一种铁酸钙/钛酸钙扩散偶的制备方法

摘要

本发明属于材料研究方法技术领域，尤其涉及一种铁酸钙/钛酸钙扩散偶的制备方法。该方法包括如下步骤：S1、将三氧化二铁粉体与氧化钙粉体混合，压片、烧结得到铁酸钙片体；S2、将铁酸钙片体与钛酸钙粉体混合，压片，得到铁酸钙与钛酸钙双层片体；S3、将铁酸钙与钛酸钙双层片体进行烧结，制备出铁酸钙/钛酸钙扩散偶。该方法的制备工艺简单、经济，且制备出的铁酸钙/钛酸钙扩散偶扩散宽度较窄，对后续实验结果影响较小。

说明书

技术领域

本发明属于材料研究方法技术领域，尤其涉及一种铁酸钙/钛酸钙扩散偶的制备方法。

背景技术

钢铁是经济发展与社会建设的重要物质基础，随着钢铁企业的经济下滑，国内钢铁企业不得不开始使用自产的低品位钒钛磁铁矿矿石。过去由于技术、经济方面的原因，此种矿石曾被认为是“死矿”。近年来，由于科学技术的进步和钒钛磁铁矿冶炼研究工作的开展，使得钒钛磁铁矿具有了相当大的工业生产规模。对于这部分钒钛矿资源，目前的主要利用途径仍是高炉炼铁工艺。

高炉法的基本流程如下：原矿经选矿后，获得以钛磁铁矿为主的钒钛磁铁精矿，经烧结或球团造块后送高炉冶炼。分析可知，与普通烧结矿相比，钒钛磁铁烧结矿最突出的特点是存在大量钙钛矿。由于钙钛矿自身脆性很高，这种连晶效果在外力作用下很容易断裂，会很大程度影响烧结矿粘结强度，使得烧结矿强度变差。烧结时产生的铁酸钙，是熔剂性烧结矿的粘结相，由于它熔点较低，所以析出晚，可同其它低熔点硅酸盐起粘结相的作用，对普通熔剂性(特别是高碱度)烧结矿，它的存在常常是改善烧结矿性能的重要因素，很大程度上决定着烧结矿的强度和还原性。

前人所做研究均集中得出钛酸钙不利于钒钛烧结矿强度、铁酸钙有利于烧结矿强度，但他们的研究大多将着眼点分别放在这两者各自性质特点对于烧结矿强度的影响上。

目前，铁酸钙与钛酸钙各自的化学反应的物理化学特性未知，对于这样的化学反应，扩散偶方法是研究此类问题的高效方法，前人的研究中很少有人制备过铁酸钙/钛酸钙扩散偶用以探究两者的反应。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对现有存在的技术问题，本发明提供一种铁酸钙/钛酸钙扩散偶的制备方法，所制备的铁酸钙/钛酸钙扩散偶用以探究两者的反应，该方法的制备工艺简单、经济，且制备出的铁酸钙/钛酸钙扩散偶成分均匀，致密度高。

(二)技术方案

本发明提供一种铁酸钙/钛酸钙扩散偶的制备方法，包括如下步骤：

S1、将三氧化二铁(Fe₂O₃)粉体与氧化钙(CaO)粉体混合，压片、烧结得到铁酸钙片体；

S2、将铁酸钙片体与钛酸钙粉体混合，压片，得到铁酸钙与钛酸钙双层片体；

S3、将铁酸钙与钛酸钙双层片体进行烧结，制备出铁酸钙/钛酸钙扩散偶。

进一步地，在所述步骤S1和S2之间，对铁酸钙片体进行除杂处理，所述除杂处理包括将铁酸钙片体研磨成粉末，后与酸性溶液混合，抽滤并保留滤饼，烘干，得到铁酸钙粉体，然后再次压片。

