專利名稱：礬土基O'－Sialon的制備方法
所屬領(lǐng)域本發(fā)明陶瓷制品的無機(jī)化合物的加工粉末制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到一種用反應(yīng)燒結(jié)獲得的以鋁氧氮化硅為基料合成O′-Sialon的制備方法。
背景技術(shù)：
Sialon是指Si3N4中的Si原子和N原子部分地被Al或(Al+M)(M為金屬離子，如Mg，Lg，Y，稀土等)及O原子置換所形成的一大類固溶體的總稱，包括有β-Sialon、O′-Sialon、α-Sialon、AIN多型體、X相等。β-Sialon與熔融金屬有著非常好的相容性、不易被侵蝕，在各種單相Sialon中具有最高的室溫?cái)嗔秧g性。α-Sialon是以α-Si3N4為基的固溶體，它具有較高的硬度。O′-Sialon是Si2N2O與Al2O3的固溶體，其抗氧化性能較好。Sialon材料的綜合性能較好，具有比單相氧化物材料(Al2O3等)優(yōu)越得多的抗熱震性，比單相非氧化物(如Si3N4、SiC等)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(huán)境下使用，同時(shí)也可以利用他的高強(qiáng)度、高硬度等特點(diǎn)作為刀具或軸承應(yīng)用。幾十年來，關(guān)于Sialon材料方面的研究非常多，而其實(shí)際應(yīng)用依然受到限制，這是由于目前合成Sialon粉的各種工藝，要么工藝復(fù)雜、要求高溫(1700℃左右)，成本高昂，要么合成產(chǎn)物中雜質(zhì)相較多、雜質(zhì)量較大、難以控制等。
公開號(hào)為CN1270153A的中國發(fā)明專利申請中提供了一種Sialon結(jié)合SiC粉的制備方法，其主要利用河砂為原料，合成產(chǎn)物相中存在著大量的SiC，同時(shí)合成材料中低熔點(diǎn)物質(zhì)，如K2O(2.9％)、Na2O(3.5％)含量高，不適宜在高溫工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用。
公開號(hào)為CN1168872A的中國發(fā)明專利申請中提供了一種Sialon粉的制備方法，其特點(diǎn)是利用高溫自蔓延工藝，該工藝設(shè)備復(fù)雜、要求條件高，成本較高，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。
公開號(hào)為CN1349956A的中國發(fā)明專利申請中提供了一種低成本合成Sialon陶瓷粉料的方法，采用的原料為冶金爐渣、或粉煤灰，合成的產(chǎn)物是α-Sialon。
公開號(hào)為CN1363535A的中國發(fā)明專利申請中提供了一種合成賽隆復(fù)相材料的方法，采用的原料為粉煤灰和煤矸石，合成的產(chǎn)物除β-Sialon外，還有大量的X-Sialon和SiC。
目前尚沒有檢索到關(guān)于O′-Sialon制備方法方面的公開發(fā)明專利。
中國擁有豐富的高鋁礬土原料資源。但是由于原料質(zhì)量不夠穩(wěn)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(jià)格也遠(yuǎn)低于圭亞那、巴西等國家。如果以其(高鋁礬土)為原料，加入適當(dāng)?shù)倪€原劑，經(jīng)過適當(dāng)?shù)墓に?，將其轉(zhuǎn)化為O′-Sialon，以滿足國內(nèi)外高溫冶煉關(guān)鍵部位的需求，不僅可以大幅度地降低生產(chǎn)成本，減小高溫工業(yè)用耐火材料的消耗費(fèi)用，而且還可以極大的提高礬土的附加值，為合理開發(fā)中國高鋁礬土資源，提高出口創(chuàng)匯，提供良好的條件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是以中國儲(chǔ)量豐富的高鋁礬土為原料，以O(shè)′-Sialon的通式Si2-ZAlZOZ+1N2-Z中的z值作為設(shè)計(jì)賽隆的主要參數(shù)，經(jīng)過適當(dāng)?shù)墓に?，研制合成工藝簡單、成本低、性能高、附加值高的O′-Sialon粉料，使高鋁礬土經(jīng)轉(zhuǎn)型處理后，其價(jià)值可以提高10-20倍。
