一種利用氮化硅鐵粉末制備塊體陶瓷材料的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于耐火材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用氮化硅鐵粉末制備塊體陶瓷材料的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氮化硅陶瓷因其優(yōu)良的機械性能已廣泛運用于各種結(jié)構(gòu)性元器件領(lǐng)域，如發(fā)動機和渦輪機元件、換熱器、泵密封材料、滾動體軸承、刀具、耐腐蝕的熱電偶保護管、腐蝕性液體的高溫過濾器等。但因高性能的氮化硅陶瓷材料的制造成本較為昂貴，未能在工業(yè)領(lǐng)域大規(guī)模使用，制造氮化硅陶瓷的原料是氮化硅陶瓷粉，其價格昂貴，導(dǎo)致氮化硅陶瓷成本較高，限制了氮化硅陶瓷的應(yīng)用。
[0003]氮化硅鐵是以Si3N4為主要成分，摻雜有游離鐵、未氮化硅鐵及少量其它成分的混合物，主要應(yīng)用于大型高爐炮泥和溝澆注槽中，能夠使炮泥的耐高溫性能和耐腐蝕性能得到明顯改善，滿足高爐出鐵的需要。相對于氮化硅陶瓷粉，氮化硅鐵粉末的價格低廉，只有氮化硅陶瓷粉的I %左右，而目前鮮見關(guān)于采用氮化硅鐵粉末制備塊體陶瓷材料的報道，現(xiàn)有技術(shù)中急需一種采用低成本的原材料氮化硅鐵粉末制備具有良好耐高溫性能和機械性能的塊體陶瓷材料的方法，以為進一步制備低成本的結(jié)構(gòu)陶瓷提供原料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種利用氮化硅鐵粉末制備塊體陶瓷材料的方法，其將一定配比的氮化硅鐵粉末、氧化鑭粉末、氧化釔粉末和氧化鋁粉末通過濕法球磨的方法混合均勻得到混合粉末，然后將混合粉末預(yù)壓成型后進行冷等靜壓得到坯體，再結(jié)合氣壓燒結(jié)的工藝過程制備得到氣孔率低、體積密度大的塊體陶瓷材料，該塊體陶瓷材料具有優(yōu)良的耐高溫性能和機械性能，可作為結(jié)構(gòu)件陶瓷用以制備高溫窯爐的窯具或者其他耐火材料
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種利用氮化硅鐵粉末制備塊體陶瓷材料的方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0006]步驟一、采用濕法球磨的方法將以下按質(zhì)量百分比計的原料置于球磨機中球磨混合均勻:氮化硅鐵粉末85 %?95 %，氧化鑭粉末2 %?5 %，氧化釔粉末I %?5 %，氧化鋁粉末2%?5% ;球磨后將混合均勻的物料烘干，得到混合粉末；
[0007]步驟二、將步驟一中所述混合粉末置于液壓機中預(yù)壓成型，然后將預(yù)壓成型后的混合粉末置于冷等靜壓機中進行冷等靜壓，得到坯體；
[0008]步驟三、將步驟二中所述坯體置于氣壓燒結(jié)爐中，在真空條件下對所述氣壓燒結(jié)爐進行升溫，待爐內(nèi)溫度升至1000°c?1200°c時向氣壓燒結(jié)爐內(nèi)通入氮氣調(diào)節(jié)爐內(nèi)壓力至0.5MPa?IMPa，待爐內(nèi)溫度升至1450°C?1650°C時調(diào)節(jié)氮氣流量使爐內(nèi)壓力升至4MPa?lOMPa，待爐內(nèi)溫度升至1700°C?1850°C后保溫燒結(jié)Ih?3h，隨爐冷卻，得到塊體陶瓷材料，升溫過程中控制升溫速率為3°C /min?5°C /min。
[0009]上述的一種利用氮化硅鐵粉末制備塊體陶瓷材料的方法，其特征在于，步驟一中所述濕法球磨的球磨介質(zhì)為無水乙醇，濕法球磨的球料比為(2?3):1，所述球磨機的轉(zhuǎn)速為 100r/min ?150r/mino
