专利名称：矾土基O'－Sialon的制备方法
所属领域本发明陶瓷制品的无机化合物的加工粉末制造技术领域，具体涉及到一种用反应烧结获得的以铝氧氮化硅为基料合成O′-Sialon的制备方法。
背景技术：
Sialon是指Si3N4中的Si原子和N原子部分地被Al或(Al+M)(M为金属离子，如Mg，Lg，Y，稀土等)及O原子置换所形成的一大类固溶体的总称，包括有β-Sialon、O′-Sialon、α-Sialon、AIN多型体、X相等。β-Sialon与熔融金属有着非常好的相容性、不易被侵蚀，在各种单相Sialon中具有最高的室温断裂韧性。α-Sialon是以α-Si3N4为基的固溶体，它具有较高的硬度。O′-Sialon是Si2N2O与Al2O3的固溶体，其抗氧化性能较好。Sialon材料的综合性能较好，具有比单相氧化物材料(Al2O3等)优越得多的抗热震性，比单相非氧化物(如Si3N4、SiC等)高得多的抗氧化性。这些特性使Sialon材料更适宜于在冶金、化工等高温、腐蚀性环境下使用，同时也可以利用他的高强度、高硬度等特点作为刀具或轴承应用。几十年来，关于Sialon材料方面的研究非常多，而其实际应用依然受到限制，这是由于目前合成Sialon粉的各种工艺，要么工艺复杂、要求高温(1700℃左右)，成本高昂，要么合成产物中杂质相较多、杂质量较大、难以控制等。
公开号为CN1270153A的中国发明专利申请中提供了一种Sialon结合SiC粉的制备方法，其主要利用河砂为原料，合成产物相中存在着大量的SiC，同时合成材料中低熔点物质，如K2O(2.9％)、Na2O(3.5％)含量高，不适宜在高温工业领域中应用。
公开号为CN1168872A的中国发明专利申请中提供了一种Sialon粉的制备方法，其特点是利用高温自蔓延工艺，该工艺设备复杂、要求条件高，成本较高，难以实现大规模生产。
公开号为CN1349956A的中国发明专利申请中提供了一种低成本合成Sialon陶瓷粉料的方法，采用的原料为冶金炉渣、或粉煤灰，合成的产物是α-Sialon。
公开号为CN1363535A的中国发明专利申请中提供了一种合成赛隆复相材料的方法，采用的原料为粉煤灰和煤矸石，合成的产物除β-Sialon外，还有大量的X-Sialon和SiC。
目前尚没有检索到关于O′-Sialon制备方法方面的公开发明专利。
中国拥有丰富的高铝矾土原料资源。但是由于原料质量不够稳定，成分不够均匀，品种单一，不仅无法满足特种耐火材料的需求，国际市场上的销售价格也远低于圭亚那、巴西等国家。如果以其(高铝矾土)为原料，加入适当的还原剂，经过适当的工艺，将其转化为O′-Sialon，以满足国内外高温冶炼关键部位的需求，不仅可以大幅度地降低生产成本，减小高温工业用耐火材料的消耗费用，而且还可以极大的提高矾土的附加值，为合理开发中国高铝矾土资源，提高出口创汇，提供良好的条件。
发明内容
本发明的目的是以中国储量丰富的高铝矾土为原料，以O′-Sialon的通式Si2-ZAlZOZ+1N2-Z中的z值作为设计赛隆的主要参数，经过适当的工艺，研制合成工艺简单、成本低、性能高、附加值高的O′-Sialon粉料，使高铝矾土经转型处理后，其价值可以提高10-20倍。
本发明的技术方案为矾土基O′-Sialon的制备方法，以高铝矾土为主要原料，以金属硅粉为还原剂，采用氮化还原制备工艺，其步骤如下a.将重量分数为35-60％的高铝矾土、40-65％的金属硅、0-5％的O′-Sialon晶种混合均匀，加入原料总量1-5％的结合剂，混合均匀成泥料，或机压或挤压成块料；b.将泥料或成型后的块料置于氮化炉中进行氮化，在流动氮气气氛下，以60-300℃/小时的速率升温至790-820℃，保温1小时；以30-100℃/小时的速率继续升温至1050-1150℃，保温2小时；继续升温至1250-1300℃，升温速率为20-100℃/小时，保温3小时；最后升温至1400-1550℃，升温速率为60-300℃/小时，保温4-10小时；c.冷却至100-800℃，关闭氮气，继续冷却至室温后，即得产物。
在上述制备方法中，高铝矾土为生料或轻烧料，其灼减后的Al2O3和SiO2的质量百分比分别为40-70％和30-50％；结合剂为糊精、聚乙烯醇、木质素、羧甲基纤维素、树脂中的一种或几种；机压成型的压力为10-150MPa；挤压成型的压力为1-10MPa。
本发明的优点在于1、本发明制备工艺简单，无需复杂的工艺设备和工艺过程，同时以中国储量极丰富的高铝矾土为原料，大大地降低了O′-Sialon的制造成本。
2、由于O′-Sialon是Si2N2O的固溶体，其固溶度可在一定范围内变化，当原料组份稍有变化时并不影响最终O′-Sialon的获得。因此该工艺对原料的要求较低，适合工业化生产。
3、用本发明合成后的产物物相较纯，O′-Sialon的含量在80％以上，氮含量为20-30Wt％。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明作进一步描述，但不局限于下列实施例。
实施例1以河南省登封市的高铝矾土(成分如表1)、金属硅粉为原料，另加少量O′-Sialon为晶种。
表1河南省登封市的高铝矾土化学组成
将高铝矾土55份、金属硅粉45份、放置于球磨罐中，干混均匀；取出混合粉体，以混料重量2％的糊精为结合剂，加入混合，70MPa机压成块料，80-110℃温度下干燥。
