CN112374472B - 一种氮化钛包覆Ti2O3复合Al2O3材料及其制备方法 - Google Patents

一种氮化钛包覆Ti2O3复合Al2O3材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本产品涉及一种氮化钛包覆Ti2O3复合Al2O3材料及其制备方法，属于材料领域。产品通过氮化金属铝还原钛精矿后的材料，得到了氮化钛包覆的复合材料。材料由Al2O3，TiO2，MgO，Fe2O3，CaO，SiO2，Na2O组成，其中：Al2O3的含量为70‑90％；TiO2的含量为5‑25％；MgO的含量为0‑15％；Fe2O3的含量为0‑15％；CaO的含量为0‑3％；SiO2的含量为0‑2％；Na2O的含量为0‑2％。氮化前产品的主要物相为Ti2O3和Al2O3，氮化后表面形成以氮化钛为主的包覆层，呈金黄色，内部物相为Ti2O3和Al2O3，呈黑色。体积密度在3.5‑5g/cm3之间。产品实现了矿渣的高效利用，得到了一种具有高性能和高应用价值的复合材料。同时具有环保意义和经济价值。

Description

一种氮化钛包覆Ti2O3复合Al2O3材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种氮化钛包覆材料的制备方法，尤其涉及一种氮化钛包覆 Ti2O3复合Al2O3材料及其制备方法，属于材料领域。
背景技术
氮化钛熔点高(2950℃)，硬度大，在高温下不与铁、铬、钙等金属反应。在CO与N2气氛下不被酸性渣和碱性渣侵蚀，具有较高的导电性和耐磨性。广泛应用于金属陶瓷、表面处理、复合材料等领域。氮化钛的制备方法主要包括 TiO2还原氮化法、机械球磨法、高温自蔓延法、微波合成法等。其中最经济常用的是TiO2还原氮化法，但对粉末粒径要求高，合成温度高。即氮化钛的合成经济成本较高，价格昂贵。
金属钛因具有密度小、比强度高、耐腐蚀性好等优点，在航空航天、石油、化工、冶金等众多领域都有重要应用。它的制备方法有很多种，常见的有卤化钛还原分解法、钛化合物电解法、氧化钛还原法。其中氧化钛还原法是在 TiO2富集物料中，添加比钛更活泼的金属，实现氧化钛的脱氧。金属铝来源广，价格低，常被选用为金属钛生产过程中的还原剂。通过高温下的反应 TiO2+Al＝Ti+Al2O3来实现金属钛的冶炼。金属钛熔点较低会与高熔点的反应渣Al2O3和未反应的TiO2分离，因Al2O3熔点过高，会夹杂大量的金属钛，在冶炼过程中会添加石灰，生成铝酸钙低熔点相，减少金属夹杂。本发明涉及的金属钛冶炼过程，以金属铝为还原剂，但不在生产过程中添加石灰水，而是将Al2O3、TiO2、金属Ti混合的矿渣在高温电炉下加热，以减少金属钛的夹杂。以此得到一种Ti2O3-Al2O3系合成材料。
Ti2O3中的亚钛离子本身具备良好的还原性，易在氮气条件下易生成TiN，在CO气氛下易生产TiC。得到的Ti2O3-Al2O3复合材料在氮气气氛可以较容易的得到TiN包覆复合材料。
发明内容
本发明旨在制备出一种氮化钛包覆Ti2O3复合Al2O3材料。产品通过氮化金属铝还原钛精矿的材料，得到了氮化钛包覆的复合材料。氮化前产品的主要物相为Ti2O3和Al2O3。产品实现了矿渣的高效利用，得到了一种具有高性能和高应用价值的复合材料。同时具有环保意义和经济价值。
一种氮化钛包覆Ti2O3复合Al2O3材料，其特征在于：
材料由Al2O3，TiO2，MgO，Fe2O3，CaO，SiO2，Na2O组成，其中：
Al2O3的含量为70-90％；TiO2的含量为5-25％；MgO的含量为0-15％； Fe2O3的含量为0-15％；CaO的含量为0-3％；SiO2的含量为0-2％；Na2O的含量为0-2％。
进一步地，所述材料具有以下一种或多种特征：
(1)所述材料表层为金黄色，内部为黑色。
(2)所述材料的表面包覆物物相组成主要为：氮化钛、刚玉；内部物相组成主要为刚玉，三氧化二钛。
(3)所属材料的体积密度在3.5-5g/cm3之间。
(4)所述材料可为块状、片状、颗粒状、粉末状或其混合物
如上所述的一种氮化钛包覆Ti2O3复合Al2O3材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)对含Fe2O3含量在质量百分比≤15％的钛精矿进行冶炼(冶炼过程中不添加CaO)，得到钛铁合金，液固分离后得到矿渣；
(b)步骤(a)中得到的矿渣进行电熔处理，电熔温度为2000℃-2300℃，电熔时间3-5h，不间断连续生产，得到金属夹杂进一步减少的矿渣；
(c)对步骤(a)或者步骤(b)得到的矿渣进行氮化处理，氮化温度800- 1800℃，升温速率1-10℃/min，氮化保温时间0-10h，氮气纯度50％-100％，氮气流速0-100ml/min；
(d)步骤(c)氮化过程中，选用的加热装置包括但不限于管式炉、箱式炉、石墨碳管炉、隧道窑、梭式窑；
(e)步骤(c)氮化过程中，矿渣可放置于容器中，所述容器包括但不限于刚玉坩埚、石墨坩埚、氮化硅坩埚。也可直接至于炉膛中。
本发明的积极效果
1、本发明所涉及实现了氮化钛的均匀包覆，使Ti2O3-Al2O3合成材料得到表面性能改性。
2、本发明所得的氮化钛包覆Ti2O3复合Al2O3材料，外层以高强度、高耐磨、高熔点的TiN为主，内层有具有还原性的Ti2O3，是性能优良的梯度材料。
3、本发明所得到的TiN包覆层具有极高的致密性，形成后能阻断内部材料与外界材料的反应。在氮气存在的条件下使用具有包覆层自修复功能。
4、本发明可通过化学成分和物理组成的调控，如在电熔步骤中的添加一定量的其它耐火原料，得到特定组分的钛增强刚玉系材料。
5、本发明所涉及的氮化方法简单易行，经济成本较低。所得材料可应用范围广泛，经济价值高。
6、本发明提升了矿渣的二次利用价值，极大减少了环境污染，提升了资源的二次利用率。
具体实施方式
实施例1：对含Fe2O3含量质量百分比为10％的钛精矿进行冶炼，得到钛铁合金，液固分离后得到矿渣；将矿渣至于电炉中电熔，电熔温度为2300℃，得到 Ti2O3-Al2O3系原材料。将原材料粉碎成3-5mm颗粒，置于刚玉坩埚内在管式炉中通流动氮气氮化，氮化温度为1400℃，升温速率为5℃/min，保温3h，氮气流速为40ml/min。得到了金黄色的氮化钛包覆Ti2O3复合Al2O3材料。
该材料由Al2O3，TiO2，MgO，Fe2O3，CaO，SiO2，Na2O组成，其中：Al2O3的含量为80.03％；TiO2的含量为15.20％；MgO的含量为1.36％；Fe2O3的含量为1.52％；CaO的含量为0.51％；SiO2的含量为0.42％；Na2O的含量为0.32％。体积密度为4.1g/cm3。(含量有部分灼减，总量略低于100％)
实施例2：生产工艺与实施例1不同之处在于：
将Ti2O3-Al2O3系原材料粉碎为0-1mm小颗粒，氮化温度为1300℃。
该材料由Al2O3，TiO2，MgO，Fe2O3，CaO，SiO2，Na2O组成，其中：Al2O3的含量为84.27％；TiO2的含量为11.31％；Fe2O3的含量为1.06％；MgO的含量为1.45％；CaO的含量为0.89％；SiO2的含量为0.43％；Na2O的含量为0.21％。体积密度为4.1g/cm3。
实施例3：生产工艺与实施例1不同之处在于：
对含Fe2O3含量质量百分比为10％的金红石精矿进行冶炼，得到钛铁合金，液固分离后得到矿渣，将矿渣切片氮化。
该材料由Al2O3，TiO2，MgO，Fe2O3，CaO，SiO2，Na2O组成，其中：Al2O3的含量为75.62％；TiO2的含量为19.30％；MgO的含量为0.99％；Fe2O3的含量为2.42％；CaO的含量为0.48％；SiO2的含量为0.31％；Na2O的含量为0.34％。体积密度为3.8g/cm3。

