-SiC復(fù)相耐磨陶瓷材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用工業(yè)固體廢棄物鋁灰、菱鎂礦和碳化硅制備Sialon-MgAl2O4-SiC復(fù)相耐磨陶瓷材料，屬耐磨材料技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]一直以來，對耐沖蝕磨材料的研宄引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛重視，并開展了深入細(xì)致的研宄工作。從耐磨沖蝕材料的發(fā)展階段來看，經(jīng)歷了從普通白口鑄鐵和錳鋼一鎳硬鑄鐵一高鉻白口鑄鐵一貝氏體球鑄鐵等發(fā)展過程。但是，這些金屬及合金材料在液一固兩相流沖蝕磨損以及一些特殊腐蝕協(xié)同作用條件下，由于其抗沖蝕磨損性和耐化學(xué)腐蝕性差，也不能很好地滿足實際生產(chǎn)要求。如采礦選礦工藝中的過流件和刮板、工業(yè)用渣漿泵、黃河河道疏浚、各種經(jīng)受沖蝕耐腐蝕的泵體和過流件等遭受到?jīng)_蝕磨損以及腐蝕的協(xié)同作用加速了構(gòu)件的失效過程。
[0003]與工業(yè)上常用的金屬及硬質(zhì)合金耐磨材料相比，先進(jìn)陶瓷材料(氧化鋁、氧化鋯、氧化鋁和氧化鋯復(fù)合材料、氮化硅、碳化硅陶瓷等)具有高的強(qiáng)度、硬度、耐高溫和耐腐蝕等優(yōu)異性能，在耐磨零部件上使用已經(jīng)表現(xiàn)出優(yōu)異的抗沖蝕磨損性能。例如:美國Reed公司研制的泥漿泵陶瓷缸套其使用壽命達(dá)到2500h (目前高鉻合金白口鑄鐵鉆井泥漿泵缸套使用壽命僅為200?600h)，但價格非常昂貴。目前，國內(nèi)少數(shù)院校如浙江大學(xué)、西安交通大學(xué)、天津大學(xué)、北京科技大學(xué)等單位也開展了相關(guān)耐磨陶瓷的研宄。由于氧化鋁陶瓷和氧化鋯陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)較低，它們存在一個突出的技術(shù)問題是在特殊工況條件下其制品局部溫度升高容易形成熱應(yīng)力，導(dǎo)致陶瓷容易開裂，影響正常的使用，而且氧化鋁陶瓷和氧化鋯陶瓷生產(chǎn)成本較高，燒結(jié)時容易變形，成品率低等問題構(gòu)成了較高的價格，限制了其大規(guī)模的生產(chǎn)和推廣應(yīng)用。氮化硅屬共價鍵結(jié)合的化合物，盡管熱壓、熱等靜壓等方法制備的氮化硅陶瓷燒結(jié)性能良好，但其設(shè)備投資大，產(chǎn)品尺寸受到限制、產(chǎn)量低導(dǎo)致其生產(chǎn)成本較高而限制其大規(guī)模應(yīng)用。碳化硅具有強(qiáng)的共價鍵，其晶界能與表面能之比很高，不易獲得足夠的能量形成晶界，因此碳化硅很難燒結(jié)。另外，燒結(jié)時的擴(kuò)散速度很低，其表面常形成Si02膜，這層氧化膜也起擴(kuò)散勢皇的作用進(jìn)一步影響其燒結(jié)性能。研宄表明隨SiC顆粒的平均尺寸增大，材料的磨損率降低。這是由于當(dāng)碳化硅顆粒尺寸比磨料顆粒(或沖蝕粒子)的壓痕深度大時，碳化硅對磨料的刺入起阻礙作用，因而能夠提高耐磨性。因此作為耐磨材料用SiC陶瓷常采用SiC顆粒為原料燒結(jié)制備得到，但顆粒與顆粒之間難以燒結(jié)。
[0004]隨著天然高鋁礦物資源的日漸枯竭，在尋找高鋁礦物替代物以及降低耐高溫耐磨材料成本方面的工作已經(jīng)開始圍繞高鋁含量的固體廢棄物來研宄開展。鋁灰是電解鋁或鑄造鋁生產(chǎn)工藝中產(chǎn)生的熔渣經(jīng)冷卻加工后的固體廢棄物。鋁渣通常含有50%?70%的金屬鋁，經(jīng)過常規(guī)的回收處理后，剩余的廢鋁灰中仍含有15?30%的金屬鋁，因品位較低一般不再進(jìn)一步提取鋁而廢棄。同時鋁灰中還存在10?25%的A1203和5?20%的A1N，另外含有較高堿金屬(Na、K等)和重金屬(Zn、Cu等)化合物，不加利用將會造成資源的浪費(fèi)，同時也帶來環(huán)境的污染。實現(xiàn)鋁渣的高效回收和鋁灰的資源化利用，有效地減少對生態(tài)環(huán)境造成的影響的意義是重要的。
