專利名稱：一種ZrB₂-SiC復合粉體的電熔法制備工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于無機非金屬材料技術領域，涉及一種高性能陶瓷原料、耐火材料添加劑的制備方法，具體涉及一種ZrB2-SiC復合粉體的電熔法制備工藝。
背景技術：
電熔法制備陶瓷原料具有工藝簡單、流程短、產品成本低、單爐產率高等優(yōu)點，常用來制備氧化鋯、剛玉、鋯剛玉和鋯剛玉-莫來石等氧化物陶瓷原料，而利用電熔法制備非氧化物的研究報道較少。ZrB2和SiC都具有較高的熔點，較低的熱膨脹系數(shù)，較高的導熱性以及優(yōu)良的抗熱震性和抗侵蝕性，將ZrB2和SiC復合可解決ZrB2高溫O 1100°C)抗氧化性差和韌性差的問題；中國專利“一種二硼化鋯/碳化硅復合材料及利用電弧熔化原位反應制備方法”(申請?zhí)?201210126970.7)中二硼化鋯/碳化硅復合材料是采用鋯粉、碳化硼粉及碳化硅粉為原料，在氬氣保護下用電弧爐對干燥后的混合粉末進行熔化使其發(fā)生反應制備而成，但所用原料價格昂貴，結合劑采用水玻璃，水玻璃中的Na +易與體系中其它物質反應生成低熔點物相，對二硼化 鋯/碳化硅復合材料的實際應用有負面影響，且氬氣保護不易實現(xiàn)大規(guī)模生產。目前制備ZrB2-SiC復合粉體的方法大都采用價格昂貴的原料，如ZrO2、碳化硼等，采用化學的方法(如溶膠-凝膠法)，因此很難大規(guī)模生產并應用。

發(fā)明內容
為了解決目前二硼化鋯/碳化硅復合材料的制備工藝存在著工藝流程短、產品成本高的問題，本發(fā)明的目的是提供一種采用價格相對較低的原料且具有冶煉時間短、產物純凈、成本低和易于大規(guī)模生產的一種ZrB2-SiC復合粉體的電熔法制備工藝。本發(fā)明采用的技術方案是以下述方式實現(xiàn)的:
一種ZrB2-SiC復合粉體的電熔法制備工藝，以鋯英石、硼酸和石油焦為起始原料，各種原料混合均勻混磨1-5小時后加入適量的紙漿廢液成型為類球體，制備的類球體的直徑為10-30mm ;類球體干燥后放入電弧爐中，采用逐漸加料法；升溫至60°C保溫6_12小時，再升溫至120°C保溫6-10小時，繼續(xù)升溫至180°C保溫12-20小時；電壓控制在80-150V，電流控制在2000-4000A，待各種原料熔融后維持5-30min，然后切斷電源、提升電極并在熔體表面覆蓋碳粉，隨爐冷卻后，取出電熔料破碎并磨細至200目以下，并用磁鐵除去被還原出的鐵即可；原料質量比為:鋯英石:石油焦:硼酸=100:70-150: 180-250。本發(fā)明優(yōu)選的技術方案如下:
原料質量比為:鋯英石:石油焦:硼酸=100:70: 180，各原料混磨5小時后制成類球體進行干燥，干燥時先升溫至60°C保溫6小時，再升溫至120°C保溫6小時，繼續(xù)升溫至180°C保溫12小時；冶煉時電壓控制在80-100V，電流控制在2000-2500A，使混合料全部熔融后電弧維持30min。
本發(fā)明優(yōu)選的技術方案如下:
原料質量比為:鋯英石:石油焦:硼酸=100:100:200，各原料混磨5小時后制成類球體進行干燥，干燥時先升溫至60°C保溫8小時，再升溫至120°C保溫8小時，繼續(xù)升溫至180°C保溫15小時；冶煉時電壓控制在100-120V，電流控制在2500-3000A，使混合料全部熔融后電弧維持20min。本發(fā)明優(yōu)選的技術方案如下:
原料質量比為:鋯英石:石油焦:硼酸=100:120: 220，各原料混磨3小時后制成類球體進行干燥，干燥時先升溫至60°C保溫8小時，再升溫至120°C保溫10小時，繼續(xù)升溫至180°C保溫18小時；冶煉時電壓控制在120-140V，電流控制在3000-3500A，使混合料全部熔融后電弧維持lOmin。本發(fā)明優(yōu)選的技術方案如下:
原料質量比為:鋯英石:石油焦:硼酸=100:150: 250，各原料混磨I小時后制成類球體進行干燥，干燥時先升溫至60°C保溫10小時，再升溫至120°C保溫10小時，繼續(xù)升溫至180°C保溫20小時；冶煉時電壓控制在140-150V，電流控制在3500-4000A，使混合料全部熔融后電弧維持5min。所述的鋯英石各主要成分質量百分含量為=ZrO2 65^67%, Si023(T34%，Al2O3(0.5%, TiO2 ( 0.5%, Fe2O3 ( 0.3%, Na2CHK2O ( 0.15%，粒度小于 0.074mm。所述的硼酸純度大于99%，粒度小于0.074mm。所述的石油焦純度大于97%，粒度小于0.074mm。所述的各種原料采用`球磨干混方法，混合步驟中所采用的球為氧化鋯球、碳化硼球和不銹鋼球中的一種或幾種。本發(fā)明中各物料的配比是制備純度較高的ZrB2-SiC復合粉體的必要條件，硼酸在熔煉過程中易揮發(fā)，應適當過量；要使鋯英石和硼酸反應完全，應使石油焦適當過量。原料混合步驟中混合時間很關鍵，時間太短，各物料混合不勻，反應就不徹底；混合時間過長，由于各原料的密度不同容易產生偏析致使混合不勻，又浪費能源。選擇合適的干燥工藝可使水分徹底排除，又使料團不致于在干燥階段松散，從而有利于冶煉的順利進行。冶煉電壓和電流控制是制備的關鍵工藝參數(shù)，電壓較低反應速度慢、生產效率低，電壓過高使新合成的ZrB2-SiC復合粉體部分氧化從而使純度降低。復合粉體的重量百分比表明其純度，純度越高，復合粉體的質量越好。本發(fā)明的積極效果是:1、本發(fā)明提供了以價格低廉的鋯英石、石油焦和硼酸為原料采用電熔工藝制備高附加值ZrB2-SiC復合粉體，具有工藝簡單、成本低、熔化速度快(短流程)，產率高，可采用容積較大的電熔爐，易于工業(yè)化大規(guī)模生產。2、本發(fā)明的反應機理不同于其它制備方法中的固相反應，各物料在電弧的作用下很快熔化成液態(tài)，屬于液相反應，各物料間傳質速度快，反應時間短且反應充分。3、本發(fā)明制備的復合粉體純度高，采用電熔法時，鉀、鈉及其化合物在電熔過程中隨揮發(fā)性物質逸出，復合粉體純度可達97%以上。4、本發(fā)明所制備的ZrB2-SiC復合粉體中被還原出的鐵可通過磁鐵去除，微量雜質相TiO2可轉化為高熔點、高性能陶瓷相TiC或TiB2，微量雜質相Al2O3熔點很高，且副產物是高熔點、性能優(yōu)良的B4C，這些相的存在對本發(fā)明制備的粉體工業(yè)化應用無負面影響。5、本發(fā)明所提供的ZrB2-SiC復合粉體的電熔法制備工藝為非氧化物復合粉體的電熔法制備提供了新思路、新方法。


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圖1為電熔法制備的ZrB2-SiC復合粉體的物相組成圖。圖2為電熔法制備的ZrB2-SiC復合粉體的顯微結構圖。
具體實施例方式下面結合實施例對本發(fā)明作進一步描述，但不限于下列實施例。實施例1
鋯英石:石油焦:硼酸=100: 70: 180 (質量比)，以氧化鋯球混磨，混合5小時；混合后物料以紙漿廢液為結合劑制成直徑為10_的類球體，然后進行干燥，先升溫至60°C保溫6小時，再升溫至120°C保溫6小時，繼續(xù)升溫至180°C保溫12小時；干燥后的類球體分批放入電弧爐中；采用埋弧法冶煉·，電壓控制在80-100V，電流控制在2000-2500A，使混合料全部熔融后電弧維持30min，然后切斷電源，提升電極，并用碳粉覆蓋熔體表面；隨爐冷卻至室溫后，取出電熔料，破碎后磨細成粒度〈200目的復合粉體，并用磁鐵除去被還原出的鐵。實施例2