进一步地，在所述步骤S1中，三氧化二铁粉体与氧化钙粉体的物质的量之比为1:1.1～1:1.5。

进一步地，在所述步骤S1中，压片过程中的压力为10MPa～12MPa。

进一步地，在所述步骤S1中，压片的时间为5min～7min。

进一步地，在所述步骤S1中，烧结的温度为1080℃～1120℃。

进一步地，在所述步骤S1中，烧结的时间为8h～10h。

进一步地，在所述步骤S3中，烧结的温度为980℃～1020℃。

进一步地，在所述步骤S3中，烧结的时间为2h～3h。

本发明还提供一种采用任一上述方案的制备方法制备的铁酸钙/钛酸钙扩散偶。

(三)有益效果

1、本发明提供的方法中，主要是通过片粉合压，实现两扩散组元的有效粘结，界面平整，扩散混合过渡区域窄，后续烧结过程不易分层，制作工艺简单经济。

2、本发明制备的酸钙/钛酸钙扩散偶，成分均匀，致密度高,扩散宽度较窄，对后续实验结果影响较小。

附图说明

图1为本发明实施例1中利用Fe₂O₃和CaO粉末烧制后的铁酸钙片体；

图2为本发明实施例1中铁酸钙片体的XRD图；

图3为本发明实施例1中压制的铁酸钙与钛酸钙双层片体；

图4为本发明实施例1中烧制完成且经过研磨抛光的铁酸钙/钛酸钙扩散偶；

图5为本发明实施例1中铁酸钙/钛酸钙扩散偶经过抛光后的EPMA图像；

图6为本发明实施例1中铁酸钙/钛酸钙扩散偶经过抛光后的线扫描示意图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

实施例1

S1、将Fe₂O₃粉体与CaO粉体按物质的量之比为1：1.3混合装在一个圆柱形密闭塑料圆筒内，将圆筒装入混料机中混料5小时，使两种粉体混合均匀。混料结束后将混合粉体置于研钵中，搅拌研磨均匀，然后用药匙将混合粉体装入内口径为30mm的不锈钢模具中，用压片机将混合粉体压制成固结片体，压力为10MPa，施压时间5min。将所得片体盛放在刚玉器皿上，装入马弗炉，以10℃/min的升温速度升温至1100℃，保温8h，然后空冷至室温，得到如图1所示的铁酸钙片体(样品)，由图1可知，Fe₂O₃和CaO已经形成一个整体，到达了铁酸钙形成的反应温度。图2为将图1中铁酸钙片体研磨后经过XRD检测得到的衍射峰示意图。由图2可知，本实施例所合成的铁酸钙的衍射峰与标准卡片00-0080100的标准衍射峰符合情况良好，而且无杂峰出现，说明合成的铁酸钙较纯，接下来的操作中数据比较可靠。

S2、将铁酸钙片体置于研钵中敲碎、研磨得到铁酸钙粉体，将铁酸钙粉体与稀盐酸混合并置于50℃的恒温水浴中，进行适当强度的电磁搅拌，后抽滤并保留滤饼，除去多余的CaO，将滤饼置于100℃恒温烘箱中烘干烘干，得到铁酸钙粉体。

其中，稀盐酸是将12mol/L的浓盐酸与去离子水以1：24的体积比稀释获得。

称量5g的铁酸钙粉体置于内口径为30mm不锈钢模具中，用压片机施加10MPa压力，加压时间5min，得到除杂后的铁酸钙片体；将相同质量的钛酸钙粉末置于研钵中，在不把除杂后的铁酸钙片体脱模取出的情况下，往除杂后的铁酸钙片体上加入钛酸钙粉末，用压片机施加10MPa压力，加压5min，得到如图3所示的紧密物理连接的铁酸钙与钛酸钙双层片体。由图3可知，铁酸钙与钛酸钙结合较坚固，在未烧结的情况下，仍然可以切制成任意形状的新型扩散偶。

S3、将铁酸钙与钛酸钙双层片体按实验需要用刀片切割成具有一定形状大小尺寸的小块，然后将其盛放在刚玉坩埚中，置于马弗炉内进行扩散反应：按10℃/min的升温速度升温至1000℃，保温2h，获得铁酸钙/钛酸钙扩散偶。

