CN105272297A - 一种Fe-Sialon-刚玉复合耐火材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种生产成本低、热震稳定性好，韧性好，含有金属塑性相的Fe-Sialon-刚玉复合耐火材料及其制备方法。本发明的原始料为：刚玉骨料和细粉、Al2O3微粉、SiC细粉、Si粉、硅铁合金粉、金属Al粉，采用振动加压成形或机压方法成形，在N2气氛或埋炭条件下通过原位氮化反应烧结制备得到。本发明通过引入一定量的硅铁合金粉、原料的优化组合、合理的粒度配比、采用原位氮化反应一步烧成制备出了热震稳定性好、韧性好，生产成本低的具有金属塑性相的Fe-Sialon-刚玉复合耐火材料。

Description

一种Fe-Sialon-刚玉复合耐火材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种Sialon结合刚玉复合耐火材料，尤其涉及一种通过添加硅铁合金粉制备Fe-Sialon结合刚玉复合耐火材料及其制备方法，属于耐火材料领域。
背景技术
因具有热态强度高、热膨胀系数小、抗渣性好以及良好的耐磨性等优异性能，Sialon结合刚玉复合耐火材料已在高炉炼铁、电解铝及窑具等高温领域得到了广泛应用并取得了良好的使用效果。
目前，Sialon结合刚玉耐火材料的制备方法通常有两种，一是在刚玉中添加预合成的氮化物，如Si3N4和或AlN等，在氮气或埋炭气氛中通过反应烧结制备Sialon相结合的刚玉耐火材料；二是在刚玉中添加单质，如Si粉或金属Al粉等，在氮气或埋炭气氛中先原位反应生成Si3N4或AlN，然后进一步与A12O3反应生成Sialon相，从而制备出Sialon结合刚玉耐火材料。
虽然Sialon结合刚玉耐火材料已得以应用，但仍存在脆性大、韧性差、导热性不佳、热震稳定性差等问题，从而限制了其进一步推广应用。
在脆性的耐火材料中引入一定量的金属塑性相，不仅使成形由刚性成形转为塑性成形，提高坯体致密度，而且可以提高氮化烧成时的反应速率，改变产物形貌，对提高Sialon结合刚玉耐火材料的性能大有裨益。
发明内容
本发明的目的是克服现有Sialon结合刚玉复合材料普遍存在原料生产成本高、脆性大、热震稳定性差、导热性不好等问题，提出一种生产成本低、热震稳定性好，韧性好，含有金属塑性相的Fe-Sialon-刚玉复合耐火材料及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种Fe-Sialon-刚玉复合耐火材料，原始料为：刚玉骨料和细粉、Al2O3微粉、SiC细粉、Si粉、硅铁合金粉、金属Al粉，采用振动加压成形或机压方法成形，在N2气氛或埋炭条件下通过原位氮化反应烧结制备得到。
本发明原始料的加入重量份数为：刚玉骨料60-70份、刚玉细粉5-25份、Al2O3微粉0-6份，SiC细粉0-5份，Si粉7-12份，硅铁合金粉2-12份，金属Al粉0-5份、结合剂加入量为原始料总重量的3-6%。
所述刚玉骨料为电熔白刚玉、电熔致密刚玉、矾土基电熔刚玉、板状刚玉、烧结刚玉和电熔棕刚玉中的一种或两种以上，粒度≤5mm；
所述刚玉细粉为电熔白刚玉、矾土基电熔刚玉、电熔致密刚玉、板状刚玉、烧结刚玉和电熔棕刚玉中的一种或两种以上，粒度≤0.088mm；
所述氧化铝微粉的粒度≤0.005mm；
所述SiC细粉的纯度≥96%，粒度≤0.074mm；
所述Si粉的纯度≥96%，粒度≤0.074mm；
所述硅铁合金粉中的Si含量≥72%，粒度≤0.074mm；
所述金属铝粉Al纯度≥98.5%，，粒度≤0.074mm；
所述结合剂为糊精、聚乙烯醇、羧甲基纤维素、树脂、纸浆废液中的一种或几种复合。
本发明的这种Fe-Sialon-刚玉复合耐火材料的制备方法为：
步骤一、按上述比例进行配料，将称好的物料混合均匀后经混练得到泥料；
步骤二、将混合均匀的泥料加压成形，在110-300℃下干燥或固化8-24h；
步骤三、将干燥后的试样装入气氛炉中，在N2气氛或埋炭条件下于1200-1550℃温度下，保温8-40h，原位氮化或原位氮化和碳化反应烧成，烧成过程中炉内总压，即N2压力或N2和CO压力，保持为正压，然后随炉自然冷却至室温，即可得到Fe-Sialon-刚玉复合耐火材料。
为了实现金属与耐火材料的复合，克服现有Sialon结合刚玉耐火材料的上述不足，进一步提升该材料的性能，本发明创新性的在脆性耐火材料中原位引入一定量的金属塑性相，不仅使成形由刚性成形转为塑性成形，提高坯体致密度，而且可以提高氮化烧成时的反应速率，改变产物形貌，对提高Sialon结合刚玉耐火材料的性能大有裨益。
