專利名稱：片狀微晶增韌MgAlON復合剛玉材料制備方法
技術領域：
本發明屬于耐火材料技術領域，特別涉及一種片狀微晶增韌MgAlON復合剛玉材料的制備方法。
背景技術：
MgAlON是由MgO穩定AlON而得到的一種無硅、無碳高熔點化合物，作為新型陶瓷材料近年來受到廣泛關注。由于MgAlON具有優良的化學和機械性能，因此可用于耐火材料領域制備MgAlON復合高級耐火材料，改善耐火材料的高溫力學性能、熱震穩定性、抗渣性能、抗鋼液沖刷性能，并能減免耐火材料使用過程對鋼液造成的污染，對冶煉高質量超純凈鋼有利，有望取代含碳耐火材料用于冶煉純凈鋼；另外，由于MgAlON復合材料優良的抗侵蝕性，可望在有色冶金及化工行業得到廣泛的應用。
MgAlON復合剛玉材料的制備方法有(1)加入預合成MgAlON法，即加入實驗室合成或工業生產的MgAlON制備MgAlON復合剛玉材料。該方法最大的限制是目前MgAlON原料均為實驗室制備，還沒有工業化穩定生產的產品，原料供應十分緊缺且價格昂貴，另外，由于采用的原料熔點較高，MgAlON復合剛玉材料燒成溫度高，使得產品價格居高不下，應用受到限制。(2)AlN反應燒結法，即采用多種電熔白剛玉顆粒混合料做骨料，采用AlN、活性氧化鋁粉Al2O3、穩定劑MgO及少量燒結助劑Y2O3，經160MPa壓力成型后在1600-1800℃氮氣氛中燒結，最終利用反應燒結法制備出MgAlON復合剛玉材料。這種方法采用的原料AlN價格昂貴，且容易水化不易保存，材料燒成溫度也比較高。(3)活性α-Al2O3反應燒結法，采用金屬鋁粉、活性α-Al2O3、氧化鎂或鎂鋁尖晶石等原料為基質料，經1600℃氮化氣氛下燒成后制備MgAlON復合剛玉材料，顯氣孔率16-19％，體積密度2.9-3.0g/cm3，耐壓強度110MPa。
中國專利申請99100292.x，通過利用廉價天然礦物原料高鋁礬土制備出主晶相為MgAlON的原料，其合成原理是采用碳熱還原氮化合成工藝，將配好的原料埋于含碳材料中，在燒結過程中被碳還原并與氮氣反應最終形成MgAlON。燒結溫度為1550-1650℃，保溫時間為72-110h，所合成的原料中N含量為1.5-5.8％。中國專利申請02144827.2，是關于一種連鑄無碳水口的制作工藝，包括本體，在本體的內孔復合一層無碳層，具體的制造工藝是將一定比份的ZrO22-3份、Al2O33-4份、SiO21-2份、鎂阿隆(MgAlON)0.1-0.5份混合配料，加入熱固型樹脂進行造粒，經流動干燥床在70-85℃進行干燥，干燥后經振動篩進行過篩，形成泥料，過篩后選＜2mm泥料，采用等靜壓與本體復合成型，此發明屬于加入預合成MgAlON制備無碳水口范疇。中國專利申請03126148.5，利用高鋁礬土原料，通過Al熱還原氮化工藝可以在1400-1550℃氮化氣氛中合成礬土基MgAlON，也屬于MgAlON原料制備范疇。

發明內容
本發明目的在于提供一種片狀微晶增韌MgAlON復合剛玉材料的制備方法，該方法工藝簡單、條件溫和、生產成本低、產品性能好。
為達上述目的，本發明采用如下技術方案片狀微晶增韌MgAlON復合剛玉材料的制備方法，包括以下步驟(1)以剛玉顆粒原料為骨料、以活性氧化鋁粉和金屬鋁粉或等鋁含量的鋁硅或鋁鎂合金粉和氧化鎂粉或等氧化鎂含量的鎂砂粉或鎂鋁尖晶石的混合料為基質料，先在混合均勻的骨料中加入結合劑，再加入預混合均勻的粉料，在混料機中混合3-10分鐘制成泥料；(2)將泥料在70-200MPa壓力下壓制成坯，干燥4-48小時；(3)將干燥坯體放入空氣氛燒結爐中在1000-1450℃保溫1-6h，保溫結束后待爐溫降至常溫出爐；各原料重量百分比為剛玉粒徑3-1mm 30-55wt％，1-0.074mm 8-15wt％，活性氧化鋁粉粒徑0.074-＞0mm 10-30wt％，金屬鋁粉8-22wt％，氧化鎂粉3-10wt％。
