一种利用氮化硅铁粉末制备块体陶瓷材料的方法

摘要

本发明公开了一种利用氮化硅铁粉末制备块体陶瓷材料的方法，该方法为：一、采用湿法球磨的方法将原料置于球磨机中球磨混合均匀，球磨后将混合均匀的物料烘干，得到混合粉末；二、将混合粉末置于液压机中预压成型，然后置于冷等静压机中进行冷等静压，得到坯体；三、将所述坯体置于气压烧结炉中进行气压烧结处理，随炉冷却后得到块体陶瓷材料。本发明将原料通过湿法球磨的方法混合均匀得到混合粉末，然后将混合粉末预压成型后进行冷等静压得到坯体，再结合气压烧结的工艺过程制备得到气孔率低、体积密度大的块体陶瓷材料，该块体陶瓷材料具有优良的耐高温性能和机械性能，可作为结构件陶瓷用以制备高温窑炉的窑具或者其他耐火材料。

说明书

技术领域

本发明属于耐火材料技术领域，具体涉及一种利用氮化硅铁粉末制备 块体陶瓷材料的方法。

背景技术

氮化硅陶瓷因其优良的机械性能已广泛运用于各种结构性元器件领域， 如发动机和涡轮机元件、换热器、泵密封材料、滚动体轴承、刀具、耐腐蚀 的热电偶保护管、腐蚀性液体的高温过滤器等。但因高性能的氮化硅陶瓷材 料的制造成本较为昂贵，未能在工业领域大规模使用，制造氮化硅陶瓷的原 料是氮化硅陶瓷粉，其价格昂贵，导致氮化硅陶瓷成本较高，限制了氮化硅 陶瓷的应用。

氮化硅铁是以Si₃N₄为主要成分，掺杂有游离铁、未氮化硅铁及少量其它 成分的混合物，主要应用于大型高炉炮泥和沟浇注槽中，能够使炮泥的耐高 温性能和耐腐蚀性能得到明显改善，满足高炉出铁的需要。相对于氮化硅陶 瓷粉，氮化硅铁粉末的价格低廉，只有氮化硅陶瓷粉的1％左右，而目前鲜见 关于采用氮化硅铁粉末制备块体陶瓷材料的报道，现有技术中急需一种采用 低成本的原材料氮化硅铁粉末制备具有良好耐高温性能和机械性能的块体陶 瓷材料的方法，以为进一步制备低成本的结构陶瓷提供原料。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一 种利用氮化硅铁粉末制备块体陶瓷材料的方法，其将一定配比的氮化硅铁 粉末、氧化镧粉末、氧化钇粉末和氧化铝粉末通过湿法球磨的方法混合均 匀得到混合粉末，然后将混合粉末预压成型后进行冷等静压得到坯体，再 结合气压烧结的工艺过程制备得到气孔率低、体积密度大的块体陶瓷材 料，该块体陶瓷材料具有优良的耐高温性能和机械性能，可作为结构件陶 瓷用以制备高温窑炉的窑具或者其他耐火材料

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种利用氮化硅铁粉 末制备块体陶瓷材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、采用湿法球磨的方法将以下按质量百分比计的原料置于球磨 机中球磨混合均匀：氮化硅铁粉末85％～95％，氧化镧粉末2％～5％，氧化 钇粉末1％～5％，氧化铝粉末2％～5％；球磨后将混合均匀的物料烘干，得 到混合粉末；

步骤二、将步骤一中所述混合粉末置于液压机中预压成型，然后将预 压成型后的混合粉末置于冷等静压机中进行冷等静压，得到坯体；

步骤三、将步骤二中所述坯体置于气压烧结炉中，在真空条件下对所 述气压烧结炉进行升温，待炉内温度升至1000℃～1200℃时向气压烧结炉 内通入氮气调节炉内压力至0.5MPa～1MPa，待炉内温度升至1450℃～1650 ℃时调节氮气流量使炉内压力升至4MPa～10MPa，待炉内温度升至1700 ℃～1850℃后保温烧结1h～3h，随炉冷却，得到块体陶瓷材料，升温过程中 控制升温速率为3℃/min～5℃/min。

上述的一种利用氮化硅铁粉末制备块体陶瓷材料的方法，其特征在 于，步骤一中所述湿法球磨的球磨介质为无水乙醇，湿法球磨的球料比为 (2～3):1，所述球磨机的转速为100r/min～150r/min。

上述的一种利用氮化硅铁粉末制备块体陶瓷材料的方法，其特征在 于，所述无水乙醇的质量为氮化硅铁粉末、氧化镧粉末、氧化钇粉末和氧 化铝粉末质量总和的1～3倍。

上述的一种利用氮化硅铁粉末制备块体陶瓷材料的方法，其特征在 于，步骤一中所述氮化硅铁粉末的平均粒度为0.4μm～0.7μm，氧化镧粉末 的平均粒度为1μm～3μm，氧化钇粉末的平均粒度为2μm～5μm，氧化铝粉 末的平均粒度为0.4μm～0.7μm。