本發(fā)明的技術(shù)方案為礬土基O′-Sialon的制備方法，以高鋁礬土為主要原料，以金屬硅粉為還原劑，采用氮化還原制備工藝，其步驟如下a.將重量分?jǐn)?shù)為35-60％的高鋁礬土、40-65％的金屬硅、0-5％的O′-Sialon晶種混合均勻，加入原料總量1-5％的結(jié)合劑，混合均勻成泥料，或機(jī)壓或擠壓成塊料；b.將泥料或成型后的塊料置于氮化爐中進(jìn)行氮化，在流動(dòng)氮?dú)鈿夥障拢?0-300℃/小時(shí)的速率升溫至790-820℃，保溫1小時(shí)；以30-100℃/小時(shí)的速率繼續(xù)升溫至1050-1150℃，保溫2小時(shí)；繼續(xù)升溫至1250-1300℃，升溫速率為20-100℃/小時(shí)，保溫3小時(shí)；最后升溫至1400-1550℃，升溫速率為60-300℃/小時(shí)，保溫4-10小時(shí)；c.冷卻至100-800℃，關(guān)閉氮?dú)?，繼續(xù)冷卻至室溫后，即得產(chǎn)物。
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和SiO2的質(zhì)量百分比分別為40-70％和30-50％；結(jié)合劑為糊精、聚乙烯醇、木質(zhì)素、羧甲基纖維素、樹脂中的一種或幾種；機(jī)壓成型的壓力為10-150MPa；擠壓成型的壓力為1-10MPa。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1、本發(fā)明制備工藝簡單，無需復(fù)雜的工藝設(shè)備和工藝過程，同時(shí)以中國儲(chǔ)量極豐富的高鋁礬土為原料，大大地降低了O′-Sialon的制造成本。
2、由于O′-Sialon是Si2N2O的固溶體，其固溶度可在一定范圍內(nèi)變化，當(dāng)原料組份稍有變化時(shí)并不影響最終O′-Sialon的獲得。因此該工藝對(duì)原料的要求較低，適合工業(yè)化生產(chǎn)。
3、用本發(fā)明合成后的產(chǎn)物物相較純，O′-Sialon的含量在80％以上，氮含量為20-30Wt％。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述，但不局限于下列實(shí)施例。
實(shí)施例1以河南省登封市的高鋁礬土(成分如表1)、金屬硅粉為原料，另加少量O′-Sialon為晶種。
表1河南省登封市的高鋁礬土化學(xué)組成

將高鋁礬土55份、金屬硅粉45份、放置于球磨罐中，干混均勻；取出混合粉體，以混料重量2％的糊精為結(jié)合劑，加入混合，70MPa機(jī)壓成塊料，80-110℃溫度下干燥。
將上述成型塊料放入氣氛燒結(jié)爐，在氮?dú)鈿夥障?，?00℃/小時(shí)的速率升溫至800℃，保溫1小時(shí)；再以80℃/小時(shí)的速率繼續(xù)升溫至1050℃，保溫2小時(shí)；繼續(xù)升溫至1250℃，升溫速率為30℃/小時(shí)，保溫3小時(shí)；最后升溫至1500℃，升溫速率為100℃/小時(shí)，保溫5個(gè)小時(shí)。
將氣氛燒結(jié)爐溫度降至700℃，關(guān)閉氮?dú)?，繼續(xù)降溫至室溫取出，得到O′-Sialon粉料。
經(jīng)XRD分析，產(chǎn)物主晶相為O′-Sialon，另有少量β-Sialon、Al2O3。如果以各種物相最強(qiáng)峰的積分面積近似為各物相的含量，O′-Sialon的相對(duì)含量可以達(dá)到85％。
實(shí)施例2使用原料同實(shí)施例1。
將礬土45份、金屬硅粉54份、O′-Sialon晶種1份混合均勻，以混料重量3％的聚乙烯醇為結(jié)合劑，加入混合，100MPa機(jī)壓成塊料，干燥。
將成型后的塊料放入氣氛燒結(jié)爐，在氮?dú)鈿夥障?，?00℃/小時(shí)的速率升溫至810℃，保溫1小時(shí)；再以100℃/小時(shí)的速率繼續(xù)升溫至1110℃，保溫2小時(shí)；繼續(xù)升溫至1280℃，升溫速率為60℃/小時(shí)，保溫3小時(shí)；最后升溫至1550℃，升溫速率為180℃/小時(shí)，保溫4個(gè)小時(shí)。
將氣氛燒結(jié)爐溫度降至800℃，關(guān)閉氮?dú)?，繼續(xù)降溫至室溫取出，得到O′-Sialon粉料。
所得粉料中產(chǎn)物主晶相為O′-Sialon，次晶相為β-Sialon產(chǎn)物。
實(shí)施例3使用原料同實(shí)施例1。
將礬土35份、金屬硅粉62份、O′-Sialon晶種3份混合均勻、以混料重量4％的樹脂為粘結(jié)劑，加入混合成泥料，干燥。
