高炉水淬渣制备Ca-Y-Sialon陶瓷材料及其显微组织.pdf
第6卷第3期材 料 与 冶 金 学 报Vol16 No13 收稿日期:2007203204.基金项目:国家自然科学基金资助项目(59202009).作者简介:朱喆(1983-),男,黑龙江绥化人,东北大学硕士研究生;茹红强(1962-),男,山西阳城人,东北大学教授,博士生导师,E2mail:ruhqsmm1neu1edu1cn.2007年9月Journal ofMaterials andMetallurgySept12007高炉水淬渣制备(Ca/Y)2 2Si alon陶瓷材料及其显微组织朱 喆,茹红强,常 青,喻 亮,王华川(东北大学 材料各向异性与织构工程教育部重点实验室,沈阳110004)摘 要:研究了以高炉水淬渣合成的Ca2 2Sialon粉体为原料制备Ca,Y复合掺杂 2Sialon陶瓷的无压烧结工艺及Y2O3加入量对显微组织及相组成的影响.结果表明,试样中Ca2 2Sialon呈等轴晶粒,(Ca/Y)2 2Sialon呈柱状晶粒.晶粒形状受控于Y3+的固溶量与烧结温度.随着Y2O3含量增加,柱状晶数量增加.随着烧结温度提高,2Sialon柱状晶出现粗化和等轴化.关键词:陶瓷材料;(Ca/Y)2 2Sialon;无压烧结;显微组织中图分类号:TQ 174 文献标识码:A 文章编号:167126620(2007)0320220204M icrostructure and preparation of(Ca/Y)2 2Sialon ceram icssynthesized from water quenched blast furnace slagZHU Zhe,RU Hong2qiang,CHANGQing,YU Liang,WANG Hua2chuan(KeyLaboratory forAnisotropy and Texture ofMaterials(Ministry of Education),Northeastern University,Shenyang 110004,China)Abstract:Ca and Ymultiple doped2Sialon ceramicswere fabricated usingCa2 2Sialon powder synthesizedfrom water quenched blast furnace slag.The pressureless sintering parameters and the effect of amounts ofY2O3additions on microstructures and phase for mation of(Ca/Y)2 2Sialon ceramics were studied.Theresults showed that Ca2 2Sialon grains were equiaxial,while(Ca/Y)2 2Sialon grains were elongated.Thegrain shape was controlled by the soluble content of Y3+and sintering temperature.The amount of elongatedgrains increased with increasing of yttrium amount,and the grains of the2Sialon changed from elongated toequiaxial oneswith increasing sintering temperature.Key words:ceramic material;(Ca/Y)2 2Sialon;pressureless sintering;microstructure 高炉水淬渣(矿渣)是炼铁生产过程中产生的副产品,它的主要成分如CaO,Si O2和Al2O3等,是合成Ca2 2Sialon的原料1.作为添加剂的金属离子在烧结后能进入 2Sialon结构从而减少晶界相的含量,并能改善材料的高温性能.2Sialon的这一优点使得它长期以来一直受到结构材料界的高度重视,并发展成为最有应用前景的一种结构陶瓷2.然而,由于 2Sialon材料的高含氮量,给材料的致密化带来一定的困难,在不加烧结助剂的情况下很难烧结致密.采用复合添加金属离子来稳定 2Sialon的结构,能降低材料的最低共熔点,从而改善其烧结性能.常压烧结 2Sialon陶瓷的关键是选择合适的烧结助剂3.本文研究了以高炉水淬渣合成的Ca2 2Sialon为原料、Al2O3和Y2O3为添加剂制备的(Ca/Y)2 2Sialon陶瓷的相组成及显微结构,为利用高炉水淬渣制备(Ca/Y)2 2Sialon陶瓷提供了有价值的研究基础.1 实验过程实验采用由高炉水淬渣合成的Ca2 2Sialon粉(上海宝田公司提供,主相为Ca2 2Sialon,杂质主要为Fe4N)为原料,以Al2O3(平均粒径小于1m)、Y2O3(其质量分数为9919%,平均粒径小于1m)为烧结助剂.