上述的一种利用氮化硅铁粉末制备块体陶瓷材料的方法，其特征在 于，步骤二中所述预压成型的压力为8MPa～12MPa，保压时间为10s～20s。

上述的一种利用氮化硅铁粉末制备块体陶瓷材料的方法，其特征在 于，步骤二中所述冷等静压的压力为150MPa～300MPa，保压时间为 300s～600s。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明以氮化硅铁粉末为主要原料，加入一定配比的氧化镧粉末、 氧化钇粉末和氧化铝粉末作为烧结助剂，这些烧结助剂在气压烧结处理的 过程中与氮化硅铁颗粒表面微量的二氧化硅发生反应形成具有较高熔点 的稀土硅酸盐，该稀土硅酸盐熔化后形成玻璃相能够润湿和溶解混合粉末 中的Si₃N₄和Fe₃Si，同时Si₃N₄发生相变和重排，颗粒状晶体α-Si₃N₄转变 为长柱状或针状晶体β-Si₃N₄，可起到自增韧的效果，气压烧结的过程中 Fe₃Si被Si₃N₄包裹，在一定程度上限制了长柱状或针状晶体β-Si₃N₄的异 常长大，使得β-Si₃N₄晶粒细小均匀，有利于提高了块体陶瓷材料的机械 性能，此外，稀土硅酸盐形成的具有较高熔点的玻璃相也有助于提高块体 陶瓷材料的高温下的机械性能。

2、本发明的方法中采用的主要原料氮化硅铁粉末成本较低，通过湿 法球磨混料、预压成型后冷等静压得到坯体，再结合气压烧结的工艺过程 制备得到块体陶瓷材料，其中冷等静压的方式能够保证坯体中各个方向的 密度更为均匀，致密度更高，另外，本发明的方法中利用了特定的气压烧 结工艺，首先真空烧结能够使坯体内的可挥发物排出，其次低压烧结能够 使烧结助剂与微量二氧化硅发生反应，反应生成的稀土硅酸盐熔化后形成 玻璃相，在多孔的坯体表面形成致密的包裹层，最后高压烧结时随着温度 和压力的升高，混合粉末中的Si₃N₄发生相变和重排，Fe₃Si被Si₃N₄包裹， 致密的包裹层承受高压使坯体中的残余气孔不断排出，材料的致密度不断 提高，从而保证制备得到的块体陶瓷材料的性能满足要求，其体积密度为 3.3g/cm³～3.96g/cm³，气孔率为0.5％～1.5％，抗弯强度为350MPa～489MPa， 断裂韧性为3.2MPa·m^1/2～4.9MPa·m^1/2。

3、本发明制备块体陶瓷材料时所用原料和制造成本均较低，操作简 单，制备工艺稳定，生产效率高，且高密度和低气孔率有利于提高块体陶 瓷材料自身良好的耐高温性能，而其同时具有的优良机械性能又可扩大或 替代氮化硅陶瓷在高温和耐火材料领域的应用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的块体陶瓷材料的断口SEM照片。

图2为本发明实施例1制备的块体陶瓷材料的剖面SEM照片。

图3为图2中A区域的EDS能谱图。

具体实施方式

实施例1

本实施例包括以下步骤：

步骤一、采用湿法球磨的方法将以下按质量百分比计的原料置于球磨 机中球磨混合均匀：氮化硅铁粉末90％，氧化镧粉末3.5％，氧化钇粉末 3％，氧化铝粉末3.5％；球磨后将混合均匀的物料烘干，得到混合粉末； 所述湿法球磨的球磨介质为无水乙醇，湿法球磨的球料比为2.5:1，所述球 磨机的转速为125r/min，所述无水乙醇的质量为氮化硅铁粉末、氧化镧粉 末、氧化钇粉末和氧化铝粉末质量总和的3倍；所述氮化硅铁粉末的平均 粒度为0.5μm，氧化镧粉末的平均粒度为2μm，氧化钇粉末的平均粒度为 3μm，氧化铝粉末的平均粒度为0.6μm；

步骤二、将步骤一中所述混合粉末置于液压机中预压成型，然后将预 压成型后的混合粉末置于冷等静压机中进行冷等静压，得到坯体；所述预 压成型的压力为10MPa，保压时间为15s，所述冷等静压的压力为250MPa， 保压时间为450s；

步骤三、将步骤二中所述坯体置于气压烧结炉中，在真空条件下对所 述气压烧结炉进行升温，待炉内温度升至1100℃时向气压烧结炉内通入氮 气调节炉内压力至0.75MPa，待炉内温度升至1550℃时调节氮气流量使炉 内压力升至7MPa，待炉内温度升至1800℃后保温烧结2h，随炉冷却，得 到块体陶瓷材料，升温过程中控制升温速率为4℃/min。