將上述泥料放入氣氛燒結(jié)爐，在氮?dú)鈿夥障?，?60℃/小時(shí)的速率升溫至820℃，保溫1小時(shí)；以40℃/小時(shí)的速率繼續(xù)升溫至1150℃，保溫2小時(shí)；繼續(xù)升溫至1300℃，升溫速率為90℃/小時(shí)，保溫3小時(shí)；最后升溫至1450℃，升溫速率為280℃/小時(shí)，保溫8小時(shí)。
將氣氛燒結(jié)爐溫度降至500℃，關(guān)閉氮?dú)?，繼續(xù)降溫至室溫取出，得到O′-Sialon粉料。
所得粉料經(jīng)XRD分析，產(chǎn)物主晶相為O′-Sialon，次晶相為β-Sialon。
實(shí)施例4所用原料和氮化工藝制度同實(shí)施例1。
原料礬土50份、金屬硅粉45份、O′-Sialon晶種5份；擠壓成型的壓力為8Mpa；所用結(jié)合劑為木質(zhì)素，用量為原料的5％。
將原料混合均勻、成型、干燥后，階段升溫至1550℃，保溫5個(gè)小時(shí)氮化。所得粉料經(jīng)XRD分析，產(chǎn)物主晶相為O′-Sialon，另有少量β-Sialon。如果以各種物相最強(qiáng)峰的積分面積近似為各物相的含量，O′-Sialon的相對(duì)含量在85％以上。
實(shí)施例5使用的原料及配比、氮化工藝制度同實(shí)施例1。擠壓成型的壓力為5Mpa；所用結(jié)合劑為羧甲基纖維素，用量為原料的3％。
將原料混合均勻、成型、干燥后，階段升溫至1450℃，保溫5個(gè)小時(shí)氮化。所得粉料經(jīng)XRD分析，產(chǎn)物主晶相為O′-Sialon，次晶相為β-Sialon。
實(shí)施例6使用的原料及配方、氮化工藝制度同實(shí)施例1。所用結(jié)合劑為木質(zhì)素，用量為原料的4％。所得粉料經(jīng)XRD分析，產(chǎn)物主晶相為O′-Sialon，另有少量β-Sialon、Al2O3。
權(quán)利要求
1.礬土基O′-Sialon的制備方法，以高鋁礬土為主要原料，以金屬硅粉為還原劑，采用氮化還原工藝，其特征在于a.將重量分?jǐn)?shù)為35-60％的高鋁礬土、40-65％的金屬硅、0-5％的O′-Sialon晶種混合均勻，加入原料總量1-5％的結(jié)合劑，混合均勻成泥料，或機(jī)壓或擠壓成塊料；b.將成型后的塊料或未成型的泥料置于氮化爐中進(jìn)行氮化，在流動(dòng)氮?dú)鈿夥障拢?0-300℃/小時(shí)的速率升溫至790-820℃，保溫1小時(shí)；以30-100℃/小時(shí)的速率繼續(xù)升溫至1050-1150℃，保溫2小時(shí)；繼續(xù)升溫至1250-1300℃，升溫速率為20-100℃/小時(shí)，保溫3小時(shí)；最后升溫至1400-1550℃，升溫速率為60-300℃/小時(shí)，保溫4-10小時(shí)；c.冷卻至100-800℃，關(guān)閉氮?dú)?，繼續(xù)冷卻至室溫后，即得產(chǎn)物。
2.依照權(quán)利要求1所述的礬土基O′-Sialon的制備方法，其特征在于所說高鋁礬土為生料或輕燒料，其灼減后的Al2O3質(zhì)量百分比為40-70％，SiO2質(zhì)量百分比30-50％；
3.依照權(quán)利要求1所述的礬土基O′-Sialon的制備方法，其特征在于所說的結(jié)合劑為糊精、聚乙烯醇、木質(zhì)素、羧甲基纖維素、樹脂中的一種或幾種。
4.依照權(quán)利要求1所述的礬土基O′-Sialon的制備方法，其特征在于機(jī)壓成型的壓力為10-150MPa。
5.依照權(quán)利要求1所述的礬土基O′-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(fā)明提供了一種礬土基O′－Sialon的制備方法。該方法以我國儲(chǔ)量豐富的高鋁礬土為原料，以金屬硅粉為還原劑，加入結(jié)合劑，采用氮化還原工藝制備出礬土基O′－Sialon。本發(fā)明方法簡單，條件易控制，所得產(chǎn)物物相較純。用本發(fā)明制備的粉料性能優(yōu)良，包括轉(zhuǎn)化率高、無碳、機(jī)械性能及耐火性能高，可在冶金、機(jī)械、陶瓷等工業(yè)領(lǐng)域廣泛使用。本發(fā)明可以大幅度提高高鋁礬土的產(chǎn)品附加值與利用率，降低了傳統(tǒng)Sialon的制備成本。
文檔編號(hào)C04B35/597GK1623956SQ20041006021
公開日2005年6月8日 申請日期2004年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月5日
發(fā)明者鐘香崇, 張海軍, 葉方保 申請人:鄭州大學(xué)