Claims (2)

1.一种氮化钛包覆Ti2O3复合Al2O3材料，其特征在于：
氮化前的原材料由Al2O3，TiO2，MgO，Fe2O3，CaO，SiO2，Na2O组成；其中：
Al2O3的含量为70-90％；TiO2的含量为5-25％；MgO的含量为0-15％；Fe2O3的含量为0-15％；CaO的含量为0-3％；SiO2的含量为0-2％；Na2O的含量为0-2％；
氮化前的原材料进行氮化处理得到含有氮化钛的材料；
所述的一种氮化钛包覆Ti2O3复合Al2O3材料的制备方法，包括以下步骤：
(a)对含Fe2O3含量在质量百分比≤15％的钛精矿进行冶炼，冶炼过程中不添加CaO，得到钛铁合金，液固分离后得到矿渣；
(b)步骤(a)中得到的矿渣进行电熔处理，电熔温度为2000℃-2300℃，电熔时间3-5h，不间断连续生产，得到金属夹杂进一步减少的矿渣；
(c)对步骤(b)得到的矿渣进行氮化处理，氮化温度800-1800℃，升温速率1-10℃/min，氮化保温时间0-10h，氮气纯度50％-100％，氮气流速0-100ml/min；
所述材料具有以下特征：
(1)所述材料表层为金黄色，内部为黑色；
(2)所述材料的表面包覆物物相组成主要为：氮化钛、刚玉；内部物相组成主要为刚玉，三氧化二钛；
(3)所述材料的体积密度在3.5-5g/cm3之间；
(4)所述材料为块状、片状、颗粒状、粉末状或其混合物。
2.如权利要求1所述的一种氮化钛包覆Ti2O3复合Al2O3材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)对含Fe2O3含量在质量百分比≤15％的钛精矿进行冶炼，冶炼过程中不添加CaO，得到钛铁合金，液固分离后得到矿渣；
(b)步骤(a)中得到的矿渣进行电熔处理，电熔温度为2000℃-2300℃，电熔时间3-5h，不间断连续生产，得到金属夹杂进一步减少的矿渣；
(c)对步骤(b)得到的矿渣进行氮化处理，氮化温度800-1800℃，升温速率1-10℃/min，氮化保温时间0-10h，氮气纯度50％-100％，氮气流速0-100ml/min；
其中，步骤(c)氮化过程中，选用的加热装置包括但不限于管式炉、箱式炉、石墨碳管炉、隧道窑、梭式窑；
步骤(c)氮化过程中，矿渣可放置于容器中，所述容器包括但不限于刚玉坩埚、石墨坩埚、氮化硅坩埚；或直接至于炉膛中。
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