从图1中可看出，本实施例制备的块体陶瓷材料由发育良好、晶粒均 匀的长柱状β-Si₃N₄晶体相互交错紧密堆积而成，且断口粗糙，具有明显 的晶粒拔出现象，说明该块体陶瓷材料具有良好的韧性。

从图2中可看出，本实施例制备的块体陶瓷材料内部存在长条状的第 二相，结合图3的分析结果可知该第二相为Fe₃Si，Fe₃Si被大量的长柱状 β-Si₃N₄晶体所包裹限制了Fe₃Si的挥发从而能够提高块体陶瓷材料的使用 温度，此外，长条状的第二相Fe₃Si在一定程度上降低了β-Si₃N₄晶粒的生 长速率，抑制了β-Si₃N₄晶粒的异常长大，使β-Si₃N₄晶粒细小均匀，有利 于提高块体陶瓷材料的机械性能。

本实施例制备的块体陶瓷材料的体积密度为3.96g/cm³，气孔率为 0.5％，抗弯强度为489MPa，断裂韧性为4.9MPa·m^1/2，较高的致密度有利 于提高其耐高温性能，且本实施例制备的块体陶瓷材料具有良好的机械性 能，可进一步作为结构件陶瓷用以制备高温窑炉的窑具或者其他耐火材 料。

实施例2

本实施例包括以下步骤：

步骤一、采用湿法球磨的方法将以下按质量百分比计的原料置于球磨 机中球磨混合均匀：氮化硅铁粉末95％，氧化镧粉末2％，氧化钇粉末1％， 氧化铝粉末2％；球磨后将混合均匀的物料烘干，得到混合粉末；所述湿 法球磨的球磨介质为无水乙醇，湿法球磨的球料比为2:1，所述球磨机的 转速为150r/min，所述无水乙醇的质量为氮化硅铁粉末、氧化镧粉末、氧 化钇粉末和氧化铝粉末质量总和的2倍；所述氮化硅铁粉末的平均粒度为 0.4μm，氧化镧粉末的平均粒度为3μm，氧化钇粉末的平均粒度为2μm， 氧化铝粉末的平均粒度为0.7μm；

步骤二、将步骤一中所述混合粉末置于液压机中预压成型，然后将预 压成型后的混合粉末置于冷等静压机中进行冷等静压，得到坯体；所述预 压成型的压力为12MPa，保压时间为10s，所述冷等静压的压力为150MPa， 保压时间为600s；

步骤三、将步骤二中所述坯体置于气压烧结炉中，在真空条件下对所 述气压烧结炉进行升温，待炉内温度升至1200℃时向气压烧结炉内通入氮 气调节炉内压力至0.5MPa，待炉内温度升至1650℃时调节氮气流量使炉 内压力升至4MPa，待炉内温度升至1850℃后保温烧结1h，随炉冷却，得 到块体陶瓷材料，升温过程中控制升温速率为5℃/min。

本实施例制备的块体陶瓷材料的体积密度为3.3g/cm³，气孔率为 1.5％，抗弯强度为350MPa，断裂韧性为3.2MPa·m^1/2，较高的致密度有利 于提高其耐高温性能，且本实施例制备的块体陶瓷材料具有良好的机械性 能，可进一步作为结构件陶瓷用以制备高温窑炉的窑具或者其他耐火材 料。

实施例3

本实施例包括以下步骤：

步骤一、采用湿法球磨的方法将以下按质量百分比计的原料置于球磨 机中球磨混合均匀：氮化硅铁粉末85％，氧化镧粉末5％，氧化钇粉末5％， 氧化铝粉末5％；球磨后将混合均匀的物料烘干，得到混合粉末；所述湿 法球磨的球磨介质为无水乙醇，湿法球磨的球料比为3:1，所述球磨机的 转速为100r/min，所述无水乙醇的质量为氮化硅铁粉末、氧化镧粉末、氧 化钇粉末和氧化铝粉末质量总和；所述氮化硅铁粉末的平均粒度为0.7μm， 氧化镧粉末的平均粒度为1μm，氧化钇粉末的平均粒度为2μm，氧化铝粉 末的平均粒度为0.4μm；

步骤二、将步骤一中所述混合粉末置于液压机中预压成型，然后将预 压成型后的混合粉末置于冷等静压机中进行冷等静压，得到坯体；所述预 压成型的压力为8MPa，保压时间为20s，所述冷等静压的压力为300MPa， 保压时间为300s；

