一种铁精矿金属陶瓷及其制备方法与流程

本发明涉及一种金属陶瓷的生产方法，具体涉及一种利用铁精矿加工的金属陶瓷及其制备方法。
背景技术：
：金属陶瓷是一种由金属或合金同一种或几种陶瓷所组成的复合材料，一般陶瓷约占15％-85％的体积。金属陶瓷材料既保持了陶瓷的高强度、高硬度、耐磨损、耐高温、抗氧化等特性，又具有金属的高韧性。因此，金属陶瓷兼具了陶瓷和金属的各种性能，所以金属陶瓷是一种非常重要的复合材料，已成为复合材料研发者的研究热点。目前，金属陶瓷材料的研究主要集中在tic、wc等碳化物以及al2o3等氧化物基体中，而金属相则一般采用co、w、mo、ni、fe等元素。传统工艺一般采用精细的化工粉末为原料，虽然性能良好，但制备工艺复杂，且价格昂贵，限制了金属陶瓷的广泛应用。利用铁精矿中含有约40％-65％的铁氧化物，以及少量的sio2、cao以及mgo，通过碳热还原后铁氧化物全部变为金属铁，而sio2、cao以及mgo则作为烧结助剂，促进材料的致密化。铝矾土则含有60％-90％以上的氧化铝，一般作为提取工业氧化铝的原料，但提取过程中会产生大量的固体废弃物赤泥，将其作为制备高附加值金属陶瓷的原料，不仅减少了固体废弃物的排放，而且显著增加经济效益。因此，利用铁精矿及铝矾土制备金属陶瓷，即可以扩展铁精矿等矿物高值化利用的道路，又可以提供一种高性能低成本金属陶瓷材料。利用铁精矿及铝矾土直接制备金属陶瓷的技术目前还属空白。利用铁精矿、铝土矿等天然矿物制备金属陶瓷复合材料，其工艺难点在于：天然矿物的化学成分存在一定的波动，所制定的工艺路线必须具有较广的原料适应性；另一方面，天然矿物中化学成分复杂，本发明采用碳热还原工艺，必须严格控制烧结过程中还原剂与其他物质的化学反应。技术实现要素：本发明的目的在于解决现有技术存在的问题，提供一种利用铁精矿加工的金属陶瓷及其制备方法，该方法以铁精矿、铝矾土、氧化铝、还原剂为主要原料，通过混料、成型、烧结制备得到金属陶瓷。本发明的目的通过下述技术方案实现：一种铁精矿金属陶瓷，其利用铁精矿、铝矾土、氧化铝以及还原剂制备得到，包含如下按质量百分比计的原料：铁精矿30-60％、铝矾土15-30％、氧化铝10-30％，还原剂10-30％。所述的铁精矿为含铁的原矿或者经过磁选工艺的含铁矿物，优选为含硫的铁精矿。进一步的，所述的铁精矿为含硫、mno2的铁精矿；更进一步地，硫含量为2-3wt％，mno2含量1-2wt％。所述的铝矾土的氧化铝含量为60％～90％。所述的还原剂优选为活性炭、石墨和铝粉中的一种或多种的混合物。所述的铁精矿金属陶瓷的制备方法，包括如下步骤：(1)称取按质量百分比计的原料：铁精矿30-60％、铝矾土15-30％、氧化铝10-30％、还原剂10-30％；(2)通过湿法球磨使原料充分混匀，浆料进一步干燥后得到粉体；(3)将粉体压制成型后置于烧结炉中烧结，或将粉体直接置于烧结炉中成型、烧结，得到铁精矿金属陶瓷。步骤(2)中，球磨介质优选为无水乙醇或丙酮，球磨时间优选为0.5-4h。步骤(3)中，所述的成型的压力优选为30～200mpa；所述的烧结炉包括常压烧结炉、热压烧结炉、微波烧结炉、等离子放电烧结炉等。其中，烧结温度为950℃～1450℃，保温时间为30分钟～180分钟。与现有技术相比，本发明的有益效果为：(1)在铁精矿和铝矾土中添加一定量还原剂，通过烧结法制备金属陶瓷，可大大降低该类材料的制备成本。(2)铁精矿中的铁氧化物高温下被还原剂还原为金属铁，在氧化铝的基体中均匀分布。