CN102180679B - 一种添加La2O3的复相α-β-Sialon陶瓷材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种添加La₂O₃的复相α-β-Sialon陶瓷材料的制备方法，属于冶金耐火材料技术领域。本发明通过添加稀土氧化物La₂O₃、Y₂O₃和Nd₂O₃制得性能优良的复相α-β-Sialon陶瓷材料，制备方法主要如下：将所用原料Si粉、Al粉、Al₂O₃粉、Y₂O₃、La₂O₃、Nd₂O₃充分混匀后模压成型得到α-β-Sialon陶瓷材料的生坯，将该生坯在石墨电阻炉中进行烧结，烧结温度从室温到1750℃，升温速率为30℃/min，烧结温度至400℃时，向石墨电阻炉中通入氮气，氮气流量为3.0L/min，烧结温度升至1750℃时进行保温，保温1小时后随石墨电阻炉冷却至室温，得到α-β-Sialon陶瓷材料。本发明方法工艺简单、成本较低、氮化合成率高。

Description

一种添加La2O3的复相α-β-Sialon陶瓷材料的制备方法

技术领域：

本发明属于冶金耐火材料技术领域，具体涉及一种添加La₂O₃的复相α-β-Sialon陶瓷材料的制备方法。

背景技术：

随着现代钢铁冶金技术的发展，特别是高炉长寿化、连铸和二次精炼技术的普及，高温钢(铁)液与冶金容器耐火材料的接触时间越来越长，使用单一的铝、硅、镁系天然耐火材料生产的普通耐材已经远远满足不了冶炼工艺和生产过程的需要。因此，使用人工合成的高性能耐材及在传统的耐火材料中添加高性能耐材是改善耐火材料使用性能和提高耐火材料使用寿命的重要手段之一。在Si3N4基础发展起来Sialon陶瓷，因具有出色的力学性能、热学性能和化学稳定性，是高性能陶瓷和高温耐火材料的首选。但单相Sialon陶瓷只具有各自的特点，其综合性能难以适应高技术发展日益苛刻的需求。复相化已成为Sialon陶瓷材料发展的主要方向。复相Sialon是在Sialon基体中引入其它相而构成的两相或多相复合材料。利用不同组成相在结构和性能上的差异进行互补与叠加，从而改善和提高单相Sialon某些性能，以满足不同领域发展的特殊需要。

目前氮化合成复相α-β-Sialon陶瓷采用单一稀土氧化物作为烧结助剂来改善烧结性能，致使材料中α-Sialon、β-Sialon相生成量少、氮化率低，影响其耐磨性能、抗热震性能、强度和硬度等理化性能，导致复相α-β-Sialon陶瓷材料的使用性能不佳的状况，满足不了现代冶炼工艺和生产过程的需要。

发明内容：

本发明针上述单一稀土氧化物作为烧结助剂氮化合成复相α-β-Sialon陶瓷氮化合成率低的问题，通过陶瓷***相平衡和结晶化学知识，选择合理的组成和工艺条件，添加稀土氧化物La₂O₃、Y₂O₃和Nd₂O₃制得性能优良的复相α-β-Sialon陶瓷材料。

本发明所提供的一种添加La₂O₃的复相α-β-Sialon陶瓷材料的制备方法具体步骤如下：

(1)按照复相α-β-Sialon陶瓷材料的化学式元素成分要求进行配料，所用原料及质量百分比为：Si粉：60％66％，Al粉：14.5％-17％，Al₂O₃粉：5.6％-8.0％，Y₂O₃：4％，La₂O₃：5.7％-7.5％，Nd₂O₃：4.5％-5.5％，将所用原料在混料器中充分混合均匀得到混匀料；

(2)将步骤(1)得到的混匀料倒入玛瑙研钵中以无水酒精为介质进行研磨，使混匀料粒度小于0.44μm，混匀料经烘干后加入质量浓度7％的聚乙烯醇溶液进行混均，混均后在25Mpa压力下模压成型得到α-β-Sialon陶瓷材料的生坯；

(3)将步骤(2)得到的α-β-Sialon陶瓷材料的生坯在石墨电阻炉中进行烧结，烧结温度从室温到1750℃，升温速率为30℃/min，烧结温度至400℃时，向石墨电阻炉中通入氮气，氮气流量为3.0L/min，烧结温度升至1750℃时进行保温，保温1小时后随石墨电阻炉冷却至室温，得到α-β-Sialon陶瓷材料。

本发明制备过程的主要化学反应如下：

反应式(1)：

Si+Al+Al₂O₃+M₂O₃+N₂(g)→MxSi_12-(m+n)Al_m+nO_nN_16-n        (1)