将上述成型块料放入气氛烧结炉，在氮气气氛下，以100℃/小时的速率升温至800℃，保温1小时；再以80℃/小时的速率继续升温至1050℃，保温2小时；继续升温至1250℃，升温速率为30℃/小时，保温3小时；最后升温至1500℃，升温速率为100℃/小时，保温5个小时。
将气氛烧结炉温度降至700℃，关闭氮气，继续降温至室温取出，得到O′-Sialon粉料。
经XRD分析，产物主晶相为O′-Sialon，另有少量β-Sialon、Al2O3。如果以各种物相最强峰的积分面积近似为各物相的含量，O′-Sialon的相对含量可以达到85％。
实施例2使用原料同实施例1。
将矾土45份、金属硅粉54份、O′-Sialon晶种1份混合均匀，以混料重量3％的聚乙烯醇为结合剂，加入混合，100MPa机压成块料，干燥。
将成型后的块料放入气氛烧结炉，在氮气气氛下，以200℃/小时的速率升温至810℃，保温1小时；再以100℃/小时的速率继续升温至1110℃，保温2小时；继续升温至1280℃，升温速率为60℃/小时，保温3小时；最后升温至1550℃，升温速率为180℃/小时，保温4个小时。
将气氛烧结炉温度降至800℃，关闭氮气，继续降温至室温取出，得到O′-Sialon粉料。
所得粉料中产物主晶相为O′-Sialon，次晶相为β-Sialon产物。
实施例3使用原料同实施例1。
将矾土35份、金属硅粉62份、O′-Sialon晶种3份混合均匀、以混料重量4％的树脂为粘结剂，加入混合成泥料，干燥。
将上述泥料放入气氛烧结炉，在氮气气氛下，以260℃/小时的速率升温至820℃，保温1小时；以40℃/小时的速率继续升温至1150℃，保温2小时；继续升温至1300℃，升温速率为90℃/小时，保温3小时；最后升温至1450℃，升温速率为280℃/小时，保温8小时。
将气氛烧结炉温度降至500℃，关闭氮气，继续降温至室温取出，得到O′-Sialon粉料。
所得粉料经XRD分析，产物主晶相为O′-Sialon，次晶相为β-Sialon。
实施例4所用原料和氮化工艺制度同实施例1。
原料矾土50份、金属硅粉45份、O′-Sialon晶种5份；挤压成型的压力为8Mpa；所用结合剂为木质素，用量为原料的5％。
将原料混合均匀、成型、干燥后，阶段升温至1550℃，保温5个小时氮化。所得粉料经XRD分析，产物主晶相为O′-Sialon，另有少量β-Sialon。如果以各种物相最强峰的积分面积近似为各物相的含量，O′-Sialon的相对含量在85％以上。
实施例5使用的原料及配比、氮化工艺制度同实施例1。挤压成型的压力为5Mpa；所用结合剂为羧甲基纤维素，用量为原料的3％。
将原料混合均匀、成型、干燥后，阶段升温至1450℃，保温5个小时氮化。所得粉料经XRD分析，产物主晶相为O′-Sialon，次晶相为β-Sialon。
实施例6使用的原料及配方、氮化工艺制度同实施例1。所用结合剂为木质素，用量为原料的4％。所得粉料经XRD分析，产物主晶相为O′-Sialon，另有少量β-Sialon、Al2O3。
权利要求
1.矾土基O′-Sialon的制备方法，以高铝矾土为主要原料，以金属硅粉为还原剂，采用氮化还原工艺，其特征在于a.将重量分数为35-60％的高铝矾土、40-65％的金属硅、0-5％的O′-Sialon晶种混合均匀，加入原料总量1-5％的结合剂，混合均匀成泥料，或机压或挤压成块料；b.将成型后的块料或未成型的泥料置于氮化炉中进行氮化，在流动氮气气氛下，以60-300℃/小时的速率升温至790-820℃，保温1小时；以30-100℃/小时的速率继续升温至1050-1150℃，保温2小时；继续升温至1250-1300℃，升温速率为20-100℃/小时，保温3小时；最后升温至1400-1550℃，升温速率为60-300℃/小时，保温4-10小时；c.冷却至100-800℃，关闭氮气，继续冷却至室温后，即得产物。
2.依照权利要求1所述的矾土基O′-Sialon的制备方法，其特征在于所说高铝矾土为生料或轻烧料，其灼减后的Al2O3质量百分比为40-70％，SiO2质量百分比30-50％；
3.依照权利要求1所述的矾土基O′-Sialon的制备方法，其特征在于所说的结合剂为糊精、聚乙烯醇、木质素、羧甲基纤维素、树脂中的一种或几种。
4.依照权利要求1所述的矾土基O′-Sialon的制备方法，其特征在于机压成型的压力为10-150MPa。
5.依照权利要求1所述的矾土基O′-Sialon的制备方法，其特征在于挤压成型的压力为1-10MPa。
全文摘要
本发明提供了一种矾土基O′－Sialon的制备方法。该方法以我国储量丰富的高铝矾土为原料，以金属硅粉为还原剂，加入结合剂，采用氮化还原工艺制备出矾土基O′－Sialon。本发明方法简单，条件易控制，所得产物物相较纯。用本发明制备的粉料性能优良，包括转化率高、无碳、机械性能及耐火性能高，可在冶金、机械、陶瓷等工业领域广泛使用。本发明可以大幅度提高高铝矾土的产品附加值与利用率，降低了传统Sialon的制备成本。
文档编号C04B35/597GK1623956SQ20041006021
公开日2005年6月8日 申请日期2004年11月5日 优先权日2004年11月5日
发明者钟香崇, 张海军, 叶方保 申请人:郑州大学