步骤三、将步骤二中所述坯体置于气压烧结炉中，在真空条件下对所 述气压烧结炉进行升温，待炉内温度升至1000℃时向气压烧结炉内通入氮 气调节炉内压力至1MPa，待炉内温度升至1450℃时调节氮气流量使炉内 压力升至10MPa，待炉内温度升至1700℃后保温烧结3h，随炉冷却，得 到块体陶瓷材料，升温过程中控制升温速率为3℃/min。

本实施例制备的块体陶瓷材料的体积密度为3.54g/cm³，气孔率为 1.2％，抗弯强度为430MPa，断裂韧性为4.5MPa·m^1/2，较高的致密度有利 于提高其耐高温性能，且本实施例制备的块体陶瓷材料具有良好的机械性 能，可进一步作为结构件陶瓷用以制备高温窑炉的窑具或者其他耐火材 料。

实施例4

本实施例包括以下步骤：

步骤一、采用湿法球磨的方法将以下按质量百分比计的原料置于球磨 机中球磨混合均匀：氮化硅铁粉末88％，氧化镧粉末3％，氧化钇粉末4％， 氧化铝粉末5％；球磨后将混合均匀的物料烘干，得到混合粉末；所述湿 法球磨的球磨介质为无水乙醇，湿法球磨的球料比为2.5:1，所述球磨机的 转速为150r/min，所述无水乙醇的质量为氮化硅铁粉末、氧化镧粉末、氧 化钇粉末和氧化铝粉末质量总和的2倍；所述氮化硅铁粉末的平均粒度为 0.5μm，氧化镧粉末的平均粒度为2μm，氧化钇粉末的平均粒度为5μm， 氧化铝粉末的平均粒度为0.5μm；

步骤二、将步骤一中所述混合粉末置于液压机中预压成型，然后将预 压成型后的混合粉末置于冷等静压机中进行冷等静压，得到坯体；所述预 压成型的压力为9MPa，保压时间为18s，所述冷等静压的压力为200MPa， 保压时间为500s；

步骤三、将步骤二中所述坯体置于气压烧结炉中，在真空条件下对所 述气压烧结炉进行升温，待炉内温度升至1050℃时向气压烧结炉内通入氮 气调节炉内压力至0.8MPa，待炉内温度升至1600℃时调节氮气流量使炉 内压力升至8MPa，待炉内温度升至1750℃后保温烧结1.5h，随炉冷却， 得到块体陶瓷材料，升温过程中控制升温速率为5℃/min。

本实施例制备的块体陶瓷材料的体积密度为3.82g/cm³，气孔率为 0.9％，抗弯强度为452MPa，断裂韧性为3.9MPa·m^1/2，较高的致密度有利 于提高其耐高温性能，且本实施例制备的块体陶瓷材料具有良好的机械性 能，可进一步作为结构件陶瓷用以制备高温窑炉的窑具或者其他耐火材 料。

实施例5

本实施例包括以下步骤：

步骤一、采用湿法球磨的方法将以下按质量百分比计的原料置于球磨 机中球磨混合均匀：氮化硅铁粉末92％，氧化镧粉末2.5％，氧化钇粉末 2.5％，氧化铝粉末3％；球磨后将混合均匀的物料烘干，得到混合粉末； 所述湿法球磨的球磨介质为无水乙醇，湿法球磨的球料比为3:1，所述球 磨机的转速为130r/min，所述无水乙醇的质量为氮化硅铁粉末、氧化镧粉 末、氧化钇粉末和氧化铝粉末质量总和的3倍；所述氮化硅铁粉末的平均 粒度为0.6μm，氧化镧粉末的平均粒度为1μm，氧化钇粉末的平均粒度为 4μm，氧化铝粉末的平均粒度为0.5μm；

步骤二、将步骤一中所述混合粉末置于液压机中预压成型，然后将预 压成型后的混合粉末置于冷等静压机中进行冷等静压，得到坯体；所述预 压成型的压力为11MPa，保压时间为13s，所述冷等静压的压力为280MPa， 保压时间为400s；

步骤三、将步骤二中所述坯体置于气压烧结炉中，在真空条件下对所 述气压烧结炉进行升温，待炉内温度升至1150℃时向气压烧结炉内通入氮 气调节炉内压力至0.6MPa，待炉内温度升至1500℃时调节氮气流量使炉 内压力升至9MPa，待炉内温度升至1700℃后保温烧结2.5h，随炉冷却， 得到块体陶瓷材料，升温过程中控制升温速率为4℃/min。

本实施例制备的块体陶瓷材料的体积密度为3.42g/cm³，气孔率为 1.1％，抗弯强度为395MPa，断裂韧性为3.84MPa·m^1/2，较高的致密度有 利于提高其耐高温性能，且本实施例制备的块体陶瓷材料具有良好的机械 性能，可进一步作为结构件陶瓷用以制备高温窑炉的窑具或者其他耐火材 料。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是 根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构 变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。