曲強(qiáng)度達(dá)到500MPa。而且，本發(fā)明采用氣壓燒結(jié)工藝，可以制備各類復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，如有色金屬冶金用加熱體保護(hù)管。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明的改性復(fù)相塞隆陶瓷的X射線衍射分析(XRD)圖。
[0020]圖2為本發(fā)明的改性復(fù)相塞隆陶瓷的掃描電鏡(SEM)圖放大5000倍。
【具體實(shí)施方式】
[0021]以下結(jié)合附圖通過具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，并不是對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。
[0022]實(shí)施例1
本發(fā)明的改性復(fù)相塞隆陶瓷的制備過程如下:
(I)配料和球磨混合:原材料各組分及質(zhì)量百分比含量為:氮化硅粉85%，鋁灰11%，三氧化二鑭4%。球磨混合，轉(zhuǎn)速為350轉(zhuǎn)/分，時(shí)間為24小時(shí)。