-SiC复相耐磨陶瓷材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种利用工业固体废弃物铝灰、菱镁矿和碳化硅制备Sialon-MgAl2O4-SiC复相耐磨陶瓷材料，属耐磨材料技术领域。
【背景技术】
[0002]一直以来，对耐冲蚀磨材料的研宄引起国内外学者的广泛重视，并开展了深入细致的研宄工作。从耐磨冲蚀材料的发展阶段来看，经历了从普通白口铸铁和锰钢一镍硬铸铁一高铬白口铸铁一贝氏体球铸铁等发展过程。但是，这些金属及合金材料在液一固两相流冲蚀磨损以及一些特殊腐蚀协同作用条件下，由于其抗冲蚀磨损性和耐化学腐蚀性差，也不能很好地满足实际生产要求。如采矿选矿工艺中的过流件和刮板、工业用渣浆泵、黄河河道疏浚、各种经受冲蚀耐腐蚀的泵体和过流件等遭受到冲蚀磨损以及腐蚀的协同作用加速了构件的失效过程。
[0003]与工业上常用的金属及硬质合金耐磨材料相比，先进陶瓷材料(氧化铝、氧化锆、氧化铝和氧化锆复合材料、氮化硅、碳化硅陶瓷等)具有高的强度、硬度、耐高温和耐腐蚀等优异性能，在耐磨零部件上使用已经表现出优异的抗冲蚀磨损性能。例如:美国Reed公司研制的泥浆泵陶瓷缸套其使用寿命达到2500h (目前高铬合金白口铸铁钻井泥浆泵缸套使用寿命仅为200?600h)，但价格非常昂贵。目前，国内少数院校如浙江大学、西安交通大学、天津大学、北京科技大学等单位也开展了相关耐磨陶瓷的研宄。由于氧化铝陶瓷和氧化锆陶瓷的导热系数较低，它们存在一个突出的技术问题是在特殊工况条件下其制品局部温度升高容易形成热应力，导致陶瓷容易开裂，影响正常的使用，而且氧化铝陶瓷和氧化锆陶瓷生产成本较高，烧结时容易变形，成品率低等问题构成了较高的价格，限制了其大规模的生产和推广应用。氮化硅属共价键结合的化合物，尽管热压、热等静压等方法制备的氮化硅陶瓷烧结性能良好，但其设备投资大，产品尺寸受到限制、产量低导致其生产成本较高而限制其大规模应用。碳化硅具有强的共价键，其晶界能与表面能之比很高，不易获得足够的能量形成晶界，因此碳化硅很难烧结。另外，烧结时的扩散速度很低，其表面常形成Si02膜，这层氧化膜也起扩散势皇的作用进一步影响其烧结性能。研宄表明随SiC颗粒的平均尺寸增大，材料的磨损率降低。这是由于当碳化硅颗粒尺寸比磨料颗粒(或冲蚀粒子)的压痕深度大时，碳化硅对磨料的刺入起阻碍作用，因而能够提高耐磨性。因此作为耐磨材料用SiC陶瓷常采用SiC颗粒为原料烧结制备得到，但颗粒与颗粒之间难以烧结。
[0004]随着天然高铝矿物资源的日渐枯竭，在寻找高铝矿物替代物以及降低耐高温耐磨材料成本方面的工作已经开始围绕高铝含量的固体废弃物来研宄开展。铝灰是电解铝或铸造铝生产工艺中产生的熔渣经冷却加工后的固体废弃物。铝渣通常含有50%?70%的金属铝，经过常规的回收处理后，剩余的废铝灰中仍含有15?30%的金属铝，因品位较低一般不再进一步提取铝而废弃。同时铝灰中还存在10?25%的A1203和5?20%的A1N，另外含有较高碱金属(Na、K等)和重金属(Zn、Cu等)化合物，不加利用将会造成资源的浪费，同时也带来环境的污染。实现铝渣的高效回收和铝灰的资源化利用，有效地减少对生态环境造成的影响的意义是重要的。
[0005]镁铝尖晶石具有良好的热震稳定性、耐化学侵蚀性能和耐磨性能使得其广泛应用于耐火材料、耐磨材料、精细陶瓷等各个领域。Al203、Mg0和MgAl2O4三者热膨胀系数(20?1000K之间的平均热膨胀系数/0C ^1)分别为8.8X 10'13.5X 10_6、7.6X 10_6，相比之下，MgO的抗热震性能不及Al2O3, Al2O3的抗渣碱侵蚀性能劣于MgO，MgAl 204热膨胀系数最小，因此热震稳定性更佳。在合成镁铝尖晶石时，会伴有5%?8%的体积膨胀，能够在材料中产生压应力起到增强增韧的作用。Sialon和MgAl2O4相复合作为SiC的结合相，能够结合两者的优点，制备出性能优良的新型复合Sialon-MgAl2O4结合SiC耐磨陶瓷材料。
【发明内容】
[0006]本发明要解决的技术问题是目前作为耐磨材料用金属及合金材料由于原材料昂贵以及特殊条件下抗冲蚀磨损性能差以及先进耐磨陶瓷材料烧结困难、生产成本高等突出的问题，为此提供一种用工业上容易获得的高铝工业固体废弃物铝灰、菱镁矿和SiC等原料通过组分设计的控制和铝热还原氮化反应烧结制备低成本高性能新型Sialon-MgAl2O4-SiC复相耐磨陶瓷材料。
[0007]本发明的技术方案是:一种Sialon-MgAl2O4-SiC复相耐磨陶瓷材料，其特征在于它包括铝灰、菱镁矿、SiC、天然石英粉和结合剂，所述结合剂为纸浆干粉、工业糊精或聚乙烯醇溶液其中的至少一种。