将铁酸钙/钛酸钙扩散偶用树脂镶嵌成可在研磨抛光机中研磨抛光的柱形镶嵌体，并使扩散偶截面平行于圆柱体圆面。依次用120目，400目，800目，1500目，2000目砂纸对扩散偶横截面进行研磨，每张砂纸研磨10min，然后再对扩散偶横截面用抛光布抛光10min。最后，加热柱形镶嵌体以脱去树脂，便可对研磨、抛光后的铁酸钙/钛酸钙扩散偶(如图4所示)进行电子探针分析。由图4可知，烧制后的钛酸钙颜色略有变黄。另外，所得样品总宽度约为8mm，由相关文献得知，4mm的宽度足够铁酸钙或钛酸钙在较长时间内的扩散。

如图5、6所示，分别为本实施例中制备的铁酸钙/钛酸钙扩散偶经过抛光后的EPMA图像和线扫描示意图。由图5可知，在放大倍数为500时，铁酸钙和钛酸钙的分界线较明显。钛酸钙的颗粒较细，而铁酸钙的颗粒较粗。在今后的实验中，统一二者的粒度应该成为一个重要的环节。另外，铁酸钙的融化情况没有钛酸钙的融化情况好，这可能与二者的粒度和熔点有关。由图6中线扫描的元素分布情况可知，钛元素与铁元素的共同分布长度仅为2.1μm，这表明本扩散偶的原始反应厚度较窄，在接下来的不同条件的实施例中，可以忽略不记。

实施例2

S1、将Fe₂O₃粉体与CaO粉体按物质的量之比为1：1.1混合装在一个圆柱形密闭塑料圆筒内，将圆筒装入混料机中混料5小时，使两种粉体混合均匀。混料结束后将混合粉体置于研钵中，搅拌研磨均匀，然后用药匙将混合粉体装入内口径为30mm的不锈钢模具中，用压片机将混合粉体压制成固结片体，压力为10MPa，施压时间7min。将所得片体盛放在刚玉器皿上，装入马弗炉，以10℃/min的升温速度升温至1080℃，保温8h，然后空冷至室温，得到铁酸钙片体。

S2、将铁酸钙片体置于研钵中敲碎、研磨得到铁酸钙粉体，将铁酸钙粉体与稀盐酸混合并置于50℃的恒温水浴中，进行适当强度的电磁搅拌，后抽滤并保留滤饼，除去多余的CaO，将滤饼置于100℃恒温烘箱中烘干烘干，得到铁酸钙粉体。

其中，稀盐酸是将12mol/L的浓盐酸与去离子水以1：24的体积比稀释获得。

称量5g的铁酸钙粉体置于内口径为30mm不锈钢模具中，用压片机施加10MPa压力，加压时间7min，得到除杂后的铁酸钙片体；将相同质量的钛酸钙粉末置于研钵中，在不把除杂后的铁酸钙片体脱模取出的情况下，往除杂后的铁酸钙片体上加入钛酸钙粉末，用压片机施加10MPa压力，加压7min，得到铁酸钙与钛酸钙双层片体。

S3、将铁酸钙与钛酸钙双层片体按实验需要用刀片切割成具有一定形状大小尺寸的小块，然后将其盛放在刚玉坩埚中，置于马弗炉内进行扩散反应：按10℃/min的升温速度升温至980℃，保温2h，获得铁酸钙/钛酸钙扩散偶。

将铁酸钙/钛酸钙扩散偶用树脂镶嵌成可在研磨抛光机中研磨抛光的柱形镶嵌体，并使扩散偶截面平行于圆柱体圆面。依次用120目，400目，800目，1500目，2000目砂纸对扩散偶横截面进行研磨，每张砂纸研磨10min，然后再对扩散偶横截面用抛光布抛光10min。最后，加热柱形镶嵌体以脱去树脂，便可对研磨、抛光后的铁酸钙/钛酸钙扩散偶。

