低成本α-赛隆粉体的自蔓延高温合成制备方法技术领域
本发明涉及的是一种低成本合成α-赛隆(Sialon)粉体的方法。更确切
地说是一种以冶金矿渣或某些天然矿物或它们的混合物、金属硅粉和金属铝
粉为主要原料，通过高温自蔓延工艺合成粉体的方法。属于非氧化物超细粉
体制备领域。
背景技术
Sialon是近二十年发展起来的氮化硅基陶瓷，具有高温稳定性、高强度、
耐磨损、耐腐蚀和抗热震等性能，α-Sialon与β-Sialon相比，具有更高的硬
度和耐磨性，强度和韧性则略低于β-Sialon，而且由于溶入了金属元素，因
此还具有导电性，添加某些稀土元素的α-Sialon还具有新的光学性能，这种
陶瓷具有相对较高的透明度，并呈现某种颜色，而且由于其同时具有光电性
能和良好的机械和热性能，因此可以得到许多新的应用。α-Sialon常压烧结
法的生产成本是β-Sialon的1/5～1/10。近年来，Sialon陶瓷材料主要应用于
研磨介质、金属切具、轴承、引擎及透平材料等几个方面，特别适宜于在冶
金、化工等高温、腐蚀性环境下使用和机械工业中发挥作用。随着工业的发
展，Sialon陶瓷必将具有更广泛的应用前景。因此，世界各国在Si3N4基Sialon
陶瓷上投入了大量的科研力量。经过几十年的发展，Sialon陶瓷的高温和室
温力学性能已有较大幅度的提高，然而其应用依然受到限制，其原因主要在
于高昂的成本使其难以在普通的商用市场上立足，只能少量应用于一些高精
尖技术领域。从Sialon陶瓷的生产成本分析，发现原料价格是导致Sialon陶
瓷成本偏高的一个重要因素，因为现有的制备Sialon粉料所采用原料需用高
纯度的氮化硅和高昂的添加剂，如AlN和稀土氧化物等。因此，降低成本
且保持其优异性能，就成为今后Sialon陶瓷开发应用的重要方向。
自蔓延高温合成(SHS)工艺是最近二、三十年发展起来的高效全盛陶
瓷粉体的先进技术，它通过反应物之间自身的放热燃烧合成从而确保反应持
续进行，整个过程几乎不需要外界提供任何能源，并且在几十秒内完成反
应，因而是一种倍受关注的合成粉料的方法，具有工艺简单、能耗低、产品
纯度高、投资少等优点。采用此工艺已经合成出了一些Sialon粉体，如中国
冶金工业部钢铁研究总院韩欢庆等人发明的“一种陶瓷粉的制备方法
(CN1055279C)”是在硅粉中添加铝粉和氧化硅或氧化铝或添加氮化铝和氧
化铝，采用自蔓延高温合成技术合成β-Sialon粉体。中国科学院上海硅酸盐
研究所的陈卫武等人发明的“一种低成本合成赛隆陶瓷粉料的方法”(申请
号01126758.5)，是在硅粉、铝粉、氮化硅或Sialon粉体中添加氮化铝粉和
工业废料，如炉渣、矿渣、粉煤灰或自然界大量存在的粘土，通过采用高效
节能的自蔓延高温合成工艺获得低成本的单相α-Sialon粉体，但是氮化硅和
氮化铝成本较高。本发明人提出在α-Sialon粉体的制备过程中能否取消氮化
硅和氮化铝，同时不使用酒精为分散介质，省略原料烘干处理等复杂工序，
从而进一步节省能源，真正达到低成本合成α-Sialon粉料的目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低成本合成高性能α-赛隆(Sialon)粉体的
方法。
本发明的目的是通过下述方式实施的。即应用已有的Ln、Ca、Mg、Al、
O、N多元系统相关系知识，利用炉渣或某些天然矿物或它们的混合物为原
料，通过添加金属硅粉、铝粉、和本发明技术合成的赛隆粉体，结合自蔓延
高温合成工艺制备出低成本α-Sialon粉体。
具体地说：
(1)α-赛隆是以α-Sialon的通式MxSi12-(m+n)Alm+nOnN16-n中的x、m、n值作
为设计α-寒隆粉体的主要参数，当M为Nd、Sm、Gd、Dy、Y、Yb或它们
