專利名稱：礬土基β-Sialon的制備方法
所屬領域本發明涉及一種陶瓷粉料的制備方法，具體涉及到一種由高鋁礬土還原氮化合成β-Sialon的制備方法。
背景技術：
Sialon(賽隆)是Si3N4與Al2O3的固溶體，是由K.H.Jack等人在1972年率先提出的。Si3N4有β-Si3N4及α-Si3N4兩種變型體，與他們同結構的固溶體分別稱為β-Sialon、α-Sialon。Sialon材料具有較好的綜合性能，近年來受到廣泛的關注。如同單相氧化物材料(Al2O3等)相比較，它們有優越得多的抗熱震性，而高溫力學性能相當，同時對多種冶煉熔渣具有較好的抗侵蝕性；與單相非氧化物(如Si3N4、SiC等)相比，它們又具有高得多的抗氧化性。這些特性使Sialon材料更適宜于在冶金、化工等高溫、腐蝕性環境下使用，同時也可以利用他的高強度、高硬度等特點而作為刀具或軸承應用。幾十年來，關于Sialon材料方方面面的研究也非常多，然而其實際應用依然受到限制，這是由于(1)直接反應法合成Sialon要先合成Si3N4和AlN粉末，然后再以SiO2、Si3N4、Al2O3、AlN為原料，依據Si-Al-O-N相圖按一定比例混合后，在高溫下經固相反應后合成，這種方法的工藝相對復雜、合成的Sialon粉中往往伴隨諸多雜質相的存在，并且一般要求較高的燒結溫度(1700℃左右)，并且該方法成本高昂，例如日本UBE公司的Si3N4價格超過1000RMB/Kg，國內AlN粉的價格也要超過600RMB/Kg；(2)采用金屬Si、Al及其氧化物做為起始原料反應燒結合成Sialon粉，該工藝成本也較高。(3)采用粘土等為原料碳熱還原氮化合成Sialon粉，該工藝存在著合成產物中雜質相較多、雜質量較大、難以控制等問題。
公開號為CN1168872A的中國發明申請案中提供了一種Sialon粉的制備方法。他是利用高溫自蔓延工藝，該工藝設備復雜、要求條件高，成本較高，難以實現大規模生產。
公開號為CN1270153A的中國發明申請案中提供了一種Sialon結合SiC粉的制備方法。他是利用河砂為原料，合成產物相中存在著大量的SiC，同時合成材料中低熔點物質，如K2O(2.9％)、Na2O(3.5％)含量高，不適宜在高溫工業領域內加以應用。
公開號為CN1349956A的中國發明申請案中提供了一種低成本合成Sialon陶瓷粉料的方法。他采用的原料為冶金爐渣、或粉煤灰，合成的產物是α-Sialon。
公開號為CN1363535A的中國發明申請案中提供了一種合成賽隆復相材料的方法。他采用的原料為粉煤灰和煤矸石，合成的產物除β-Sialon外，還有大量的X-Sialon和SiC。
公開號為CN85107936A與CN1142478A的中國發明申請案中，提供的則都是利用直接反應法合成α-β-Sialon復合材料。
中國擁有豐富的高鋁礬土原料資源。但是由于原料質量不夠穩定，成分不夠均勻，品種單一，不僅無法滿足特種耐火材料的需求，國際市場上的銷售價格也遠低于圭亞那、巴西等國家(如礬土熟料價格我國約為70-80美元/噸，而圭亞那、巴西售價約為155-165美元/ 噸)。如果以其(高鋁礬土)為原料，加入適當的還原劑，經過適當的工藝，將其轉化為Sialon，以滿足國內外高溫冶煉關鍵部位的需求，不僅可以大幅度地降低生產成本，減小高溫工業用耐火材料的消耗費用；而且還可以極大的提高礬土的附加值，為合理開發中國高鋁礬土資源，提高出口創匯，提供良好的條件。而本發明正瞄準國際及國內該研究領域的技術空白，以實現低成本、高性能、高附加值的β-Sialon材料的研制開發。
發明內容
本發明的目的是以中國儲量豐富的高鋁礬土為原料，以β-Sialon的通式Si6-zAlzOzN8-z中的z值作為設計賽隆的主要參數，經過適當的工藝，研制合成工藝簡單、成本低、性能好、附加值高的β-Sialon粉料，使高鋁礬土經轉型處理后，其價值可以提高10-20倍。
本發明的技術方案為以高鋁礬土為主要原料，以金屬硅粉、鋁粉為復合還原劑，采用氮化還原工藝制備礬土基β-Sialon，其工藝方法如下