其中M为Y和镧系元素

反应式(2)：

(6-z)Si+(4-0.5z)N₂(g)+z/3Al₂O₃+z/3Al＝Si_(6-z)Al_zO_zN_(8-z)    (2)

复合稀土氧化物La₂O₃+Y₂O₃+Nd₂O₃不仅是α-S i al on重要的组成和生成剂，同时促进α-Sialon相向β-Sialon相的转变，在合成烧结中同时形成了α-Sialon和β-Sialon相。与添加单一稀土氧化物相比，添加复合稀土氧化物能较大地降低α-Sialon、β-Sialon相的合成烧结温度，加速α-Sialon、β-Sialon相的液相合成与烧结。复合稀土氧化物有利于形成较多量的α-Sialon、β-Sialon相，提高Sialon的氮化合成率。

本发明的优点是在制备α-β-Sialon时，通过控制原料的组成和配比调节α/β的值，添加稀土氧化物La₂O₃+Y₂O₃+Nd₂O₃，可制得具有不同致密度和性能的陶瓷。α-β-Sialon陶瓷材料的硬度随着α-Sialon相含量的增加而增大，β-Sialon相含量的多少，决定着强度的高低，即α-Sialon相提供高硬度，β-Sialon相提供高强度，两者结合可得到具有最佳强度和硬度的复相陶瓷。

该制备方法工艺简单、成本较低、氮化合成率高，具有较大的经济社会效益。

具体实施方式：

实施例1：配料组成为Si粉62％(质量百分比，下同)，Al粉16.5％，Al₂O₃粉6.8％，Y₂O₃粉4％，La₂O₃粉6.2％，Nd₂O₃4.5％，加入质量浓度7％的聚乙烯醇溶液进行混均，混均后模压成型，在石墨电阻炉中烧结，升温速率为30℃/min，升温至400℃时通入氮气，氮气流量为3.0L/min，烧结温度升至1750℃时进行保温，保温1小时后，随炉冷却至室温取出制得的α-β-Sialon陶瓷材料。该陶瓷材料经扫描电镜和能谱分析，复相α-β-Sialon的氮化合成率达到93.2％。

实施例2：试样的配料组成为Si粉63％(质量百分比，下同)，Al粉15.5％，Al₂O₃粉5.8％，Y₂O₃粉4％，La₂O₃粉6.7％，Nd₂O₃5.0％，加入质量浓度7％的聚乙烯醇溶液进行混均，混均后模压成型，在石墨电阻炉中烧结，升温速率为30℃/min，升温至400℃时通入氮气，氮气流量为3.0L/min，烧结温度升至1750℃时进行保温，保温1小时后，随炉冷却至室温取出制得的α-β-Sialon陶瓷材料。该陶瓷材料经扫描电镜和能谱分析，复相α-β-Sialon的氮化合成率达到94.7％。

实施例3：配料组成为Si粉61％(质量百分比，下同)，Al粉17.5％，Al₂O₃粉6.8％，Y₂O₃粉4％，La₂O₃粉5.7％，Nd₂O₃5.0％，加入质量浓度7％的聚乙烯醇溶液进行混均，混均后模压成型，在石墨电阻炉中烧结，升温速率为30℃/min，升温至400℃时通入氮气，氮气流量为3.0L/min，烧结温度升至1750℃时进行保温，保温1小时后，随炉冷却至室温取出制得的α-β-Sialon陶瓷材料。该陶瓷材料经扫描电镜和能谱分析，复相α-β-Sialon的氮化合成率达到94.1％。

Claims (1)

1.一种添加La₂O₃的复相α-β-Sialon陶瓷材料的制备方法，其特征在于该制备方法具体步骤如下：

(1)按照复相α-β-Sialon陶瓷材料的化学式元素成分要求进行配料，所用原料及质量百分比为：Si粉：60％-66％，Al粉：14.5％-17％，Al₂O₃粉：5.6％-8.0％，Y₂O₃：4％，La₂O₃：5.7％-7.5％，Nd₂O₃：4.5％-5.5％，将所用原料在混料器中充分混合均匀得到混匀料；

(2)将步骤(1)得到的混匀料倒入玛瑙研钵中以无水酒精为介质进行研磨，使混匀料粒度小于0.44μm，混匀料经烘干后加入质量浓度7％的聚乙烯醇溶液进行混均，混均后在25Mpa压力下模压成型得到α-β-Sialon陶瓷材料的生坯；

(3)将步骤(2)得到的α-β-Sialon陶瓷材料的生坯在石墨电阻炉中进行烧结，烧结温度从室温到1750℃，升温速率为30℃/min，烧结温度至400℃时，向石墨电阻炉中通入氮气，氮气流量为3.0L/min，烧结温度升至1750℃时进行保温，保温1小时后随石墨电阻炉冷却至室温，得到α-β-Sialon陶瓷材料。