一種Fe-Sialon-剛玉復(fù)合耐火材料及其制備方法
【專利說(shuō)明】一種Fe-S i a I on-剛玉復(fù)合耐火材料及其制備方法
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及一種Sialon結(jié)合剛玉復(fù)合耐火材料，尤其涉及一種通過(guò)添加娃鐵合金粉制備Fe-Sialon結(jié)合剛玉復(fù)合耐火材料及其制備方法，屬于耐火材料領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0003]因具有熱態(tài)強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)小、抗渣性好以及良好的耐磨性等優(yōu)異性能，Sialon結(jié)合剛玉復(fù)合耐火材料已在高爐煉鐵、電解鋁及窯具等高溫領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用并取得了良好的使用效果。
[0004]目前，Sialon結(jié)合剛玉耐火材料的制備方法通常有兩種，一是在剛玉中添加預(yù)合成的氮化物，如Si3N4和或A1N等，在氮?dú)饣蚵裉繗夥罩型ㄟ^(guò)反應(yīng)燒結(jié)制備Sialon相結(jié)合的剛玉耐火材料；二是在剛玉中添加單質(zhì)，如Si粉或金屬A1粉等，在氮?dú)饣蚵裉繗夥罩邢仍环磻?yīng)生成Si3N4或A1N，然后進(jìn)一步與A1 203反應(yīng)生成Sialon相，從而制備出Sialon結(jié)合剛玉耐火材料。
[0005]雖然Sialon結(jié)合剛玉耐火材料已得以應(yīng)用，但仍存在脆性大、韌性差、導(dǎo)熱性不佳、熱震穩(wěn)定性差等問(wèn)題，從而限制了其進(jìn)一步推廣應(yīng)用。
[0006]在脆性的耐火材料中引入一定量的金屬塑性相，不僅使成形由剛性成形轉(zhuǎn)為塑性成形，提高坯體致密度，而且可以提高氮化燒成時(shí)的反應(yīng)速率，改變產(chǎn)物形貌，對(duì)提高Sialon結(jié)合剛玉耐火材料的性能大有裨益。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有Sialon結(jié)合剛玉復(fù)合材料普遍存在原料生產(chǎn)成本高、脆性大、熱震穩(wěn)定性差、導(dǎo)熱性不好等問(wèn)題，提出一種生產(chǎn)成本低、熱震穩(wěn)定性好，韌性好，含有金屬塑性相的Fe-Sialon-剛玉復(fù)合耐火材料及其制備方法。
[0008]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
一種Fe-Sialon-剛玉復(fù)合耐火材料，原始料為:剛玉骨料和細(xì)粉、A1203微粉、SiC細(xì)粉、Si粉、硅鐵合金粉、金屬A1粉，采用振動(dòng)加壓成形或機(jī)壓方法成形，在N2氣氛或埋炭條件下通過(guò)原位氮化反應(yīng)燒結(jié)制備得到。
[0009]本發(fā)明原始料的加入重量份數(shù)為:剛玉骨料60-70份、剛玉細(xì)粉5-25份、A1203微粉0-6份，SiC細(xì)粉0-5份，Si粉7-12份，硅鐵合金粉2_12份，金屬A1粉0_5份、結(jié)合劑加入量為原始料總重量的3-6%。
[0010]所述剛玉骨料為電熔白剛玉、電熔致密剛玉、礬土基電熔剛玉、板狀剛玉、燒結(jié)剛玉和電熔棕剛玉中的一種或兩種以上，粒度< 5mm ;
所述剛玉細(xì)粉為電熔白剛玉、礬土基電熔剛玉、電熔致密剛玉、板狀剛玉、燒結(jié)剛玉和電熔棕剛玉中的一種或兩種以上，粒度< 0.088mm ；
所述氧化招微粉的粒度< 0.005mm ；
所述SiC細(xì)粉的純度彡96%，粒度< 0.074mm ；