实施例3

S1、将Fe₂O₃粉体与CaO粉体按物质的量之比为1：1.5混合装在一个圆柱形密闭塑料圆筒内，将圆筒装入混料机中混料5小时，使两种粉体混合均匀。混料结束后将混合粉体置于研钵中，搅拌研磨均匀，然后用药匙将混合粉体装入内口径为30mm的不锈钢模具中，用压片机将混合粉体压制成固结片体，压力为11MPa，施压时间6min。将所得片体盛放在刚玉器皿上，装入马弗炉，以10℃/min的升温速度升温至1120℃，保温10h，然后空冷至室温，得到铁酸钙片体。

S2、将铁酸钙片体置于研钵中敲碎、研磨得到铁酸钙粉体，将铁酸钙粉体与稀盐酸混合并置于50℃的恒温水浴中，进行适当强度的电磁搅拌，后抽滤并保留滤饼，除去多余的CaO，将滤饼置于100℃恒温烘箱中烘干烘干，得到铁酸钙粉体。

其中，稀盐酸是将12mol/L的浓盐酸与去离子水以1：24的体积比稀释获得。

称量5g的铁酸钙粉体置于内口径为30mm不锈钢模具中，用压片机施加11MPa压力，加压时间6min，得到除杂后的铁酸钙片体；将相同质量的钛酸钙粉末置于研钵中，在不把除杂后的铁酸钙片体脱模取出的情况下，往除杂后的铁酸钙片体上加入钛酸钙粉末，用压片机施加11MPa压力，加压6min，得到铁酸钙与钛酸钙双层片体。

S3、将铁酸钙与钛酸钙双层片体按实验需要用刀片切割成具有一定形状大小尺寸的小块，然后将其盛放在刚玉坩埚中，置于马弗炉内进行扩散反应：按10℃/min的升温速度升温至1020℃，保温3h，获得铁酸钙/钛酸钙扩散偶。

将铁酸钙/钛酸钙扩散偶用树脂镶嵌成可在研磨抛光机中研磨抛光的柱形镶嵌体，并使扩散偶截面平行于圆柱体圆面。依次用120目，400目，800目，1500目，2000目砂纸对扩散偶横截面进行研磨，每张砂纸研磨10min，然后再对扩散偶横截面用抛光布抛光10min。最后，加热柱形镶嵌体以脱去树脂，便可对研磨、抛光后的铁酸钙/钛酸钙扩散偶。

实施例4

S1、将Fe₂O₃粉体与CaO粉体按物质的量之比为1：1.2混合装在一个圆柱形密闭塑料圆筒内，将圆筒装入混料机中混料5小时，使两种粉体混合均匀。混料结束后将混合粉体置于研钵中，搅拌研磨均匀，然后用药匙将混合粉体装入内口径为30mm的不锈钢模具中，用压片机将混合粉体压制成固结片体，压力为12MPa，施压时间7min。将所得片体盛放在刚玉器皿上，装入马弗炉，以10℃/min的升温速度升温至1090℃，保温9h，然后空冷至室温，得到铁酸钙片体。

S2、将铁酸钙片体置于研钵中敲碎、研磨得到铁酸钙粉体，将铁酸钙粉体与稀盐酸混合并置于50℃的恒温水浴中，进行适当强度的电磁搅拌，后抽滤并保留滤饼，除去多余的CaO，将滤饼置于100℃恒温烘箱中烘干烘干，得到铁酸钙粉体。

其中，稀盐酸是将12mol/L的浓盐酸与去离子水以1：24的体积比稀释获得。

称量5g的铁酸钙粉体置于内口径为30mm不锈钢模具中，用压片机施加12MPa压力，加压时间7min，得到除杂后的铁酸钙片体；将相同质量的钛酸钙粉末置于研钵中，在不把除杂后的铁酸钙片体脱模取出的情况下，往除杂后的铁酸钙片体上加入钛酸钙粉末，用压片机施加12MPa压力，加压7min，得到铁酸钙与钛酸钙双层片体。

