富硼渣碳热还原氮化法合成BN-MgAlON复合材料的研究

以冶金炉渣资源综合利用为研究背景，提出以富硼渣为主要原料，采用碳热还原氮化法制备BN-MgAlON复合材料的新工艺。该工艺流程简单、成本低廉，能有效地利用富硼渣中的镁、硼等有价组分。主要研究富硼渣制备BN-MgAlON复合材料合成机理；工艺因素对合成复合材料性能的影响；表征合成粉体和块体复合材料的结构并测试其物理和化学性能；研究材料的氧化反应动力学和界面反应过程；研究合成材料在炉渣、金属液、酸碱等环境下的侵蚀性能和机制；研究渣中其它相的生成对复合材料性能的影响；通过富硼渣合成BN-MgAlON复合材料与纯MgAlON材料各项性能的比较，确定本工艺合成复合材料的应用领域；本项目的提出不仅为富硼渣的生态化整体利用提供一条新途径，也为工业化规模处理富硼渣奠定了基础，具有重要的理论意义和广泛的应用前景。

首先，以富硼渣为原料，在热力学分析的基础上探讨了其在碳热还原过程中的规律。研究表明，富硼渣随着反应温度的升高、恒温时间的延长失重率增大。1470ºC，8h时，富硼渣的失重率达到46.993%。反应中没有B4C的生成，渣中Mg、B组分和Ca形成稳定的复合氧化物，造成富硼渣中MgO、B2O3的气－固分离率大大降低。MgO在碳热还原过程中形成了稳定的复合氧化物MgAl2O4和Ca2MgSi2O7，因此1470ºC，8h时，硼铁矿中的MgO的失重率为90.79%。反应产物中B以硼酸钙的形式存在，影响了B的挥发失重。其次，通过分析Si-C-O-N、B-C-O-N系的相平衡关系，绘制体系中气相与温度的优势区图。结果表明，在适宜的温度下只要控制好体系的气氛，就能够得到稳定的MgAlON，BN和Sialon相。以富硼渣为原料，在热力学分析的基础上探讨了碳热还原氮化法制备BN-MgAlON复合材料粉体的规律。结果表明，1480℃时整个还原氮化反应进行较充分，产物中MgAlON和BN的含量最高。随着配碳量的增加，MgAlON相逐渐减少。增大N2流量对产物相组成影响不大，但可导致试样的质量损失率明显增加。确定最佳工艺条件为：反应度为1480℃，等化学剂量配碳量，x=4.5（Al23O27N5•xMgO），恒温时间为8h，N2流量为400mL/min。用常压烧结工艺制备BN-MgAlON复合材料，并对复合材料的表面特征及元素面分布进行分析。发现其结构均匀，但气孔较多，材料中Al、Mg、O、N分布比较均匀，且元素含量依次减少。继续对材料在空气中的抗氧化性进行实验，研究发现，MgAlON首先开始氧化，BN最后被氧化，为保护性氧化。复合材料的开始氧化温度988℃，相比纯相MgAlON在760℃开始氧化，其抗氧化性有显著的提高。研究表明MgAlON抗氧化性差主要是因为在氧化过程没有形成低熔点熔融氧化物的致密保护膜，使得氧气比较容易渗透到机体内部。对复合材料显微结构以及材料的力学性能、抗热震性能和抗摩擦磨损性能等进行测试分析。结果表明，复合材料/45#钢摩擦副在负载为50200N、干摩擦条件下，摩擦系数约为0.4。复合材料的侵蚀实验表明，材料在保护渣侵蚀过程中的表观活化能为5.936×105J/mol。ΔL与t1/2成线性关系，保护渣中添加FeO对复合材料有更好的侵蚀效果。