所述Si粉的純度彡96%，粒度< 0.074mm ；
所述硅鐵合金粉中的Si含量多72%，粒度< 0.074mm ；
所述金屬鋁粉A1純度彡98.5%，，粒度彡0.074mm ；
所述結(jié)合劑為糊精、聚乙烯醇、羧甲基纖維素、樹(shù)脂、紙漿廢液中的一種或幾種復(fù)合。
[0011]本發(fā)明的這種Fe-Sialon-剛玉復(fù)合耐火材料的制備方法為:
步驟一、按上述比例進(jìn)行配料，將稱好的物料混合均勻后經(jīng)混練得到泥料；
步驟二、將混合均勻的泥料加壓成形，在110-300°C下干燥或固化8-24h ；
步驟三、將干燥后的試樣裝入氣氛爐中，在N2氣氛或埋炭條件下于1200-1550°C溫度下，保溫8-40h，原位氮化或原位氮化和碳化反應(yīng)燒成，燒成過(guò)程中爐內(nèi)總壓，即N2壓力或N2和C0壓力，保持為正壓，然后隨爐自然冷卻至室溫，即可得到Fe-Sialon-剛玉復(fù)合耐火材料。
[0012]為了實(shí)現(xiàn)金屬與耐火材料的復(fù)合，克服現(xiàn)有Sialon結(jié)合剛玉耐火材料的上述不足，進(jìn)一步提升該材料的性能，本發(fā)明創(chuàng)新性的在脆性耐火材料中原位引入一定量的金屬塑性相，不僅使成形由剛性成形轉(zhuǎn)為塑性成形，提高坯體致密度，而且可以提高氮化燒成時(shí)的反應(yīng)速率，改變產(chǎn)物形貌，對(duì)提高Sialon結(jié)合剛玉耐火材料的性能大有裨益。
[0013]本發(fā)明通過(guò)引入一定量的硅鐵合金粉、原料的優(yōu)化組合、合理的粒度配比、采用原位氮化反應(yīng)一步燒成制備出了熱震穩(wěn)定性好、韌性好，生產(chǎn)成本低且含有金屬塑性相的Fe-Sialon-剛玉復(fù)合耐火材料。
[0014]本發(fā)明在配方中引入一定量的硅鐵合金粉，通過(guò)原位氮化反應(yīng)燒成制備Fe-Sialon-剛玉復(fù)合材料。氮化反應(yīng)時(shí)娃鐵合金中的大部分Si原位氮化并與氧化招等固溶形成β-Sialon，0’ -Sialon等非氧化物結(jié)合相，鐵的存在不僅引入了金屬塑性相，而且降低了氮化時(shí)的氧分壓，提高了非氧化物轉(zhuǎn)化率，有利于長(zhǎng)柱狀β-Sialon的形成，提高了復(fù)合材料熱態(tài)強(qiáng)度、熱震穩(wěn)定性的同時(shí)增加了材料的韌性。硅鐵合金粉中的Si含量^ 70%，粒度< 0.074mm ;目的是為了讓硅粉的原位氮化更快速，更容易在較低溫度下完全形成Sialon結(jié)合相的同時(shí)引入一定量的金屬塑性相，從而使制備的復(fù)合材料具有高強(qiáng)度的同時(shí)，還具有更好的熱震穩(wěn)定性和韌性。
[0015]本發(fā)明所得產(chǎn)品為金屬間化合物、非氧化物以及氧化物的復(fù)合材料，通過(guò)Fe-SiA10N-剛玉復(fù)合耐火材料中賽隆與金屬塑性相的斷口形貌圖，可以看到賽隆為長(zhǎng)柱狀，金屬塑性相呈孤立球形，其中硅鐵合金氮化后生成的金屬間化合物，F(xiàn)e3Si等發(fā)揮了塑性相作用，在材料內(nèi)部起到緩沖應(yīng)力的作用，提高了復(fù)合材料的韌性，有利于材料熱震穩(wěn)定性和導(dǎo)熱系數(shù)的提升。
[0016]本發(fā)明選用了相對(duì)便宜的FeSi合金粉作為硅源，與用高純硅粉相比，在制得性能良好的Fe-Sialon-剛玉復(fù)合耐火材料的同時(shí)顯著降低了材料的生產(chǎn)成本。