试样中Al2O3的质量分数为5%,Y2O3的质量分数为4%14%.成形黏结剂为聚乙烯醇,加入量为物料总质量的10%.将按组分配置的初始粉料球磨混合12 h,磨球为氧化铝球,介质为无水乙醇.球磨后的物料经干燥、造粒后,在40 MPa压力下单向预压成形(条样尺寸为6 mm6 mm36 mm),再在200MPa下冷等静压成形.成形坯体在100经12 h烘干后,在011 MPa的纯N2气氛下烧结.烧结分别采用1 700 下115 h和1 750下115 h两种制度,升温速度为5/min,烧结完成后随炉冷却.利用阿基米德原理测量试样的密度.利用理学D/max2r B型X射线衍射仪(XRD)进行相组成分析;利用SSX2550型扫描电镜观察试样的显微形貌,并利用EDX进行微区成分分析;采用GX71金相显微镜进行组织分析.2 结果与讨论211 材料的密度与孔隙度表1和表2为试样的体积密度和开口气孔率与Y2O3质量分数的关系.由表可知,随着Y2O3含量增加,试样的体积密度呈现先增加后降低的变化规律,1 750 烧结后试样的密度比1 700烧结后的低,气孔率也比1 700烧结后的高.Y2O3质量分数为10%、烧结温度为1 700时材料的体积密度最高,为3132 g/cm.这一方面是由于Y2O3中Y3+和O2-容易固溶到Sialon晶格中使Sialon晶格发生畸变4,另一方面Y2O3与试样中添加的Al2O3形成YAG5,促进了材料的烧结.当Y2O3质量分数超过10%时,其固熔于Sialon中的量明显增加,Sialon的熔点大大降低,使试样易出现挥发物和气泡,导致试样密度降低.烧结温度增加时,这种出现挥发物和气泡的情况更加严重.当Y2O3质量分数从10%增加到14%时,1 750烧结的试样表面出现肉眼可见的气孔.由表1和表2可知,当Y2O3质量分数为8%和10%时,试样的烧结致密化程度较高.下面将主要研究该成分下试样的相组成、显微组织.表11 700烧结试样Y2O3含量对体积密度和开口气孔率的影响Table 1Effect of amount of Y2O3on bulk density and open porosity of samples sintered at 1 700w(Y2O3)/%468101214体积密度/(gcm-3)2.3542.7633.0473.3193.3163.301开口气孔率/%10.8904.2080.9060.0460.0470.093表21 750烧结试样Y2O3含量对体积密度和开口气孔率的影响Table 2Effect of amount of Y2O3on bulk density and open porosity of samples sintered at 1 750w(Y2O3)/%468101214体积密度/(gcm-3)2.3532.5752.8013.1343.0912.476开口气孔率/%11.0585.9374.3410.2073.56711.562212X射线物相分析图1为不同Y2O3含量和不同温度烧结材料的X射线衍射图.由图可知,材料的主相均为 2Sialon,其他相有Fe2N化合物和YAG,随着烧结温度和Y2O3含量的增加,YAG的衍射峰增强,随着烧结温度的增加Fe2N化合物的衍射峰增强,说明Y2O3除固溶在Sialon中外,还和原料中添加的Al2O3形成了YAG相,随着烧结温度和Y2O3含量的增加YAG相的生成量在增加.Fe2N化合物是原料中固有的杂质相,烧结温度促进了Fe2N相的粗化.213 材料显微组织特征图2为w(Y2O3)=10%的材料在1 700 烧结115 h后的显微组织和EDX微区成分分析图.由图可知,材料主要由 2Sialon等轴晶、2Sialon柱状晶和白色球状Fe2N化合物等组成,等轴晶与柱状晶的成分相近,柱状晶中w(Y)约为1%,等轴晶中不含Y.说明柱状晶是液相烧结过程中析出的含有Y3+的 2Sialon晶粒,而等轴晶是Ca2 2Sialon烧结形成的晶粒,这与文献6-8 的观点相同.白色颗粒相主要由Fe2N化合物形成,为杂质相.122第3期 朱 喆等:高炉水淬渣制备(Ca/Y)2 2Sialon陶瓷材料及其显微组织图1 不同烧结温度和不同Y2O3质量分数下样品的X射线衍射图谱Fig11XRD patterns of samples w ith differentsintering temperatures and Y2O3mass contents(a)w(Y2O3)=8%1 700;(b)w(Y2O3)=10%1 700;(c)w(Y2O3)=8%1 750;(d)w(Y2O3)=10%1 750214 烧结温度对显微组织的影响图3为w(Y2O3)=10%的材料在不同温度下烧结115 h后的显微组织.由图可知,烧结温度的提高明显促进材料的晶粒长大、柱状晶的长径比降低.这是由于 2Sialon的形成是一个在液相中成核生长的过程.成核的驱动力主要是液-固界面能的降低9,而晶粒生长的驱动力主要为系统表面能的降低.