(3)通过利用铁精矿制备金属陶瓷，可提供铁精矿综合利用新途径，本发明将矿物直接制备成材料，显著降低能源消耗和固体废弃物的排放。附图说明图1是本发明铁精矿金属陶瓷的制备工艺流程图。图2是实施例制备的铁精矿金属陶瓷xrd图谱。图中a1-a5分别对应实施例1-5的样品xrd图谱，图中显示，样品主要含有氧化铝相、金属铁相。图3是实施例制备的铁精矿金属陶瓷sem图。图中(a)-(e)分别对应实施例1-5的样品。从图中可以看出样品整体致密性好，气孔率极低，图中白色圆形颗粒为金属铁相，均匀分布于氧化铝基体中。并且在金属相与氧化铝之间有第二相析出物的存在，这是由于利用了含硫的白云鄂博铁精矿，s元素在高温烧结是溶于金属中，而在金属相凝固时在金属与陶瓷的相界上析出。对比图3(a)及图3(e)，二者除铁精矿中硫及锰元素含量不同以外，其他原料及工艺条件均相同，图中可以看到，实施例5样品的金属颗粒周围析出更多的mns第二相，这是实施例5样品力学性能最佳的主要原因。图4是实施例1样品裂纹拓展路径图，其中图(a)为裂纹拓展示意图，图(b)为图(a)中黑色框的放大图，图(c)-图(f)为图(b)的能谱图，分别对应元素为铁、硫、锰以及铝。裂纹由金属相下方沿金属相与氧化铝的晶界由右向左延伸，当裂纹遇到mns后，裂纹未向前继续延伸，而是向下偏转，穿过氧化铝晶体断裂。断裂方式主要是晶界断裂和穿晶断裂为主。因此，金属相周围析出mns可改善金属相与陶瓷相之间的界面结合，对于材料力学性能的提升有较大作用。具体实施方式本发明铁精矿金属陶瓷的制备工艺流程可以如图1所示。下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。实施例11、原料：称取铁精矿40g、铝矾土25g、氧化铝20g、活性炭15g，总质量为100g。原料铁精矿、氧化铝以及铝矾土的化学成分见表1。其中，所用铁精矿为含硫的白云鄂博铁精矿，下述实施例2-5中的铁精矿也均为含硫的白云鄂博铁精矿。表1实施例1所用铁精矿、氧化铝以及铝矾土的化学组成(wt％)2、制备方法：将称好的原料置于行星球磨机(qm-3sp2)湿磨4h，球料比4:1，球磨介质为无水乙醇，转速300rpm，得到的浆料置于90℃恒温干燥箱(wgl-45b)干燥24h。干燥得到的粉体置于压片机(dy-20)中压制成型，压力为30mpa，成型后的样品(圆柱形)直径为40mm、厚度约为4.5mm。将样品置于管式气氛炉(skl16byl)内进行烧制，烧结温度1400℃，保温时间180min，保护气为氩气，升温速率为5℃/min，氩气流速为2l/min，烧制结束后，随炉冷却至室温后取出样品。实施例21、原料：称取铁精矿48g、铝矾土22g、氧化铝12g、石墨粉18g，总质量为100g。原料铁精矿、氧化铝以及铝矾土的化学成分见表2。表2实施例2所用铁精矿、氧化铝以及铝矾土的化学组成(wt％)2、制备方法：将称好的原料置于行星球磨机(qm-3sp2)湿磨4h，球料比4:1，球磨介质为丙酮，转速300rpm，得到的浆料置于90℃恒温干燥箱(wgl-45b)干燥24h。得到的粉体利用等静压压力机(djyp-40t)压制成型，压力为150mpa，成型后的样品直径为40mm、厚度约为4mm。将样品置于管式气氛炉(skl16byl)内烧结，烧结温度1450℃，保温时间150min，保护气为氮气，升温速率为5℃/min，氮气流速为2l/min，烧制结束后，随炉冷却至室温后取出样品。实施例31、原料：称取铁精矿35g、铝矾土30g、氧化铝25g、铝粉10g，总质量为100g。原料铁精矿、氧化铝以及铝矾土的化学成分见表3。