鋯英石:石油焦:硼酸=100:100:200 (質量比)，以碳化硼球混磨，混合5小時；混合后物料以紙漿廢液為結合劑制成直徑為20_的類球體，然后進行干燥，先升溫至60°C保溫8小時，再升溫至120°C保溫8小時，繼續(xù)升溫至180°C保溫15小時；干燥后的類球體分批放入電弧爐中；采用埋弧法冶煉，電壓控制在100-120V，電流控制在2500-3000A，使混合料全部熔融后電弧維持20min，然后切斷電源，提升電極，并用碳粉覆蓋熔體表面；隨爐冷卻至室溫后，取出電熔料，破碎后磨細成粒度〈200目的復合粉體，并用磁鐵除去被還原出的鐵。實施例3
鋯英石:石油焦:硼酸=100:120: 220 (質量比)，以不銹鋼球混磨，混合3小時；混合后物料以紙漿廢液為結合劑制成直徑為30_的類球體，然后進行干燥，先升溫至60°C保溫8小時，再升溫至120°C保溫10小時，繼續(xù)升溫至180°C保溫18小時；干燥后的類球體分批放入電弧爐中；采用埋弧法冶煉，電壓控制在120-140V，電流控制在3000-3500A，使混合料全部熔融后電弧維持lOmin，然后切斷電源，提升電極，并用碳粉覆蓋熔體表面；隨爐冷卻至室溫后，取出電熔料，破碎后磨細成粒度〈200目的復合粉體，并用磁鐵除去被還原出的鐵。實施例4
鋯英石:石油焦:硼酸=100:150: 250(質量比)，以氧化鋯球和碳化硼球混磨，混合I小時；混合后物料以紙漿廢液為結合劑制成直徑為30_的類球體，然后進行干燥，先升溫至60°C保溫10小時，再升溫至120°C保溫10小時，繼續(xù)升溫至180°C保溫20小時；干燥后的類球體分批放入電弧爐中；采用埋弧法冶煉，電壓控制在140-150V，電流控制在3500-4000A，使混合料全部熔融后電弧維持5min，然后切斷電源，提升電極，并用碳粉覆蓋熔體表面；隨爐冷卻至室溫后，取出電熔料，破碎后磨細成粒度〈200目的復合粉體，并用磁鐵除去被還原出的鐵。電熔工藝制備出的ZrB2-SiC復合粉體的物相組成和顯微結構見附圖1和圖2。
由圖1可知，復合粉體的物相組成主要為ZrB2-SiC,還有少量高熔點相B4C ;利用圖1中各物相衍射峰的積分面積可以計算出各物相的相對含量。由圖2知，Z rB2粒徑較大，SiC呈細小粒狀，且SiC晶體彌散在ZrB2骨架結構中。
權利要求
1.一種ZrB2-SiC復合粉體的電熔法制備工藝，以鋯英石、硼酸和石油焦為起始原料，各種原料混合均勻混磨1-5小時后加入適量的紙漿廢液成型為類球體，制備的類球體的直徑為10-30mm ;類球體干燥后放入電弧爐中，采用逐漸加料法；升溫至60°C保溫6_12小時，再升溫至120°C保溫6-10小時，繼續(xù)升溫至180°C保溫12-20小時；電壓控制在80-150V，電流控制在2000-4000A，待各種原料熔融后維持5-30min，然后切斷電源、提升電極并在熔體表面覆蓋碳粉，隨爐冷卻后，取出電熔料破碎并磨細至200目以下，并用磁鐵除去被還原出的鐵即可；原料質量比為:鋯英石:石油焦:硼酸=100:70-150: 180-250。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種ZrB2-SiC復合粉體的電熔法制備工藝，其特征在于:原料質量比為:鋯英石:石油焦:硼酸=100:70: 180，各原料混磨5小時后制成類球體進行干燥，干燥時先升溫至60°C保溫6小時，再升溫至120°C保溫6小時，繼續(xù)升溫至180°C保溫12小時；冶煉時電壓控制在80-100V，電流控制在2000-2500A，使混合料全部熔融后電弧維持 30min。