[0010]上述的一種利用氮化硅鐵粉末制備塊體陶瓷材料的方法，其特征在于，所述無水乙醇的質(zhì)量為氮化硅鐵粉末、氧化鑭粉末、氧化釔粉末和氧化鋁粉末質(zhì)量總和的I?3倍。
[0011]上述的一種利用氮化硅鐵粉末制備塊體陶瓷材料的方法，其特征在于，步驟一中所述氮化硅鐵粉末的平均粒度為0.4 μ???0.7 μ m，氧化鑭粉末的平均粒度為I μ???3 μ m，氧化紀粉末的平均粒度為2 μ m?5 μ m，氧化銷粉末的平均粒度為0.4 μ m?0.7 μ m。
[0012]上述的一種利用氮化硅鐵粉末制備塊體陶瓷材料的方法，其特征在于，步驟二中所述預(yù)壓成型的壓力為8MPa?12MPa，保壓時間為1s?20s。
[0013]上述的一種利用氮化硅鐵粉末制備塊體陶瓷材料的方法，其特征在于，步驟二中所述冷等靜壓的壓力為150MPa?300MPa，保壓時間為300s?600s。
[0014]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點:
[0015]1、本發(fā)明以氮化硅鐵粉末為主要原料，加入一定配比的氧化鑭粉末、氧化釔粉末和氧化鋁粉末作為燒結(jié)助劑，這些燒結(jié)助劑在氣壓燒結(jié)處理的過程中與氮化硅鐵顆粒表面微量的二氧化硅發(fā)生反應(yīng)形成具有較高熔點的稀土硅酸鹽，該稀土硅酸鹽熔化后形成玻璃相能夠潤濕和溶解混合粉末中的Si3N4和Fe 3Si，同時Si3N4發(fā)生相變和重排，顆粒狀晶體C1-Si3N4轉(zhuǎn)變?yōu)殚L柱狀或針狀晶體β-Si 3N4，可起到自增韌的效果，氣壓燒結(jié)的過程中Fe3Si被Si3N4包裹，在一定程度上限制了長柱狀或針狀晶體β -Si 3Ν4的異常長大，使得β-Si3N4晶粒細小均勻，有利于提高了塊體陶瓷材料的機械性能，此外，稀土硅酸鹽形成的具有較高熔點的玻璃相也有助于提高塊體陶瓷材料的高溫下的機械性能。
[0016]2、本發(fā)明的方法中采用的主要原料氮化硅鐵粉末成本較低，通過濕法球磨混料、預(yù)壓成型后冷等靜壓得到坯體，再結(jié)合氣壓燒結(jié)的工藝過程制備得到塊體陶瓷材料，其中冷等靜壓的方式能夠保證坯體中各個方向的密度更為均勻，致密度更高，另外，本發(fā)明的方法中利用了特定的氣壓燒結(jié)工藝，首先真空燒結(jié)能夠使坯體內(nèi)的可揮發(fā)物排出，其次低壓燒結(jié)能夠使燒結(jié)助劑與微量二氧化硅發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)生成的稀土硅酸鹽熔化后形成玻璃相，在多孔的坯體表面形成致密的包裹層，最后高壓燒結(jié)時隨著溫度和壓力的升高，混合粉末中的Si3N4發(fā)生相變和重排，F(xiàn)e 3Si被Si3N4包裹，致密的包裹層承受高壓使坯體中的殘余氣孔不斷排出，材料的致密度不斷提高，從而保證制備得到的塊體陶瓷材料的性能滿足要求，其體積密度為3.3g/cm3?3.96g/cm3，氣孔率為0.5%?1.5%，抗彎強度為350MPa?489MPa，斷裂韌性為 3.2MPa.m1/2?4.9MPa.m 1/2。
[0017]3、本發(fā)明制備塊體陶瓷材料時所用原料和制造成本均較低，操作簡單，制備工藝穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高，且高密度和低氣孔率有利于提高塊體陶瓷材料自身良好的耐高溫性能，而其同時具有的優(yōu)良機械性能又可擴大或替代氮化硅陶瓷在高溫和耐火材料領(lǐng)域的應(yīng)用。
[0018]下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細描述。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明實施例1制備的塊體陶瓷材料的斷口 SEM照片。