的复合粉体时，通常0.33＜x＜0.67，m＝3x，m＝2n；当M为Ca时，0.4＜x＜1.4，
m＝2n＝2x，依据炉渣或某些天然矿物的化学组成和相应金属元素所对应
α-Sialon的单相区，确定合成α-Sialon的化学表达式和所需原料的组成配比。
(2)原料，包括金属硅粉(纯度99％-99.5％，粒径范围为0.3μm～150μm)、
金属铝粉(94％～99.5％，粒径范围为0.3μm～50μm)、炉渣或某些天然矿物
(粒径范围为0.5μm～40μm)以及本发明合成的Sialon粉，根据Sialon组份
设计，按5-50∶5-30∶5-30∶5-60的比例混合进行配料，按上述α-Sialon组
成配比称量后，在以Sialon球或Si3N4球或Al2O3球或钢球或硬质合金球或
有机玻璃球或它们的混合物或其它球磨介质，在Sialon或Si3N4或刚玉或尼
龙或塑料球磨桶或其它材质的球磨桶中，干混2小时-48小时，取出，经15
目-300目筛网手动或采用机械振动方式过筛。
(3)将硅粉、铝粉、炉渣或某些天然矿物或它们的混合物和本发明合成
的Sialon粉按一定比例混合后，混合均匀的原料松装于碳毡制的直立环状筒
或盘状容器中，放置于自蔓延高温合成炉内，反应的高压氮气压力为3Mpa
-15Mpa，然后在高压容器中经点火自蔓延高温合成，在炉内或空气中自然冷
却后即可生成所需的Sialon粉。
(4)所述的炉渣或某些天然矿物包括冶金炉渣、粉煤灰粉、石灰石、稀土
矿或它们的混合物。
本发明的优点是：
自蔓延高温合成Sialon的规模化生产，最大的困难在于降低原料的成本
和减少生产工序。本发明的目的在于利用自蔓延高温合成方法，通过改变其
工艺参数，提供一种简便、快速、节能、高效、低成本的制备α-赛隆(Sialon)
粉体的方法。本发明除了“一种低成本合成赛隆陶瓷粉料的方法”(申请号
01126758.5)所具有的优点(如高效、能耗低、组成变化范围宽、对原料要
求低、设备简单等)以外，还具有如下的特点：
第一，只采用硅粉、铝粉、炉渣或某些天然矿物或它们的混合物和本发
明合成的赛隆粉，而用硅粉和铝粉的自蔓延高温合成氮化硅和氮化铝来代替
原料所需的氮化硅的氮化铝。
第二，本发明采用的主要原料为金属硅粉、金属铝粉及炉渣或某些天然
矿物或它们的混合物，颗粒度分别为0.3μm-150μm、0.3μm-50μm和
0.3μm-40μm，较宽的粒度范围，可有效降低成本。
第三，采用本发明合成的α-Sialon作为起始原料，既可作为晶种，又可
作为稀释剂，减缓SHS的反应速度，以及减少体系杂质含量。
第四，在原料混合过程中不采用湿磨、烘干等复杂工序，只采用干混工
艺，从而可有效地降低生产成本。
第五，以3-15Mpa高压氮气作为氮化源，为氮化提供充足的原料。
第六，本发明提供的高压容器无特殊要求，仅仅是反应物和添加剂在均
匀混合后或反应物本身均匀混合后，安放在碳毡制的直立环状筒或盘状容器
中，它们的形状图分别如图1、2所示。
第七，本发明的应用范围宽，并不局限于利用炉渣或某些天矿物来制备
α-赛隆(Sialon)粉体，而且而可利用可提供能进入Sialon的元素(包括金
属离子和氧)的原材料，来获得α-赛隆(Sialon)粉体。
下面通过实施例进一步阐明发明实质进步和本发明的创新点。
附图说明
图1是本发明提供的实施例6合成粉料的XRD图。
图2是本发明提供的实施例1-5中采用的碳毡制的直立环状筒。
图3是本发明提供的实施例6中采用的碳毡制的盘状容器。
其中，图中：
1—钨丝发热体 2—点火剂 3—反应物
4—碳毡容器
图1为直立环状，图2为盘状容器。
具体实施方式
实施例1
以某钢铁厂高炉渣、金属硅粉、铝粉为原料，并5％本本发明技术合成
的Sialon粉体，考虑到炉渣的化学组成(表1)，α-Sialon的组份按
