專利名稱：利用廢棄耐材和爐渣制備α/β－復相賽隆陶瓷粉末的方法
技術領域：
本發明屬于陶瓷材料領域，適用于一種α/β-復相賽隆陶瓷粉末的制備方法。
背景技術：
賽隆材料在高溫下具有良好的機械性能和抗熱震性，膨脹系數小，化學穩定性高，耐腐蝕，且抗熔融金屬和抗氧化能力強，是耐火材料、密封圈、軸承、閥體的理想材料。
α-Sialon是α-Si3N4的固溶體，通式為MxSi12-(m+n)Alm+nOnN16-n，其中n個(Si-N)由(Al-O)取代，m個(Si-N)由(Al-N)取代，由此造成的電價不平衡由x個金屬元素進行補償，x滿足x＝m/υ(υ為金屬元素的價態)。已報導能形成α-Sialon的金屬元素有Li，Ca，Mg，Y和部分稀土元素。由于以金屬氧化物作為添加劑形成的α-Sialon燒結后期金屬離子進入α-Sialon結構，從而減少了材料中晶界玻璃相的含量，并改善材料的高溫性能，自從α-Sialon被提出以來，一直受到材料學界的高度重視和興趣，并發展成為最有應用前景的一種高溫結構陶瓷。但α-Sialon韌性不好，且燒結難以致密。目前，一般采用添加第二相的方法來起到增韌的作用，諸如制備α-Sialon/β-Sialon復相材料，或引入晶須增韌如SiC、MoSi2等。
中國專利CN1349956公開了陳衛武等發明的一種低成本合成賽隆陶瓷粉末的方法，其特征在于利用冶金爐渣或石灰石或粉煤灰工業廢料，或廉價天然礦物為原料，通過添加金屬硅粉、鋁粉以及部分晶種，以α-Sialon的通式M[x]Si[12-(m+n)]Al[m+n]OnN[16-n]中的x、m、n值作為設計賽隆陶瓷主要參數(當M為Nd、Sm、Gd、Dy、Y和Yb時，0.33＜x＜0.67，m＝3x，m＝2n；當M為Ca時，0.4＜x＜1.4，m＝2n＝2x)，原料經球磨烘干后，經高溫自蔓延工藝合成再經過處理得到單相α-Sialon粉料，該粉料具有非常好的燒結性，可在1600-1800℃之間無壓燒結，密度達3.07g/cm3，硬度為15.53GPa，韌性為4.72MPa·m[1/2]，并具有遠高于Al2O3和ZrO2陶瓷和優于SiC陶瓷的的耐沖刷性能。
中國專利CN1521141公開了江國鍵等發明的一種低成本α-賽隆粉體的自蔓延高溫合成制備方法，其特征在于采用金屬硅粉、金屬鋁粉、爐渣或某些天然礦物或它們的混合物和賽隆粉根據Sialon組分設計按5-30∶5-30∶5-60的比例混合裝入反應器中，并充入3MPa-15 MPa的氮氣經自蔓延反應而成。
中國專利CN02146408公開了洪彥若等發明的一種制備貝踏賽隆的方法，該方法采用煤干石、煤粉、氮氣作原料，合成工藝為原料細粉按要求配比預先混合→加入結合劑混合→機壓成型→干燥→還原氮化氣氛下燒結合成→冷卻出爐。工藝要求如下原料細粉均細磨至小于0.08mm；結合劑采用糖漿；氣氛為氮氣氣氛；燒結合成溫度1400℃保溫8小時，再燒至1600℃保溫2小時。
自蔓延高溫合成技術(SHS)是利用化學反應使反應持續進行以合成新材料的新型工業技術。到目前為止，許多新材料如TiC、TiN、MoSi2、Si3N4、AlN已經可以利用SHS方法連續、大規模生產。SHS方法的優點有(1)節省時間，利用能源充分；(2)設備、工藝簡單；(3)產品純度高(因為SHS能產生高溫，使某些不純物質揮發掉)，反應轉化率接近100％；(4)產量高(因為反應速度快)。
但是，現有利用爐渣或天然礦物合成單一Ca-α-賽隆材料(CN1349956、CN1521141)具有燒結溫度高，材料韌性差的缺點，其次加入爐渣或天然礦物的比例低，如采用高爐爐渣合成Ca-α-賽隆材料，爐渣的加入比例小(通常爐渣的加入量為20～26％，其余原料為金屬鋁、金屬硅)，對降低Ca-α-賽隆材料的生產成本效果有限。
發明內容
本發明的目的在于提供一種利用SHS法制備α/β-復相賽隆陶瓷粉末的方法，具有節能、生產工藝簡單、生產率高、成本低以及有害雜質低的特點。
為達到上述目的，本發明的技術方案是，一種利用廢棄耐材和爐渣制備α/β-賽隆陶瓷粉末的方法，其包括，
a)配料，以重量百分比計，氧化鋁和氧化硅含量大于80％的廢棄耐火材料，15～40％氧化鈣含量大于30％的爐渣，15～25％硅含量大于97％的金屬硅材料，15～35％鋁含量大于95％的金屬鋁材料，5～25％α-/β-復相賽隆晶種10～20％；b)再將充分混合的反應料裝入反應器中，充入20-60MPa的純度大于99.9％氮氣，點燃反應料進行反應，c)反應結束后，將反應物進行球磨，可得到粒度小于0.045mm的高性能α/β-復相賽隆陶瓷粉末。