[0005]鎂鋁尖晶石具有良好的熱震穩(wěn)定性、耐化學(xué)侵蝕性能和耐磨性能使得其廣泛應(yīng)用于耐火材料、耐磨材料、精細(xì)陶瓷等各個領(lǐng)域。Al203、Mg0和MgAl2O4三者熱膨脹系數(shù)(20?1000K之間的平均熱膨脹系數(shù)/0C ^1)分別為8.8X 10'13.5X 10_6、7.6X 10_6，相比之下，MgO的抗熱震性能不及Al2O3, Al2O3的抗渣堿侵蝕性能劣于MgO，MgAl 204熱膨脹系數(shù)最小，因此熱震穩(wěn)定性更佳。在合成鎂鋁尖晶石時，會伴有5%?8%的體積膨脹，能夠在材料中產(chǎn)生壓應(yīng)力起到增強(qiáng)增韌的作用。Sialon和MgAl2O4相復(fù)合作為SiC的結(jié)合相，能夠結(jié)合兩者的優(yōu)點，制備出性能優(yōu)良的新型復(fù)合Sialon-MgAl2O4結(jié)合SiC耐磨陶瓷材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是目前作為耐磨材料用金屬及合金材料由于原材料昂貴以及特殊條件下抗沖蝕磨損性能差以及先進(jìn)耐磨陶瓷材料燒結(jié)困難、生產(chǎn)成本高等突出的問題，為此提供一種用工業(yè)上容易獲得的高鋁工業(yè)固體廢棄物鋁灰、菱鎂礦和SiC等原料通過組分設(shè)計的控制和鋁熱還原氮化反應(yīng)燒結(jié)制備低成本高性能新型Sialon-MgAl2O4-SiC復(fù)相耐磨陶瓷材料。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種Sialon-MgAl2O4-SiC復(fù)相耐磨陶瓷材料，其特征在于它包括鋁灰、菱鎂礦、SiC、天然石英粉和結(jié)合劑，所述結(jié)合劑為紙漿干粉、工業(yè)糊精或聚乙烯醇溶液其中的至少一種。
[0008]可選的，上述方案中所述鋁灰是電解產(chǎn)生的鋁灰或熔鑄產(chǎn)生的鋁灰，所述鋁灰的化學(xué)組成按質(zhì)量比計為:A1203 5% ?40%，A1N0% ?20%，Al 10% ?40%，MgO 5% ?20%，S125%?35%，F(xiàn)e2O3彡4.0%，Na 20 ( 3.0%，所述鋁灰占總配料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的15?30% ;所述菱鎂礦占總配料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的5?30% ;所述天然石英粉占總配料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的O?20% ；SiC為綠碳化硅或黑碳化硅，占總配料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的40?70%，所述結(jié)合劑占總配料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的3%?10%。
[0009]可選的，上述方案中所述菱鎂礦中MgCOj^質(zhì)量含量大于90%。
[0010]可選的，上述方案中SiC的顆粒級配比為:3?Imm的大顆粒30?50%，I?Omm的中顆粒10?40%，O?0.15mm的小顆粒10?30%，小于0.074mm的細(xì)粉O?15% ;所述顆粒級配比為占SiC總加入量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
[0011]可選的，上述方案中結(jié)合劑選自濃度30%的工業(yè)糊精、濃度30%的木質(zhì)素磺酸鈣溶液以及濃度10%的聚乙烯醇溶液中的至少一種。