本发明通过引入一定量的硅铁合金粉、原料的优化组合、合理的粒度配比、采用原位氮化反应一步烧成制备出了热震稳定性好、韧性好，生产成本低且含有金属塑性相的Fe-Sialon-刚玉复合耐火材料。
本发明在配方中引入一定量的硅铁合金粉，通过原位氮化反应烧成制备Fe-Sialon-刚玉复合材料。氮化反应时硅铁合金中的大部分Si原位氮化并与氧化铝等固溶形成β-Sialon，O’-Sialon等非氧化物结合相，铁的存在不仅引入了金属塑性相，而且降低了氮化时的氧分压，提高了非氧化物转化率，有利于长柱状β-Sialon的形成，提高了复合材料热态强度、热震稳定性的同时增加了材料的韧性。硅铁合金粉中的Si含量≥70%，粒度≤0.074mm；目的是为了让硅粉的原位氮化更快速，更容易在较低温度下完全形成Sialon结合相的同时引入一定量的金属塑性相，从而使制备的复合材料具有高强度的同时，还具有更好的热震稳定性和韧性。
本发明所得产品为金属间化合物、非氧化物以及氧化物的复合材料，通过Fe-SiAlON-刚玉复合耐火材料中赛隆与金属塑性相的断口形貌图，可以看到赛隆为长柱状，金属塑性相呈孤立球形，其中硅铁合金氮化后生成的金属间化合物，Fe3Si等发挥了塑性相作用，在材料内部起到缓冲应力的作用，提高了复合材料的韧性，有利于材料热震稳定性和导热系数的提升。
本发明选用了相对便宜的FeSi合金粉作为硅源，与用高纯硅粉相比，在制得性能良好的Fe-Sialon-刚玉复合耐火材料的同时显著降低了材料的生产成本。
本发明所述的Fe-Sialon-刚玉复合耐火材料的主晶相为刚玉和β-Sialon，体积密度在2.9-3.3g/cm3，常温耐压强度：200-250MPa，常温抗折强度：25-35MPa，1200℃时热态抗折强度在35MPa以上，1100℃-水冷1次后试样的抗折强度残存百分率大于65%。
具体实施方式
下面举例说明本发明的实施及特点，但本发明不局限于下述实施例。
实施例1：
一种Fe-Sialon-刚玉复合耐火材料，各原料的粒度组成及加入比例为：粒度≤3mm的板状刚玉颗粒65份，粒度≤0.074mm的板状刚玉细粉14份，粒度≤0.005mm的氧化铝微粉5份，粒度≤0.074mm的碳化硅粉3份，粒度≤0.044mm的单质硅粉5份，粒度≤0.044mm的硅铁合金粉5份，金属Al粉3份，外加5%的纸浆废液为结合剂。
混合均匀后混练成泥料，在150MPa下机压成形，在110℃下干燥24h；将干燥后的试样装入氮化炉中，在1450℃温度下保温10h原位氮化反应烧成，然后随炉自然冷却至室温，即可得到Fe-Sialon-刚玉复合耐火材料。
所得产品的性能指标为：显气孔率：14.5%，体积密度在2.95g/cm3，常温耐压强度：193MPa，常温抗折强度：33.5MPa，1200℃时热态抗折强度在42.3MPa，1100℃-水冷1次后试样的抗折强度残存百分率为73%。
实施例2：
一种Fe-Sialon-刚玉复合耐火材料，各原料的粒度组成及加入比例为：粒度≤5mm的电熔白刚玉颗粒68份，粒度≤0.074mm的板状刚玉细粉14份，粒度≤0.005mm的氧化铝微粉3份，粒度≤0.074mm的碳化硅粉3份，粒度≤0.044mm的单质硅粉2份，粒度≤0.044mm的硅铁合金粉10份，外加5%的树脂为结合剂。
将上述原料混合均匀后混练成泥料，在180MPa下机压成形，在200℃下固化24h；将固化后的试样装入氮化炉中，在1410℃温度下保温20h原位氮化反应烧成，然后随炉自然冷却至室温，即可得到Fe-Sialon-刚玉复合耐火材料。
所得产品的性能指标为：显气孔率：13.7%，体积密度在3.05g/cm3，常温耐压强度：220MPa，常温抗折强度：35.6MPa，1200℃时热态抗折强度在40.5MPa，1100℃-水冷1次后试样的抗折强度残存百分率为82%。
实施例3：
一种Fe-Sialon-刚玉复合耐火材料，各原料的粒度组成及加入比例为：粒度≤3mm的亚白刚玉颗粒65份，粒度≤0.074mm的白刚玉细粉9份，粒度≤0.005mm的氧化铝微粉5份，粒度≤0.074mm的碳化硅粉5份，粒度≤0.044mm的单质硅粉4份，粒度≤0.044mm的硅铁合金粉8份，金属Al粉4份，外加3%的糊精为结合剂。
将上述原料混合均匀后混练成泥料，振动加压成形，在110℃下干燥24h后将试样装入气氛炉中，在埋炭条件下1470℃温度下保温12h，原位氮化加碳化反应烧成，然后随炉自然冷却至室温，即可得到Fe-Sialon-刚玉复合耐火材料。
所得产品的性能指标为：显气孔率：14.2%，体积密度在2.99g/cm3，常温耐压强度：230MPa，常温抗折强度：30.6MPa，1200℃时热态抗折强度在45.3MPa，1100℃-水冷1次后试样的抗折强度残存百分率76%。