a、選取原料的重量分數為高鋁礬土 40-60％金屬硅 40-60％金屬鋁 5-15％β-Sialon晶種 0.1-5％b、將高鋁礬土、金屬硅、金屬鋁和β-Sialon晶種混合均勻，加入原料總量1-5％的結合劑，機壓成型或擠壓成型；c、將b成型后塊料或未成型的泥料置于氮化爐中進行氮化，在流動氮氣氣氛下，升溫至800℃，保溫1小時，升溫速率為120-300℃/小時；繼續升溫至1100℃，保溫1小時，升溫速率為100-300℃/小時；再升溫至1300℃，保溫2小時，升溫速率為20-100℃/小時；最后升溫至1400-1550℃，保溫4-10小時，升溫速率為120-300℃/小時；然后冷卻至100-800℃后關閉氮氣，繼續冷卻至室溫后，制得礬土基β-Sialon。
在上述制備方法中，高鋁礬土為生料或輕燒料，其灼減后的Al2O3質量百分比為70％-90％，SiO2質量百分比5％-20％；結合劑為糊精、聚乙烯醇、木質素、羧甲基纖維素、數脂中的一種或幾種；機壓成型的壓力為10-100MPa；擠壓成型的壓力為1-10MPa。
與現有技術相比，本發明的優點在于1、本發明制備工藝簡單，無需復雜的工藝設備和工藝過程，同時以中國儲量極豐富的高鋁礬土為原料，可大大地降低Sialon的制造成本。
2、由于β-Sialon是Si3N4的固溶體，其固溶度可在一定范圍內變化，因此當原料組份稍有變化時并不影響最終β-Sialon的獲得；因此該工藝對原料的要求較低，適合工業化生產。
3、用本發明合成后的產物物相較純，β-Sialon的含量在80％以上。
說明書附圖
附圖為本發明實施例所得產物的XRD分析圖。
下面結合附圖對本發明作進一步說明。
具體實施例方式
實施例以河南省新密市的高鋁礬土(成分如表1)、金屬硅粉、鋁粉為原料，并另加少量β-Sialon為晶種。
表1河南省新密市的高鋁礬土化學組成
將礬土48份、金屬硅粉43份、金屬鋁粉9份，放置于球磨罐中，干混均勻；取出混合粉體以糊精為粘結劑，70-100MPa機壓成型，80-110℃溫度下干燥。
使用氣氛燒結爐，在氮氣氛下，階段升溫至1500℃，保溫5個小時。降溫至700℃關閉氮氣，繼續降溫至室溫取出，得到β-Sialon粉料。
本實施例中產物的XRD分析圖如附圖所示。經XRD分析，產物主晶相為β-Sialon，另有少量Al2O3、O’-Sialon、X相。如果以各種物相最強峰的積分面積近似為各物相的含量，β-Sialon的相對含量可以達到80％。
權利要求
1.礬土基β-Sialon的制備方法，其特征在于以高鋁礬土、金屬硅、金屬鋁為主要原料，其重量分數為高鋁礬土 40-60％金屬硅40-60％金屬鋁5-15％β-Sialon晶種 0.1-5％b、將高鋁礬土、金屬硅、金屬鋁和β-Sialon晶種混合均勻，加入原料總量1-5％的結合劑，機壓成型或擠壓成型；c、將b成型后塊料或未成型的泥料置于氮化爐中進行氮化，在流動氮氣氣氛下，升溫至800℃，保溫1小時，升溫速率為120-300℃/小時；繼續升溫至1100℃，保溫1小時，升溫速率為100-300℃/小時；再升溫至1300℃，保溫2小時，升溫速率為20-100℃/小時；最后升溫至1400-1550℃，保溫4-10小時，升溫速率為120-300℃/小時；然后冷卻至100-800℃后關閉氮氣，繼續冷卻至室溫后，制得礬土基β-Sialon。
2.依照權利要求1所述的礬土基β-Sialon的制備方法，其特征在于高鋁礬土為生料或輕燒料，其灼減后的Al2O3質量百分比為70％-90％，SiO2質量百分比5％-20％；
3.依照權利要求1所述的礬土基β-Sialon的制備方法，其特征在于所說的結合劑為糊精、聚乙烯醇、木質素、羧甲基纖維素、樹脂中的一種或幾種。
4.依照權利要求1所述的礬土基β-Sialon的制備方法，其特征在于機壓成型的壓力為10-100MPa。
5.依照權利要求1所述的礬土基β-Sialon的制備方法，其特征在于擠壓成型的壓力為1-10MPa。
全文摘要
本發明提供了一β－Sialon粉料的制備方法。該方法以我國儲量豐富的高鋁礬土為原料，通過添加金屬硅粉、鋁粉以及晶種，采用氮化還原工藝制備出礬土基β－Sialon。本發明方法簡單，條件易控制，所得產物物相較純，β－Sialon的含量在80％以上。用本發明制備的粉料性能優良，包括轉化率高、無碳、機械性能及耐火性能高、抗渣性能優越，可在冶金、機械、陶瓷等工業領域廣泛使用。本發明可以大幅度提高高鋁礬土的產品附加值與利用率，降低了傳統Sialon的制備成本。
文檔編號C04B35/63GK1535933SQ0312613
公開日2004年10月13日 申請日期2003年4月28日 優先權日2003年4月28日
發明者鐘香崇, 張海軍, 葉方保, 劉戰杰 申請人:鄭州大學