[0012]Sialon-MgAl2O4-SiC復(fù)相耐磨陶瓷材料的制備方法，首先用磨細(xì)設(shè)備把菱鎂礦和鋁灰進(jìn)行磨細(xì)預(yù)處理，使其粒度< 0.074mm，再按質(zhì)量比5?30:15?30:40?70的比例將菱鎂礦、鋁灰和天然石英粉進(jìn)行充分的球磨混合形成混合細(xì)粉，將混合細(xì)粉和SiC進(jìn)行配料，通過攪拌機(jī)攪拌混合均勻，加入占坯體總質(zhì)量3%?10%的結(jié)合劑壓成坯體，將坯體經(jīng)過10MPa?300MPa冷等靜壓處理，然后將坯體在50°C干燥4h，100°C下干燥4h，將坯體置于高溫氮?dú)鉅t內(nèi)于流動氮?dú)獗Ｗo(hù)下先于1100?1200°C保溫I?3h，再于1350?1450°C保溫I?5h，其次于1550°C?1750°C保溫2?1h進(jìn)行燒結(jié)，最后在氮?dú)獗Ｗo(hù)下隨爐自然冷卻到室溫即可得到該Sialon-MgAl2O4-SiC復(fù)相耐磨陶瓷材料。
[0013]可選的，上述方案中高溫氮?dú)鉅t的升溫制度為:從室溫到1000°C時，升溫速率為5?8°C /min ; 1000°C以上時，升溫速率2?5°C /min。
[0014]—種Sialon-MgAl2O4-SiC復(fù)相耐磨陶瓷材料的制備工藝流程為:
原料一原料預(yù)處理(破碎磨細(xì)過篩)一初次配料一干法球磨一加入SiC 二次配料一攪拌混合一加入結(jié)合劑制成還體一等靜壓處理一干燥一氮化反應(yīng)燒結(jié)一加工一使用
本發(fā)明的有益效果是制備的Sialon-MgAl2O4-SiC復(fù)相耐磨陶瓷材料不僅能夠有效降低耐磨陶瓷的成本，而且可為高鋁工業(yè)固體廢棄物鋁灰的零排放資源化利用和菱鎂礦的高效利用提供重要的技術(shù)途徑，制備的復(fù)相耐磨陶瓷材料使用性能優(yōu)良。該體系形成的Sialon和MgAl2O4結(jié)合相解決了 SiC難以燒結(jié)的問題，同時可以降低SiC的燒結(jié)溫度。SiC表面的二氧化硅氧化膜能夠被鋁灰中的金屬鋁還原氮化形成Si3N4/Sialon，可以進(jìn)一步強(qiáng)化SiC顆粒與顆粒以及SiC顆粒與基體的結(jié)合。該體系形成的Sialon-MgAl2O4結(jié)合SiC材料具有優(yōu)良的沖蝕磨損性能。本發(fā)明能夠為高性能耐磨陶瓷復(fù)相材料低成本化技術(shù)的起到推動作用，可廣泛應(yīng)用于水泥、電力、礦山等工業(yè)中用作耐磨球、耐磨管道、噴嘴、磨環(huán)成套、葉輪等耐磨件的材料。
【具體實施方式】
[0015]下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0016]本發(fā)明采用的原料配方和配比分別為:鋁灰(可以是電解產(chǎn)生的鋁灰也可以是熔鑄產(chǎn)生鋁灰，其化學(xué)組成(w):A1203 5% ?20%，A1N0% ?10%，Al 10% ?20%，MgO 5% ?15%，S12 5%?15%，F(xiàn)e2O3彡4.0%，Na 20 ( 3.0%)占總配料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的15?30% ;菱鎂礦(MgCO3含量一般要求大于90%)占總配料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的10?30% ;天然石英粉(SiCV#量一般要大于88%，顆粒大小為< 0.074mm)占總配料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的O?20% ；SiC (可以是綠碳化硅也可以是黑碳化硅)顆粒和細(xì)粉占總配料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的40?70%，其顆粒級配為(占SiC總加入量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)):3?Imm的大顆粒30?50%，I?Omm的中顆粒10?40%，0?0.15mm的小顆粒10?30%，小于0.074mm的細(xì)粉O?15% ;結(jié)合劑可采用濃度為30%左右工業(yè)糊精、濃度為30 %左右的木質(zhì)素磺酸鈣溶液或濃度為10 %左右的聚乙烯醇溶液其中一種，也可以是其中兩種的結(jié)合作為結(jié)合劑，或者是濃度為30%左右工業(yè)糊精、濃度為30%左右的木質(zhì)素磺酸鈣溶液和濃度為10