剛玉為Al2O3含量98-99.9wt％的電熔白剛玉，金屬鋁粉或等鋁含量的鋁硅或鋁鎂合金粉Al含量90-99.9wt％、粒度＞0-0.088mm，氧化鎂粉或鎂砂粉或鎂鋁尖晶石MgO含量90-99.9wt％，結合劑為亞硫酸紙漿廢液、聚乙烯醇、糊精、木質素之一種或兩種以上的組合。
混合料中另加占混合料＞0-25wt％的添加劑SiO2或Cr2O3粉料。
本發明中，剛玉可選用電熔白剛玉，也可選用板狀剛玉、棕剛玉、灰剛玉、礬土剛玉、燒結剛玉(高鋁礬土)；金屬鋁粉可用鋁硅或鋁鎂合金粉替代，氧化鎂粉可用鎂砂粉或等氧化鎂含量的鎂鋁尖晶石代替。各種原料按比例稱量后，先將粉料和顆粒料分別在混料機中混合均勻，然后在顆粒料中加入結合劑(加入量依成型方法確定，為本領與普通技術人員常識)混合均勻、再加入預混合的粉料，在混料機中混合均勻制成泥料。將泥料放入壓力機中壓制成型或采用振動加壓等方法制成坯體，坯體干燥后(干燥時間依坯體大小和環境溫度而定，約4-48小時)，放入空氣氣氛燒結爐中進行燒制，保溫結束后待爐溫降至常溫后出爐，最后進行質量檢查。
利用本發明方法制備的MgAlON復合剛玉材料性能指標如下Al2O3≥90wt％，[N]含量約＞0-3wt％，體積密度2.6-3.2g/cm3，顯氣孔率18-23％，常溫抗折強度5-20MPa，常溫耐壓強度90-140MPa，晶相組成為主晶相剛玉、次晶相為MgAlON相。
本發明通過鋁熱氮化途徑在特定的溫度制度下或加入添加劑，利用反應燒結法直接制備片狀MgAlON微晶顆粒復合剛玉材料，發揚了反應燒結法工藝簡單(簡化了原料制備工藝)、節能降耗、提高材料性能的優點，并且通過工藝控制和材料結構設計，制備出片狀MgAlON微晶顆粒復合剛玉材料，提高了材料的強度以及抵抗高溫和熱震的能力。


圖1為實施例1中所得材料的電鏡照片；圖2為實施例2中所得材料的電鏡照片；圖3為實施例3中所得材料的電鏡照片。
具體實施例方式
實施例1、片狀微晶增韌MgAlON復合剛玉材料的制備方法，采用電熔白剛玉(Al2O398wt％)顆粒混合料(3-1mm 45wt％、1-0.074mm 15wt％)做骨料，采用活性氧化鋁粉26wt％(粒度＜0.074mm、化學組成為Al2O399wt％)、金屬鋁粉10wt％和化學純MgO 4wt％的混合料做基質。另加占上述原料總量3wt％的硅灰(SiO2＞92wt％)作添加劑。各種原料按比例稱量后，先將粉料和顆粒料分別在混料機中混合5分鐘至均勻；在顆粒料中加入上述原料量3wt％的結合劑-亞硫酸紙漿廢液(d＝1.18g/cm3)混合5分鐘至均勻，再加入預混合的粉料，在混料機中混合10分鐘至均勻即制成泥料；將泥料放入壓力機中在100MPa壓力下成型出25×25×125mm坯體；坯體干燥4小時后放入氮氣氣氛燒結爐(氮氣氣壓0.02MPa)中在1400℃×1h條件下燒成；保溫結束后待爐溫降至常溫出爐，最后進行質量檢查，檢測試樣的體積密度、顯氣孔率、常溫耐壓強度、常溫抗折強度等各項性能指標，結果如下Al2O394wt％、[N]含量2.3wt％、體積密度2.9g/cm3、顯氣孔率20％、常溫抗折強度18MPa、1400℃抗折強度24MPa、1000℃-室溫風冷循環3次后常溫抗折強度22MPa，晶相組成為主晶相剛玉、次晶相MgAlON相。