在烧结过程中,不同温度下液相含量和黏度的变化会影响2Sialon晶粒不同晶面的生长速度,导致最终的显微结构中出现直径和长径比各异的2Sialon晶粒.与单一掺杂2Sialon相比复合掺杂的反应过程更加复杂,对烧结过程中晶粒成核与生长的影响也大,导致晶粒形态的差异表现得更为明显.而杂质Fe2N化合物的颗粒长大可能由于温度升高使液相的流动性更好,Fe2N化合物更容易汇聚到一起.图2Y2O3质量分数为10%的材料在1 700 烧结115 h后的显微组织Fig12M icrostructure and EDS spectra of samp les containing 10 mass%Y2O3sintered at 1 700for 115 h(a)显微组织;(b)能谱分析(等轴晶粒);(c)能谱分析(柱状晶粒);(d)能谱分析(白色颗粒相)215Y2O3含量对显微组织的影响图4为不同Y2O3含量的材料在1 750 烧结115 h后的显微组织.由图可知,Y2O3含量的增加促进了柱状晶数量的增加,并且白色Fe2N化合物的尺寸粗化.这是由于随着Y2O3含量的增加,2Sialon与Y2O3反应体系产生的低熔点相增加,222材 料 与 冶 金 学 报 第6卷在相同的烧结温度下获得更多的液相,使Y3+进入2Sialon晶格的几率增加,可以获得更多的柱状晶粒.同时液相量的增加也促进了Fe2N化合物的尺寸粗化.图3Y2O3质量分数为10%的样品在1 700(a)和1 750(b)烧结115 h的显微组织Fig13M icrostructure of samples containing 10 m ass%Y2O3(a:sintered at 1 700for 115 h,b:sintered at 1 750for 115 h)图4Y2O3质量分数为8%(a)和10%(b)的试样在1 750 烧结115 h的显微组织Fig14M icrostructure of samples sintered at 1 750for 115 h(a:w(Y2O3)=8%;b:w(Y2O3)=10%)3 结 论(1)试样中主相为 2Sialon,杂质相为Fe2N化合物.(2)Ca2 2Sialon为等轴晶,掺杂Y的(Ca/Y)2 2Sialon则为柱状晶.(3)随着Y2O3含量增加,柱状晶数量增加.随着烧结温度提高,2Sialon柱状晶出现粗化和等轴化.参考文献:1成海芳,文书明,殷志勇.高炉渣综合利用的研究进展J.矿业快报,2006,(9):21-23.2刘克明,王福明,李文超,等.高炉渣合成Ca2 2Sialon-SiC粉的热力学分析及工艺优化 J.北京科技大学学报,2001,5(23):404-408.3王佩玲,贾迎新,张骋,等.Ca2 2Sialon的形成特性和显微结构的研究J.无机材料学报,1999,14(5):763-768.4 Wang C M,Mitomo M.Atomic structural environment of Y inthe residual glassphase of silicon nitride and-sialonJ.Ac2taMaterialia,2002(50):3151-3158.5 LinM T,Shi J L,WangL,et al.Microstructure and creep be2haviorof an Y-sialon compositeJ.Journalof the Euro2pean Ceramic Society,2001,21(6):833-840.6 Huang Zhen Kun,Jiang Yao Zhong,Tien Tseng Ying.For mation of-Sialon with dualmodifying cations(Li+Y and Ca+Y)J.Journal ofMaterials Science Letters,1997,(16):747-751.7 Zhou C R,Yu ZB,Krstic V D.Pressureless sintered self-re2inforced Y-Sialon ceramics J.Journal of the EuropeanCeramic Society,2007(27):437-443.8 Martin Deckwerth,Christian Rssel.Crystallization of oxynitrideglasses in the system Mg-Ca-A1-Si-O-N prepared withthe aid of a polymeric Precursor J.Journal of Non-Crystal2line Solids,1997(217):55-65.9 何凤鸣,茹红强,霍地,等.WC对合金化烧结硬化钢的性能影响J.材料与冶金学报,2005,4(4):300-303.322第3期 朱 喆等:高炉水淬渣制备(Ca/Y)2 2Sialon陶瓷材料及其显微组织