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種ZrB2-SiC復合粉體的電熔法制備工藝，其特征在于:原料質量比為:鋯英石:石油焦:硼酸=100:100:200，各原料混磨5小時后制成類球體進行干燥，干燥時先升溫至60°C保溫8小時，再升溫至120°C保溫8小時，繼續(xù)升溫至180°C保溫15小時；冶煉時電壓控制在100-120V，電流控制在2500-3000A，使混合料全部熔融后電弧維持20min。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種ZrB2-SiC復合粉體的電熔法制備工藝，其特征在于:原料質量比為:鋯英石:石油焦:硼酸=100:120: 220，各原料混磨3小時后制成類球體進行干燥，干燥時先升溫至60°C保溫8小時，再升溫至120°C保溫10小時，繼續(xù)升溫至180°C保溫18小時；冶煉時電壓控制在120-140V，電流控制在3000-3500A，使混合料全部熔融后電弧維持IOmin。
5.根據(jù)權利要求1所述的ZrB2-SiC復合粉體的電熔法制備工藝，其特征在于:原料質量比為:鋯英石:石油焦:硼酸= 100:150: 250，各原料混磨I小時后制成類球體進行干燥，干燥時先升溫至60°C保溫10小時，再升溫至120°C保溫10小時，繼續(xù)升溫至180°C保溫20小時；冶煉時電壓控制在140-150V，電流控制在3500-4000A，使混合料全部熔融后電弧維持 5min。
6.根據(jù)權利要求1、2、3、4或5所述的一種ZrB2-SiC復合粉體的電熔法制備工藝，其特征在于:鋯英石各主要成分質量百分含量為=ZrO2 65 67%，Si0230 34%，Al2O3 ( 0.5%，TiO2(0.5%, Fe2O3 ( 0.3%, Na2CHK2O ( 0.15%，粒度小于 0.074mm。
7.根據(jù)權利要求6所述的一種ZrB2-SiC復合粉體的電熔法制備工藝，其特征在于:所述的硼酸純度大于99%,粒度小于0.074mm。
8.根據(jù)權利要求7所述的一種ZrB2-SiC復合粉體的電熔法制備工藝，其特征在于:所述的石油焦純度大于97%，粒度小于0.074mm。
9.根據(jù)權利要求6所述的一種ZrB2-SiC復合粉體的電熔法制備工藝，其特征在于:所述的各種原料采用球磨干混方法，混合步驟中所采用的球為氧化鋯球、碳化硼球和不銹鋼球中的一種或幾種。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種ZrB2-SiC復合粉體的電熔法制備工藝，以鋯英石、硼酸和石油焦為起始原料，各種原料混合均勻混磨1-5小時后加入適量的紙漿廢液成型為類球體，制備的類球體的直徑為10-30mm；類球體干燥后放入電弧爐中，升溫至60℃保溫6-12小時，再升溫至120℃保溫6-10小時，繼續(xù)升溫至180℃保溫12-20小時；電壓控制在80-150V，電流控制在2000-4000A，待各種原料熔融后維持5-30min，原料質量比為鋯英石∶石油焦∶硼酸=100∶70-150∶180-250，本發(fā)明具有工藝簡單、成本低、熔化速度快，產率高，可采用容積較大的電熔爐，易于工業(yè)化大規(guī)模生產；復合粉體純度可達97%以上。
文檔編號C04B35/58GK103073304SQ20131001559
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月16日 優(yōu)先權日2013年1月16日
發(fā)明者馬成良, 劉新紅, 張海軍, 賈全利 申請人:鄭州大學, 武漢科技大學