高炉水淬渣制备Ca-Y-Sialon陶瓷材料及其显微组织.pdf

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1、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11000

2、4)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

3、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 doped2Si

4、alon 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 gr

5、ains 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 incre

6、asing 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

7、,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

8、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

9、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S

10、ialon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 1E

11、ffect 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 a

12、t 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.F

13、e2N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 2Si

14、alon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

15、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

16、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

17、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

18、 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

19、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 be2havio

20、rof 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 sinter

21、ed 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