一種改性復相塞隆陶瓷、其制備方法及用圖
【技術領域】
[0001]本發明屬于高溫結構陶瓷領域，涉及新的α-β復相賽隆(Sialon)陶瓷及其制備方法；具體來說，涉及一種改性復相塞隆陶瓷、其制備方法及用途。
【背景技術】
[0002]塞隆(Sialon)陶瓷是20世紀70年代后迅速發展起來的一類高溫結構材料，以其優越的力學性能、熱學性能和化學穩定性，被認為是最有希望的高溫結構陶瓷之一。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構材料實現大規模工業應用。利用鋁灰制備Sialon材料，不僅可以充分利用鋁工業廢料，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濟效益。
[0003]塞隆陶瓷的β相為長柱狀晶型，具有較高的強度和韌性，α相為等軸狀晶型，具有較高的硬度和抗震性。α相和β相顯微結構的差異及性能上具有互補性，因此，人們希望通過改性塞隆陶瓷，控制α相和β相的比例，以獲得具有更優性能的復相塞隆陶瓷。
[0004]經對現有技術的文獻檢索發現，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，未能直接燒結陶瓷，且合成的粉體中，相組成復雜，難以燒結成性能良好的陶瓷。經文獻檢索還發現，黃軍同等在《稀有金屬材料與工程》(2009年，增刊2，第1255 - 1258頁)發表了 “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下進行原位鋁熱還原氮化制備鎂鋁尖晶石-剛玉-Sialon復合材料。經文獻檢索還發現，該方法的不足之處在于:所得陶瓷材料的高溫力學性能僅為183MPa，極大限制了工業應用。經文獻檢索進一步發現，黃莉萍等在《無機材料學報》(1986年，第二期，第123 - 128頁)發表了“ -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，經高溫無壓燒結，制得了 β ' -a' -Sialon 二相陶瓷，1200°C彎曲強度為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，高溫力學性能未達到500MPa。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題在于，克服現有技術中存在的問題，提供一種低成本的原料，采用工業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復相Sialon陶瓷，滿足有色金屬冶金有加熱體保護管的應用。
[0006]為達到上述目的，本發明提供了一種改性復相塞隆陶瓷，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相氮化硅質量百分比含量大于94%。
[0007]上述的改性復相塞隆陶瓷，其中，所述的三氧化二鑭純度為其質量百分比大于99% ο
[0008]上述的改性復相塞隆陶瓷，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]上述的改性復相塞隆陶瓷，其中，該陶瓷在1200°C高溫彎曲強度達到500MPa。
[0011]上述的改性復相塞隆陶瓷，其中，所述鋁灰中各種成份的質量百分比含量為Al2O3:35 ?40%，S12:15 ?18%，Al: 18 ?20%，CaO:3 ?5%，MgO:6 ?9%，AlN:5 ?10%。
[0012]本發明還提供了一種上述的改性復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:以質量百分比計取原料氮化硅粉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:溫度為1400?1500°C，在氮氣氛下，鋁熱還原反應時間為I?3小時；
步驟4，氮化反應:溫度為1250?1350°C，在氮氣氛下，保溫3?5小時；
步驟5，α-β復相塞隆陶瓷的合成:溫度為1550?1650 °C，在氮氣氛下，保溫3?5小時；
步驟6，氣壓燒結:溫度為1750?1800°C，在0.15-0.8MPa的氮氣氛下，燒結1_2小時，以封閉陶瓷氣孔；然后在4-8MPa的氮氣氛下，燒結3?5小時，使得陶瓷更加致密。
[0013]上述的制備方法，其中，步驟I中，球磨混合的轉速為350轉/分，時間為16?24小時。
[0014]上述的制備方法，其中，步驟6中，氣壓燒結:溫度為1780°C，在0.5MPa的氮氣氛下，燒結I小時，然后在4MPa的氮氣氛下，燒結4小時。
[0015]本發明提供的四步法制備α -β復相Sialon陶瓷，第一步為鋁熱還原反應，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，金屬Si在氮氣氛下被氮化為3“隊;第三步為α-β復相Sialon陶瓷的合成，鋁灰中的AlN和Al2O3進入Si3N4晶格，生成β相Sialon，而鋁灰中的CaO和MgO進入Si3N4晶格，生成α相Sialon ;第四步為氣壓燒結，α-β復相Sialon陶瓷在高溫下通過氣壓燒結工藝達到致密化。
[0016]本發明還提供了一種上述的改性復相塞隆陶瓷的用途，該陶瓷能用于陶瓷軸承及耐高溫、抗腐蝕的工程結構件。
[0017]作為工業固體廢棄物的鋁灰，其雜質含量較高，制備的單一相組成的β-Sialon陶瓷時，大量的雜質存在晶界處，形成玻璃相，降低了 Sialon陶瓷的高溫力學性能。為此，本發明通過控制燒結工藝，在β-Sialon陶瓷的基礎上，確保生成一部分a-Sialon陶瓷，形成α-β復相Sialon陶瓷。此時，銷灰中大量雜質元素進入α相晶格中，凈化了Sialon陶瓷的晶界，改善了 Sialon陶瓷的高溫力學性能，1200°C彎曲強度達到500MPa (現有Sialon陶瓷通常低于500MPa)。
[0018]本發明不僅利用了工業固體廢棄物鋁灰，降低了成本，而且通過α_β復相Sialon陶瓷的設計，不但沒有使該陶瓷高溫力學性能下降，而且出乎意料地改善了高溫力學性能，其高溫彎曲強度達到500MPa。而且，本發明采用氣壓燒結工藝，可以制備各類復雜結構件，如有色金屬冶金用加熱體保護管。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發明的改性復相塞隆陶瓷的X射線衍射分析(XRD)圖。
[0020]圖2為本發明的改性復相塞隆陶瓷的掃描電鏡(SEM)圖放大5000倍。
【具體實施方式】
[0021]以下結合附圖通過具體實施例對本發明作進一步的描述，這些實施例僅用于說明本發明，并不是對本發明保護范圍的限制。
[0022]實施例1
本發明的改性復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，轉速為350轉/分，時間為24小時。