[0008]可选的，上述方案中所述铝灰是电解产生的铝灰或熔铸产生的铝灰，所述铝灰的化学组成按质量比计为:A1203 5% ?40%，A1N0% ?20%，Al 10% ?40%，MgO 5% ?20%，S125%?35%，Fe2O3彡4.0%，Na 20 ( 3.0%，所述铝灰占总配料质量分数的15?30% ;所述菱镁矿占总配料质量分数的5?30% ;所述天然石英粉占总配料质量分数的O?20% ；SiC为绿碳化硅或黑碳化硅，占总配料质量分数的40?70%，所述结合剂占总配料质量分数的3%?10%。
[0009]可选的，上述方案中所述菱镁矿中MgCOj^质量含量大于90%。
[0010]可选的，上述方案中SiC的颗粒级配比为:3?Imm的大颗粒30?50%，I?Omm的中颗粒10?40%，O?0.15mm的小颗粒10?30%，小于0.074mm的细粉O?15% ;所述颗粒级配比为占SiC总加入量的质量分数。
[0011]可选的，上述方案中结合剂选自浓度30%的工业糊精、浓度30%的木质素磺酸钙溶液以及浓度10%的聚乙烯醇溶液中的至少一种。
[0012]Sialon-MgAl2O4-SiC复相耐磨陶瓷材料的制备方法，首先用磨细设备把菱镁矿和铝灰进行磨细预处理，使其粒度< 0.074mm，再按质量比5?30:15?30:40?70的比例将菱镁矿、铝灰和天然石英粉进行充分的球磨混合形成混合细粉，将混合细粉和SiC进行配料，通过搅拌机搅拌混合均匀，加入占坯体总质量3%?10%的结合剂压成坯体，将坯体经过10MPa?300MPa冷等静压处理，然后将坯体在50°C干燥4h，100°C下干燥4h，将坯体置于高温氮气炉内于流动氮气保护下先于1100?1200°C保温I?3h，再于1350?1450°C保温I?5h，其次于1550°C?1750°C保温2?1h进行烧结，最后在氮气保护下随炉自然冷却到室温即可得到该Sialon-MgAl2O4-SiC复相耐磨陶瓷材料。
[0013]可选的，上述方案中高温氮气炉的升温制度为:从室温到1000°C时，升温速率为5?8°C /min ; 1000°C以上时，升温速率2?5°C /min。
[0014]—种Sialon-MgAl2O4-SiC复相耐磨陶瓷材料的制备工艺流程为:
原料一原料预处理(破碎磨细过筛)一初次配料一干法球磨一加入SiC 二次配料一搅拌混合一加入结合剂制成还体一等静压处理一干燥一氮化反应烧结一加工一使用
本发明的有益效果是制备的Sialon-MgAl2O4-SiC复相耐磨陶瓷材料不仅能够有效降低耐磨陶瓷的成本，而且可为高铝工业固体废弃物铝灰的零排放资源化利用和菱镁矿的高效利用提供重要的技术途径，制备的复相耐磨陶瓷材料使用性能优良。该体系形成的Sialon和MgAl2O4结合相解决了 SiC难以烧结的问题，同时可以降低SiC的烧结温度。SiC表面的二氧化硅氧化膜能够被铝灰中的金属铝还原氮化形成Si3N4/Sialon，可以进一步强化SiC颗粒与颗粒以及SiC颗粒与基体的结合。该体系形成的Sialon-MgAl2O4结合SiC材料具有优良的冲蚀磨损性能。本发明能够为高性能耐磨陶瓷复相材料低成本化技术的起到推动作用，可广泛应用于水泥、电力、矿山等工业中用作耐磨球、耐磨管道、喷嘴、磨环成套、叶轮等耐磨件的材料。
【具体实施方式】
[0015]下面结合实施例对本发明做进一步说明。
[0016]本发明采用的原料配方和配比分别为:铝灰(可以是电解产生的铝灰也可以是熔铸产生铝灰，其化学组成(w):A1203 5% ?20%，A1N0% ?10%，Al 10% ?20%，MgO 5% ?15%，S12 5%?15%，Fe2O3彡4.0%，Na 20 ( 3.0%)占总配料质量分数的15?30% ;菱镁矿(MgCO3含量一般要求大于90%)占总配料质量分数的10?30% ;天然石英粉(SiCV#量一般要大于88%，颗粒大小为< 0.074mm)占总配料质量分数的O?20% ；SiC (可以是绿碳化硅也可以是黑碳化硅)颗粒和细粉占总配料质量分数的40?70%，其颗粒级配为(占SiC总加入量的质量分数):3?Imm的大颗粒30?50%，I?Omm的中颗粒10?40%，0?0.15mm的小颗粒10?30%，小于0.074mm的细粉O?15% ;结合剂可采用浓度为30%左右工业糊精、浓度为30 %左右的木质素磺酸钙溶液或浓度为10 %左右的聚乙烯醇溶液其中一种，也可以是其中两种的结合作为结合剂，或者是浓度为30%左右工业糊精、浓度为30%左右的木质素磺酸钙溶液和浓度为10