又，所述的α/β-復相賽隆陶瓷粉末粒度小于0.045mm。
反應料點燃采用金屬絲點燃方式，或者由點火裝置點燃方式。
反應物中硅與氮的反應是放熱反應，鋁與氮的反應也是放熱反應，以上放熱反應產生高溫使氧化鋁、氧化硅、氧化鈣也參與反應形成α-賽隆，過量的氧化鋁、氧化硅參與反應形成β-賽隆。主要反應如下所示3Si+2N2＝Si3N42Al+N2＝2AlN3Si3N4+3AlN+CaO＝CaSi9Al3ON(Ca-α-賽隆)Al2O3+Si3N4+AlN＝Si3Al3O3N5(β-賽隆)3/2A2O3+3Si+5/2N2＝Si3Al3O3N5(β-賽隆)+3/2O23SiO2+3Al+5/2N2＝Si3Al3O3N5(β-賽隆)+3/2O2本發明的有益效果1.同現有利用爐渣合成單一Ca-α-賽隆材料方法相比，本發明制備的α-/β-復相賽隆材料具有更好的韌性以及更低的燒結溫度；2.其次，采用高爐爐渣合成Ca-α-賽隆材料，爐渣的加入比例小(通常爐渣的加入量為20～26％，其余原料為金屬鋁、金屬硅)，對降低Ca-α-賽隆材料的生產成本效果有限。本方法合成復相賽隆材料，廢棄耐材和爐渣的加入比例可超過40％，最大比例可超過55％；3.同機壓成型、高溫氮化燒結工藝制備β-賽隆方法(CN02146408)相比，本方法原料不需成型、不需高 加熱設備和燃料，利用金屬絲點燃反應原料，通過自身反應放熱的熱量就可足夠維持反應的進行。因此本方法具有節能、生產工藝簡單、生產效率高、成本低等特點。
具體實施例方式
表1列出反應原料的成分(重量百分數)；表1本實施例合成賽隆的反應原料成分(重量百分數)
將按上述比例配料、充分混合的反應料裝入反應器中，充入20-60MPa的純度大于99.9％氮氣，由金屬絲或一般點火裝置點燃反應料進行反應，反應結束后，將反應物進行球磨，可得到粒度小于0.045mm的高性能α/β-復相賽隆陶瓷粉末。
賽隆陶瓷的用途極為廣泛，但由于長期以來，昂貴的價格使其難以在耐磨、陶瓷窯具等行業得到大規模應用。因此，高性能、低成本的復相賽隆陶瓷粉末應用前景廣闊。
權利要求
1.一種利用廢棄耐材和爐渣制備α/β-賽隆陶瓷粉末的方法，其包括，a)配料，以重量百分比計，氧化鋁和氧化硅含量大于80％的廢棄耐火材料，15～40％氧化鈣含量大于30％的爐渣，15～25％硅含量大于97％的金屬硅材料，15～3 5％鋁含量大于95％的金屬鋁材料，5～25％α-/β-復相賽隆晶種10～20％b)再將充分混合的反應料裝入反應器中，充入20-60MPa的純度大于99.9％氮氣，點燃反應料進行反應；c)反應結束后，將反應物進行球磨，可得到高性能α/β-復相賽隆陶瓷粉末。
2.如權利要求1所述的利用廢棄耐材和爐渣制備α/β-賽隆陶瓷粉末的方法，其特征是，所述的α/β-復相賽隆陶瓷粉末粒度小于0.045mm。
3.如權利要求1所述的利用廢棄耐材和爐渣制備α/β-賽隆陶瓷粉末的方法，其特征是，反應料點燃采用金屬絲點燃方式。
4.如權利要求1所述的利用廢棄耐材和爐渣制備α/β-賽隆陶瓷粉末的方法，其特征是，反應料點燃由點火裝置點燃。
全文摘要
一種利用廢棄耐材和爐渣制備α/β－賽隆陶瓷粉末的方法，其包括，a)配料，以重量百分比計，氧化鋁和氧化硅含量大于80％的廢棄耐火材料，15～40％、氧化鈣含量大于30％的爐渣，15～25％、硅含量大于97％的金屬硅材料，15～35％、鋁含量大于95％的金屬鋁材料，5～25％、α－/β－復相賽隆晶種10～20％；b)再將充分混合的反應料裝入反應器中，充入20－60MPa的純度大于99.9％氮氣，點燃反應料進行反應；c)反應結束后，將反應物進行球磨，可得到粒度小于0.045mm的高性能α/β－復相賽隆陶瓷粉末。與現有技術相比，本發明具有工藝簡單，生產率高，性能好，成本低等特點。
文檔編號C04B33/138GK1978384SQ20051011100
公開日2007年6月13日 申請日期2005年11月30日 優先權日2005年11月30日
發明者金從進, 李澤亞 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司