[0020]圖2為本發(fā)明實施例1制備的塊體陶瓷材料的剖面SEM照片。
[0021]圖3為圖2中A區(qū)域的EDS能譜圖。
【具體實施方式】
[0022]實施例1
[0023]本實施例包括以下步驟:
[0024]步驟一、采用濕法球磨的方法將以下按質(zhì)量百分比計的原料置于球磨機中球磨混合均勻:氮化硅鐵粉末90 %，氧化鑭粉末3.5 %，氧化釔粉末3 %，氧化鋁粉末3.5 % ;球磨后將混合均勻的物料烘干，得到混合粉末；所述濕法球磨的球磨介質(zhì)為無水乙醇，濕法球磨的球料比為2.5:1，所述球磨機的轉(zhuǎn)速為125r/min，所述無水乙醇的質(zhì)量為氮化娃鐵粉末、氧化鑭粉末、氧化釔粉末和氧化鋁粉末質(zhì)量總和的3倍；所述氮化硅鐵粉末的平均粒度為0.5 μ m，氧化鑭粉末的平均粒度為2 μ m，氧化釔粉末的平均粒度為3 μ m，氧化鋁粉末的平均粒度為0.6 μπι ;
[0025]步驟二、將步驟一中所述混合粉末置于液壓機中預(yù)壓成型，然后將預(yù)壓成型后的混合粉末置于冷等靜壓機中進行冷等靜壓，得到坯體；所述預(yù)壓成型的壓力為lOMPa，保壓時間為15s，所述冷等靜壓的壓力為250MPa，保壓時間為450s ；
[0026]步驟三、將步驟二中所述坯體置于氣壓燒結(jié)爐中，在真空條件下對所述氣壓燒結(jié)爐進行升溫，待爐內(nèi)溫度升至1100°C時向氣壓燒結(jié)爐內(nèi)通入氮氣調(diào)節(jié)爐內(nèi)壓力至0.75MPa，待爐內(nèi)溫度升至1550 °C時調(diào)節(jié)氮氣流量使爐內(nèi)壓力升至7MPa，待爐內(nèi)溫度升至1800°C后保溫燒結(jié)2h，隨爐冷卻，得到塊體陶瓷材料，升溫過程中控制升溫速率為4°C /
mino
[0027]從圖1中可看出，本實施例制備的塊體陶瓷材料由發(fā)育良好、晶粒均勻的長柱狀β-Si3N4晶體相互交錯緊密堆積而成，且斷口粗糙，具有明顯的晶粒拔出現(xiàn)象，說明該塊體陶瓷材料具有良好的韌性。
[0028]從圖2中可看出，本實施例制備的塊體陶瓷材料內(nèi)部存在長條狀的第二相，結(jié)合圖3的分析結(jié)果可知該第二相為Fe3Si, Fe3Si被大量的長柱狀β -Si3N4晶體所包裹限制了Fe3Si的揮發(fā)從而能夠提高塊體陶瓷材料的使用溫度，此外，長條狀的第二相Fe3Si在一定程度上降低了 PSi3N4晶粒的生長速率，抑制了 PSi3N4晶粒的異常長大，使PSi3N4晶粒細小均勻，有利于提高塊體陶瓷材料的機械性能。
[0029]本實施例制備的塊體陶瓷材料的體積密度為3.96g/cm3，氣孔率為0.5%，抗彎強度為489MPa，斷裂韌性為4.9MPa.m1/2，較高的致密度有利于提高其耐高溫性能，且本實施例制備的塊體陶瓷材料具有良好的機械性能，可進一步作為結(jié)構(gòu)件陶瓷用以制備高溫窯爐的窯具或者其他耐火材料。
[0030]實施例2
[0031]本實施例包括以下步驟:
[0032]步驟一、采用濕法球磨的方法將以下按質(zhì)量百分比計的原料置于球磨機中球磨混合均勻:氮化硅鐵粉末95 %，氧化鑭粉末2 %，氧化釔粉末I %，氧化鋁粉末2 % ;球磨后將混合均勻的物料烘干，得到混合粉末；所述濕法球磨的球磨介質(zhì)為無水乙醇，濕法球磨的球料比為2:1，所述球磨機的轉(zhuǎn)速為150r/min，所述無水乙醇的質(zhì)量為氮化娃鐵粉末、氧化鑭粉末、氧化釔粉末和氧化鋁粉末質(zhì)量總和的2倍；所述氮化硅鐵粉末的平均粒度為0.4 μ m，氧化鑭粉末的平均粒度為3 μ m，氧化釔粉末的平均粒度為2 μ m，氧化鋁粉末的平均粒度為0.7 μ m ；
[0033]步驟二、將步驟一中所述混