表3实施例3所用铁精矿、氧化铝以及铝矾土的化学组成(wt％)2、制备方法：将称好的原料置于行星球磨机(qm-3sp2)湿磨4h，球料比4:1，球磨介质为无水乙醇，转速300rpm，得到的浆料置于90℃恒温干燥箱(wgl-45b)干燥24h。得到的粉体置于热压烧结炉(zt-50-21y)烧结，压力为30mpa，烧结制度为：抽真空至10pa以下，升温至1100℃，升温速率为5℃/min，保温1小时；继续升温至1350℃，升温速度4℃/min，并缓慢增加压力至30mpa，保温保压30min，烧制结束后，随炉冷却至室温后取出样品。实施例41、原料：称取铁精矿60g、铝矾土10g、氧化铝18g、铝粉22g，总质量为100g。原料铁精矿、氧化铝以及铝矾土的化学成分见表4。表4实施例4所用铁精矿、氧化铝以及铝矾土的化学组成(wt％)2、制备方法：将称好的原料置于行星球磨机(qm-3sp2)湿磨4h，球料比4:1，球磨介质为无水乙醇，转速300rpm，得到的浆料置于90℃恒温干燥箱(wgl-45b)干燥24h。得到的粉体置于压片机(dy-20)中压制成型，压力为35mpa，成型后的样品直径为40mm、厚度约为4.3mm。样品置于微波烧结炉(hy-mf3016)内烧结，微波介质为石墨粉，微波频率为2.45ghz。烧结制度为：升温至950℃，保温20min后，烧制结束后，随炉冷却至室温后取出样品。实施例5为对比硫铁矿对金属陶瓷的影响，本实施例与实施例1的工艺条件均相同，但采用含硫元素及锰元素更高的铁精矿。1、原料：称取铁精矿40g、铝矾土25g、氧化铝20g、活性炭15g，总质量为100g。原料铁精矿、氧化铝以及铝矾土的化学成分见表1。表5实施例5所用铁精矿、氧化铝以及铝矾土的化学组成(wt％)2、制备方法：将称好的原料置于行星球磨机(qm-3sp2)湿磨4h，球料比4:1，球磨介质为无水乙醇，转速300rpm，得到的浆料置于90℃恒温干燥箱(wgl-45b)干燥24h。干燥得到的粉体置于压片机(dy-20)中压制成型，压力为30mpa，成型后的样品(圆柱形)直径为40mm、厚度约为4.5mm。将样品置于管式气氛炉(skl16byl)内进行烧制，烧结温度1400℃，保温时间180min，保护气为氩气，升温速率为5℃/min，氩气流速为2l/min，烧制结束后，随炉冷却至室温后取出样品。上述实施例1-5所得铁精矿金属陶瓷样品的xrd图谱、sem见图2和3，铁精矿金属陶瓷的裂纹拓展路径图见图4。对铁精矿金属陶瓷样品的性能碱性检测，检测标准如下：密度按照gb/t9966.3-2001进行测试；抗折强度按照gb/t6569-2006进行测试；硬度按照gb/t16534-2009进行测试；耐酸性(20％h2so4)及耐碱性(20％naoh)按照jc/t258-93进行测试。检测结果见表5。表5各实施例铁制备的铁精矿金属陶瓷样品综合性能样品密度/g·cm-3抗折强度/mpa硬度/gpa耐碱性/％耐酸性/％实施例14.1430113.1298.6693.40实施例24.1827012.7898.4592.89实施例33.9928312.6798.3193.14实施例44.0629112.9898.4793.22实施例54.1933513.2498.6993.49以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非本发明的具体限定，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12