[发明专利]原位形成β-Sialon结合刚玉预制件及制备方法

说明书

 

技术领域

本发明属于无机非金属材料技术领域，具体是一种以刚玉颗粒和细粉、氧化铝微粉、二氧化硅微粉、单质硅粉、铝粉为主要原料，采用加水振动成型，通过高温氮化工艺制备β-Sialon结合刚玉预制件及其方法。

背景技术

刚玉基浇注料在高温冶金方面得到广泛应用，随着冶金技术的进步，冶炼温度不断提高，冶炼容器的容积逐渐大型化，对耐火材料提出了更高的要求，而刚玉基浇注料较差的抗热震性能则限制了其使用寿命的进一步提高。

氧化物-非氧化物复合材料具有优异的热学性能、高温力学性能、热机械性能以及抗化学侵蚀性能而倍受关注。20世纪80年代法国推出了用于高炉陶瓷杯的β-Sialon结合刚玉复合材料。此后，国内不少研究者对该材料进行了研究。但目前β-Sialon结合刚玉复合材料是以硅粉（或硅粉、铝粉）、Al₂O₃微粉、电熔白刚玉颗粒与细粉，采用机压成型氮气气氛下反应烧结于1450-1600℃制备该材料。采用浇注成型由于Al容易水化，限制了其在浇注料中的应用，而不添加Al粉形成的Sialon为β-Sialon和O’-Sialon的复相，其高温性能比单相β-Sialon要差。

文章名为“浇注成型Sialon结合刚玉质透气砖的研制”的文献（耐火材料，2004, 38(6)：407-409，413）提供了一种Sialon结合刚玉透气砖的制备方法，其主要原料为以刚玉为骨料，Al₂O₃微粉、Si粉为主要基质组分，用振动浇注成型、1450℃氮化制备了Sialon结合刚玉材料。其在氮化烧结过程中加入烧结助剂，降低了材料的高温性能，其主晶相为氧化铝、β-Sialon和Si₂N₂O，未添加Al粉。 

文章名为“原位氮化生成Sialon结合刚玉浇注料的性能”的文献（北京科技大学学报，2010,32（2）：234-238）以板状刚玉为颗粒，电熔白刚玉细粉、水合氧化铝、Si粉、氧化铝微粉为基质，通过原位氮化反应制备了Sialon结合刚玉浇注料，其主晶相为β-Sialon、O’-Sialon和刚玉。其Sialon相为β-Sialon和O’-Sialon，未添加Al粉。 

文章名为“β-SiAlON对超低水泥刚玉基浇注料性能的影响”的文献（耐火材料，2005，39（1）：41-43）以电熔刚玉为颗粒和电熔刚玉细粉、Al₂O₃微粉、预合成好的β-Sialon粉为基质采用浇注成型在埋碳条件下制备了β-Sialon/刚玉材料。其采用两步反应工艺，先合成β-Sialon粉体，再将它与刚玉复合，制备材料的高温强度较低。

目前尚没有检索到与本技术完全相同的关于添加表面处理后的Al粉的原位形成β-Sialon复合刚玉质预制件制备方法方面的文献与公开发明专利（金属Al粉表面处理方法见文献“Improving hydration resistance of Al powder for carbon containing castables using inorganic–organic hybrid coatings. Advances in Applied Ceramics，2005，104（2）2：79-82”）。

 

发明内容

本发明的目的是提供一种以β-Sialon的通式Si_6-zAl_zO_zN_8-z中的z值作为设计Sialon的主要参数，以单质硅粉、刚玉颗粒及细粉为原料，以水合氧化铝和活性氧化铝微粉、二氧化硅微粉为结合剂，添加采用溶胶-凝胶工艺处理后的金属铝粉，加水振动浇注成型，经脱模养护和干燥后，在氮气气氛下采用反应烧结工艺，制备出成本低、性能优良的β-Sialon结合刚玉质预制件。

本发明的原位形成β-Sialon结合刚玉预制件包括重量份数为70-80份刚玉颗粒及细粉、3-12份的氧化铝微粉、0-5份的二氧化硅微粉、0.5-5份的水合氧化铝、3-15份的单质硅粉、0.3-2份表面处理后的金属铝粉，以及上述原料重量百分比之和的0.05-0.30份作为分散剂的有机减水剂。

本发明中所述作为分散剂的有机减水剂为聚乙二醇类、聚羧基醚酯类或聚丙烯酸类中的任意一种。