[0017]本發(fā)明所述的Fe-Sialon-剛玉復(fù)合耐火材料的主晶相為剛玉和β -Sialon，體積密度在2.9-3.3g/cm3，常溫耐壓強(qiáng)度:200_250MPa，常溫抗折強(qiáng)度:25_35MPa，1200°C時(shí)熱態(tài)抗折強(qiáng)度在35MPa以上，1100°C -水冷1次后試樣的抗折強(qiáng)度殘存百分率大于65%。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面舉例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施及特點(diǎn)，但本發(fā)明不局限于下述實(shí)施例。
[0019]實(shí)施例1:
一種Fe-Sialon-剛玉復(fù)合耐火材料，各原料的粒度組成及加入比例為:粒度< 3mm的板狀剛玉顆粒65份，粒度< 0.074mm的板狀剛玉細(xì)粉14份，粒度< 0.005mm的氧化鋁微粉5份，粒度< 0.074mm的碳化硅粉3份，粒度< 0.044mm的單質(zhì)硅粉5份，粒度< 0.044mm的硅鐵合金粉5份，金屬A1粉3份，外加5%的紙漿廢液為結(jié)合劑。
[0020]混合均勻后混練成泥料，在150MPa下機(jī)壓成形，在110°C下干燥24h ;將干燥后的試樣裝入氮化爐中，在1450°C溫度下保溫10h原位氮化反應(yīng)燒成，然后隨爐自然冷卻至室溫，即可得到Fe-Sialon-剛玉復(fù)合耐火材料。
[0021]所得產(chǎn)品的性能指標(biāo)為:顯氣孔率:14.5%，體積密度在2.95g/cm3，常溫耐壓強(qiáng)度:193MPa，常溫抗折強(qiáng)度:33.5MPa，1200°C時(shí)熱態(tài)抗折強(qiáng)度在42.3MPa，1100°C -水冷1次后試樣的抗折強(qiáng)度殘存百分率為73%。
[0022]實(shí)施例2:
一種Fe-Sialon-剛玉復(fù)合耐火材料，各原料的粒度組成及加入比例為:粒度< 5mm的電熔白剛玉顆粒68份，粒度< 0.074mm的板狀剛玉細(xì)粉14份，粒度< 0.005mm的氧化鋁微粉3份，粒度彡0.074mm的碳化硅粉3份，粒度彡0.044mm的單質(zhì)硅粉2份，粒度彡0.044mm的硅鐵合金粉10份，外加5%的樹(shù)脂為結(jié)合劑。
[0023]將上述原料混合均勻后混練成泥料，在180MPa下機(jī)壓成形，在200°C下固化24h ;將固化后的試樣裝入氮化爐中，在1410°C溫度下保溫20h原位氮化反應(yīng)燒成，然后隨爐自然冷卻至室溫，即可得到Fe-Sialon-剛玉復(fù)合耐火材料。
[0024]所得產(chǎn)品的性能指標(biāo)為:顯氣孔率:13.7%，體積密度在3.05g/cm3，常溫耐壓強(qiáng)度:220MPa，常溫抗折強(qiáng)度:35.6MPa，1200°C時(shí)熱態(tài)抗折強(qiáng)度在40.5MPa，1100°C -水冷1次后試樣的抗折強(qiáng)度殘存百分率為82%。
[0025]實(shí)施例3:
一種Fe-Sialon-剛玉復(fù)合耐火材料，各原料的粒度組成及加入比例為:粒度< 3mm的亞白剛玉顆粒65份，粒度< 0.074mm的白剛玉細(xì)粉9份，粒度< 0.005mm的氧化鋁微粉5份，粒度< 0.074mm的碳化娃粉5份，粒度< 0.044mm的單質(zhì)娃粉4份，粒度< 0.044mm的硅鐵合金粉8份，金屬A1粉4份，外加3%的糊精為結(jié)合劑。
[0026]將上述原料混合均勻后混練成泥料，振動(dòng)加壓成形，在110°C下干燥24h后將試樣裝入氣氛爐中，在埋炭條件下1470°C溫度下保溫12h，原位氮化加碳化反應(yīng)燒成，然后隨爐自然冷卻至室溫，即可得到Fe-Sialon-剛玉復(fù)合耐火材料。