Claims (6)

1.一种Fe-Sialon-刚玉复合耐火材料，其特征在于：原始料的加入重量份数为：刚玉骨料60-70份、刚玉细粉5-25份、Al2O3微粉0-6份，SiC细粉0-5份，Si粉7-12份，硅铁合金粉2-12份，金属Al粉0-5份、结合剂加入量为原始料总重量的3-6%。
2.根据权利要求1所述的一种Fe-Sialon-刚玉复合耐火材料，其特征在于：刚玉骨料为电熔白刚玉、电熔致密刚玉、矾土基电熔刚玉、板状刚玉、烧结刚玉和电熔棕刚玉中的一种或两种以上，粒度≤5mm。
3.根据权利要求1所述的一种Fe-Sialon-刚玉复合耐火材料，其特征在于：刚玉细粉为电熔白刚玉、矾土基电熔刚玉、电熔致密刚玉、板状刚玉、烧结刚玉和电熔棕刚玉中的一种或两种以上，粒度≤0.088mm。
4.根据权利要求1所述的一种Fe-Sialon-刚玉复合耐火材料，其特征在于：硅铁合金粉中的Si含量≥72%，粒度≤0.074mm。
5.根据权利要求1所述的一种Fe-Sialon-刚玉复合耐火材料，其特征在于：结合剂为糊精、聚乙烯醇、羧甲基纤维素、树脂、纸浆废液中的一种或几种复合。
6.根据权利要求1所述的一种Fe-Sialon-刚玉复合耐火材料的制备方法，其特征在于：步骤一、按上述比例进行配料，将称好的物料混合均匀后经混练得到泥料；步骤二、将混合均匀的泥料加压成形，在110-300℃下干燥或固化8-24h；步骤三、将干燥后的试样装入气氛炉中，在N2气氛或埋炭条件下于1200-1550℃温度下，保温8-40h，原位氮化或原位氮化和碳化反应烧成，烧成过程中炉内总压保持为正压，然后随炉自然冷却至室温，即可得到Fe-Sialon-刚玉复合耐火材料。
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Assignee: Luoyang Pentium refractory Co.,Ltd.

Assignor: Henan University of Science and Technology

Contract record no.: X2019980000460

Denomination of invention: Fe-Sialon-corundum composite refractory material and preparation method thereof

Granted publication date: 20170426

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Patentee after: Luoyang Pentium refractory Co.,Ltd.

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Patentee before: HENAN University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

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