Ca0.71Mg0.23Si9.18Al2.82O0.94N15.06设计，按此组份配好的原料在尼龙桶中以氮化
硅球作介质，干混球磨48小时后，松装于外径φ60mm×内径φ55mm×高
φ60mm的碳毡制的直立环状筒(图2所示)中，放入自蔓延高温合成炉中，
抽真空后充入15Mpa的高压氮气(纯度99.99％)，合成气氛为高压氮气，经
点火后自蔓延燃烧，自然冷却后即得Sialon粉体。合成出的粉料经XRD测
定为单相α-Sialon，其中α-Sialon经EDS测定为(Ca，Mg)-α-Sialon。反应
物中添加的作为晶种和稀释剂的Sialon粉体使燃烧反应完全，产物易破碎。
表1某钢厂高炉炉渣的化学组成
Component
CaO
SiO2
A12O3
MgO
Fe2O3
MnO
Tio2
SO3
K2O
Na2O
F-1
Cl-1
Wt％
39.76
34.48
14.04
9.18
0.52
0.09
0.83
1.36
0.25
0.31
0.58
0.27
Mol/100g
0.71
0.57
0.14
0.23
＜0.01
＜0.01
0.01
0.02
＜0.01
＜0.01
0.03
＜0.01
实施例2
采用实施例1相同工艺，只是改用石灰石粉(CaCO3＞98wt％)代替高炉
炉渣，它与金属硅粉、铝粉和15％本发明合成的Sialon粉体作原料，
Ca-α-Sialon的组份按Ca0.8Si8.8Al3.2O1.6N14.4设计，通过高温自蔓延工艺合成
Ca-α-Sialon，合成出的粉料经XRD测定为单相Ca-α-Sialon。
实施例3
采用实施例1相同工艺，只是改用白运石粉代替高炉炉渣，它与金属硅
粉、铝粉和30％本发明合成的Sialon粉体作原料，Ca-α-Sialon的组份设计在
整个Ca-α-Sialon相区内变化，通过高温自蔓延工艺均可合成(Ca，Mg)
-α-Sialon。具体地说，按MxSi12-3xAl3xAl3xO2xN16-2x组份设计，0.4＜x＜1.4中任
取一点即可。β-Sialon按硅和铝的量设计。其余条件包括均同实施例1，均
获得了(Ca，Mg)-α-Sialon粉体。
实施例4
采用实施例1相同工艺，只是改用磷钇矿粉(Y2O3含量61.4wt％)代替
高炉炉渣，它与金属硅粉、铝粉和40％本发明合成的Sialon粉体作原料，
Y-α-Sialon的组份设计在整个Y-α-Sialon相区内变化，通过高温自蔓延工艺
均可合成Y-α-Sialon。具体地说，按YxSi12-3xAl3xOxO2N16-x组份设计，
0.33＜x＜0.67中任取一点即可。其余条件均同实施例1，通过高温自蔓延工艺
合成Y-α-Sialon，合成出的粉料经XRD测定为单相，Y-α-Sialon。
实施例5
采用实施例1相同工艺，只是改用我国南方特有的重稀土离子型吸附矿
(含Y2O351.5％，Nd2O310％，Dy2O35.8％，Sm2O34.5％)粉代替高炉炉渣，
它与金属硅粉、铝粉和50％本发明合成的Sialon粉体作原料，(Y，Nd，Dy，
Sm)-α-Sialonr的组份设计在整个Y-α-Sialon相区内变化，兼顾其它稀土元
素的α-Sialon相区，通过高温自蔓延工艺均可合成(Y，Nd，Dy，Sm，Gd)
-α-Sialon。具体地说，按YxSi12-3xAl3xOxO2N16-x组份设计，0.33＜x＜0.67中任
取一点即可。其余条件均同实施例1，均获得了(Y，Nd，Dy，Sm Gd)-α-Sialon
粉体。
实施例6
采用实施例1相同工艺，只是将混合均匀的粉体装于碳毡制的盘状容器
(图2)中，其它条件同实施方案1，合成出的经XRD测定为单相α-Sialon，
XRD结果如图1所示。