實施例2、片狀微晶增韌MgAlON復合剛玉材料的制備方法，采用電熔白剛玉(Al2O398wt％)顆粒混合料(3-1mm 45wt％、1-0.074mm 15wt％)做骨料，采用活性氧化鋁粉26wt％(粒度＜0.074mm、化學組成為Al2O399wt％)、金屬鋁粉10wt％和化學純MgO4wt％的混合料做基質，另加占上述原料總量6wt％的Cr2O3作添加劑。各種原料按比例稱量后，先將粉料和顆粒料分別在混料機中混合5分鐘至均勻；在顆粒料中加入上述原料量3wt％的結合劑-亞硫酸紙漿廢液(d＝1.18g/cm3)混合5分鐘至均勻，再加入預混合的粉料，在混料機中混合10分鐘至均勻即制成泥料；將泥料放入壓力機中在100MPa壓力下成型出25×25×125mm坯體；坯體干燥4小時后放入氮氣氛爐中在1500℃×1h條件下燒成；保溫結束后待爐溫降至700℃以下方可停止通氮氣；出爐，最后進行質量檢查，檢測試樣的體積密度、顯氣孔率、常溫耐壓強度、常溫抗折強度等各項性能指標，結果如下Al2O3≥90wt％、[N]含量3.8wt％、體積密度2.9g/cm3、顯氣孔率20％、常溫抗折強度18MPa、1400℃抗折強度24MPa、1000℃-室溫風冷循環3次后常溫抗折強度22MPa，晶相組成為主晶相剛玉、次晶相MgAlON相。
實施例3、片狀微晶增韌MgAlON復合剛玉材料的制備方法，采用電熔白剛玉(Al2O398wt％)顆粒混合料(3-1mm 45wt％、1-0.074mm 15wt％)做骨料，采用活性氧化鋁粉20wt％(粒度＜0.074mm、化學組成為Al2O399wt％)、金屬鋁粉17wt％、化學純MgO 3wt％的混合料做基質。各種原料按比例稱量后，先將粉料和顆粒料分別在混料機中混合5分鐘至均勻；在顆粒料中加入上述原料量3wt％的結合劑-亞硫酸紙漿廢液(d＝1.18g/cm3)混合5分鐘至均勻，再加入預混合的粉料，在混料機中混合10分鐘至均勻即制成泥料；將泥料放入壓力機中在100MPa壓力下成型出25×25×125mm坯體；坯體干燥4小時后放入燒結爐中在1000℃×1h條件下燒成；保溫結束后待爐溫降至700℃以下方可停止通氮氣；出爐，最后進行質量檢查，檢測試樣的體積密度、顯氣孔率、常溫耐壓強度、常溫抗折強度等各項性能指標，結果如下Al2O390.5wt％、[N]含量4.2wt％、體積密度3.1g/cm3、顯氣孔率22％、常溫抗折強度15MPa、1450℃抗折強度22MPa、1000℃-室溫風冷循環3次后常溫抗折強度16MPa，晶相組成為主晶相剛玉、次晶相為MgAlON相。
權利要求
1.片狀微晶增韌MgAlON復合剛玉材料制備方法，其特征在于，包括以下步驟(1)以剛玉顆粒原料為骨料、以活性氧化鋁粉和金屬鋁粉或等鋁含量的鋁硅或鋁鎂合金粉和氧化鎂粉或等氧化鎂含量的鎂砂粉或鎂鋁尖晶石的混合料為基質料，先在混合均勻的骨料中加入結合劑，再加入預混合均勻的的粉料，在混料機中混合3-10分鐘制成泥料；(2)將泥料在70-200MPa壓力下壓制成坯，干燥4-48小時；(3)將干燥坯體放入空氣氛燒結爐中在1000-1450℃保溫1-6h，保溫結束后待爐溫降至常溫出爐；各原料重量百分比為剛玉粒徑3-1mm 30-55wt％，1-0.074mm 8-15wt％，活性氧化鋁粉粒徑0.074-＞0mm 10-30wt％，金屬鋁粉8-22wt％，氧化鎂粉3-10wt％。
2.如權利要求書1所述的制備方法，其特征在于，剛玉為Al2O3含量98-99.9wt％的電熔白剛玉，金屬鋁粉或等鋁含量的鋁硅或鋁鎂合金粉Al含量90-99.9wt％、粒度＞0-0.088mm，氧化鎂粉或鎂砂粉或鎂鋁尖晶石MgO含量90-99.9wt％，結合劑為亞硫酸紙漿廢液、聚乙烯醇、糊精、木質素之一種或兩種以上的組合。
3.如權利要求1或2所述的制備方法，其特征在于，混合料中另加占混合料＞0-25wt％的添加劑SiO2或Cr2O3粉料。
全文摘要
片狀微晶增韌MgAlON復合剛玉材料制備方法，屬于耐火材料技術領域。由多級剛玉顆粒混合料做骨料、以氧化鋁粉、金屬鋁粉、氧化鎂粉為基質，通過控制工藝或者加入SiO
文檔編號C04B35/622GK1880268SQ200510017680
公開日2006年12月20日 申請日期2005年6月14日 優先權日2005年6月14日
發明者楊道媛, 胡金明, 關紹康, 苗晉琦, 封鑒秋, 賈曉林 申請人:鄭州大學