[0027]所得產(chǎn)品的性能指標(biāo)為:顯氣孔率:14.2%，體積密度在2.99g/cm3，常溫耐壓強(qiáng)度:230MPa，常溫抗折強(qiáng)度:30.6MPa，1200°C時(shí)熱態(tài)抗折強(qiáng)度在45.3MPa，1100°C -水冷1次后試樣的抗折強(qiáng)度殘存百分率76%。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種Fe-Sialon-剛玉復(fù)合耐火材料，其特征在于:原始料的加入重量份數(shù)為:剛玉骨料60-70份、剛玉細(xì)粉5-25份、A1203微粉0_6份，SiC細(xì)粉0_5份，Si粉7_12份，硅鐵合金粉2-12份，金屬A1粉0-5份、結(jié)合劑加入量為原始料總重量的3-6%。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種Fe-Sialon-剛玉復(fù)合耐火材料，其特征在于:剛玉骨料為電熔白剛玉、電熔致密剛玉、礬土基電熔剛玉、板狀剛玉、燒結(jié)剛玉和電熔棕剛玉中的一種或兩種以上，粒度< 5mm。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種Fe-Sialon-剛玉復(fù)合耐火材料，其特征在于:剛玉細(xì)粉為電熔白剛玉、礬土基電熔剛玉、電熔致密剛玉、板狀剛玉、燒結(jié)剛玉和電熔棕剛玉中的一種或兩種以上，粒度< 0.088mm。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種Fe-Sialon-剛玉復(fù)合耐火材料，其特征在于:娃鐵合金粉中的Si含量彡72%，粒度彡0.074mm。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種Fe-Sialon-剛玉復(fù)合耐火材料，其特征在于:結(jié)合劑為糊精、聚乙烯醇、羧甲基纖維素、樹(shù)脂、紙漿廢液中的一種或幾種復(fù)合。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種Fe-Sialon-剛玉復(fù)合耐火材料的制備方法，其特征在于:步驟一、按上述比例進(jìn)行配料，將稱好的物料混合均勻后經(jīng)混練得到泥料；步驟二、將混合均勻的泥料加壓成形，在110-300°C下干燥或固化8-24h ;步驟三、將干燥后的試樣裝入氣氛爐中，在N2氣氛或埋炭條件下于1200-1550°C溫度下，保溫8-40h，原位氮化或原位氮化和碳化反應(yīng)燒成，燒成過(guò)程中爐內(nèi)總壓保持為正壓，然后隨爐自然冷卻至室溫，即可得到Fe-Sialon-剛玉復(fù)合耐火材料。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種生產(chǎn)成本低、熱震穩(wěn)定性好，韌性好，含有金屬塑性相的Fe-Sialon-剛玉復(fù)合耐火材料及其制備方法。本發(fā)明的原始料為：剛玉骨料和細(xì)粉、Al2O3微粉、SiC細(xì)粉、Si粉、硅鐵合金粉、金屬Al粉，采用振動(dòng)加壓成形或機(jī)壓方法成形，在N2氣氛或埋炭條件下通過(guò)原位氮化反應(yīng)燒結(jié)制備得到。本發(fā)明通過(guò)引入一定量的硅鐵合金粉、原料的優(yōu)化組合、合理的粒度配比、采用原位氮化反應(yīng)一步燒成制備出了熱震穩(wěn)定性好、韌性好，生產(chǎn)成本低的具有金屬塑性相的Fe-Sialon-剛玉復(fù)合耐火材料。
【IPC分類】C04B35/66
【公開(kāi)號(hào)】CN105272297
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510712371
【發(fā)明人】于仁紅, 王寶玉, 周寧生, 張小會(huì), 孟慶新
【申請(qǐng)人】河南科技大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年1月27日
【申請(qǐng)日】2015年10月28日