S3、将铁酸钙与钛酸钙双层片体按实验需要用刀片切割成具有一定形状大小尺寸的小块，然后将其盛放在刚玉坩埚中，置于马弗炉内进行扩散反应：按10℃/min的升温速度升温至990℃，保温2.5h，获得铁酸钙/钛酸钙扩散偶。

将铁酸钙/钛酸钙扩散偶用树脂镶嵌成可在研磨抛光机中研磨抛光的柱形镶嵌体，并使扩散偶截面平行于圆柱体圆面。依次用120目，400目，800目，1500目，2000目砂纸对扩散偶横截面进行研磨，每张砂纸研磨10min，然后再对扩散偶横截面用抛光布抛光10min。最后，加热柱形镶嵌体以脱去树脂，便可对研磨、抛光后的铁酸钙/钛酸钙扩散偶。

实施例5

S1、将Fe₂O₃粉体与CaO粉体按物质的量之比为1：1.4混合装在一个圆柱形密闭塑料圆筒内，将圆筒装入混料机中混料5小时，使两种粉体混合均匀。混料结束后将混合粉体置于研钵中，搅拌研磨均匀，然后用药匙将混合粉体装入内口径为30mm的不锈钢模具中，用压片机将混合粉体压制成固结片体，压力为11MPa，施压时间6.5min。将所得片体盛放在刚玉器皿上，装入马弗炉，以10℃/min的升温速度升温至1110℃，保温9h，然后空冷至室温，得到铁酸钙片体。

S2、将铁酸钙片体置于研钵中敲碎、研磨得到铁酸钙粉体，将铁酸钙粉体与稀盐酸混合并置于50℃的恒温水浴中，进行适当强度的电磁搅拌，后抽滤并保留滤饼，除去多余的CaO，将滤饼置于100℃恒温烘箱中烘干烘干，得到铁酸钙粉体。

其中，稀盐酸是将12mol/L的浓盐酸与去离子水以1：24的体积比稀释获得。

称量5g的铁酸钙粉体置于内口径为30mm不锈钢模具中，用压片机施加11MPa压力，加压时间6.5min，得到除杂后的铁酸钙片体；将相同质量的钛酸钙粉末置于研钵中，在不把除杂后的铁酸钙片体脱模取出的情况下，往除杂后的铁酸钙片体上加入钛酸钙粉末，用压片机施加11MPa压力，加压6.5min，得到铁酸钙与钛酸钙双层片体。

S3、将铁酸钙与钛酸钙双层片体按实验需要用刀片切割成具有一定形状大小尺寸的小块，然后将其盛放在刚玉坩埚中，置于马弗炉内进行扩散反应：按10℃/min的升温速度升温至1010℃，保温2.5h，获得铁酸钙/钛酸钙扩散偶。

将铁酸钙/钛酸钙扩散偶用树脂镶嵌成可在研磨抛光机中研磨抛光的柱形镶嵌体，并使扩散偶截面平行于圆柱体圆面。依次用120目，400目，800目，1500目，2000目砂纸对扩散偶横截面进行研磨，每张砂纸研磨10min，然后再对扩散偶横截面用抛光布抛光10min。最后，加热柱形镶嵌体以脱去树脂，便可对研磨、抛光后的铁酸钙/钛酸钙扩散偶。

在本发明中，对于所制钛酸钙/铁酸钙扩散偶，原料粉末的粒度大小和反应温度、时间等，都会对扩散效果产生影响。粒度精细的粉末所压制成的片体，拥有相对平整的界面，致密度高，强度优良，颗粒间的接触面积大，利于反应的发生。

同时，扩散反应温度的选取不能过低，要达到一定温度才能满足反应条件，但也应防止温度过高，避开液相熔点，导致扩散偶失效。同时要有足够的保温时间，以使得反应充分，使扩散层有相当的成分跨度，利于分析。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。