氧化鋯質(zhì)滑板性能的研究

薛志崗

摘 要：本文以電熔MgO穩(wěn)定氧化鋯（1.5μm）、電熔單斜鋯（3～7μm）、共沉淀法制備的單斜鋯聚晶（10μm聚晶）為主要原料。通過用電熔鎂穩(wěn)定氧化鋯細粉制備出粒徑在120目以下的聚晶作為骨料，以電熔單斜鋯（3～7μm）作為細粉，可以制備出高強度、高致密度、熱震性能較好的氧化鋯試樣。

關鍵詞：氧化鎂；電熔單斜鋯；化學單斜鋯聚晶

1 前言

氧化鋯質(zhì)材料具有良好的抗侵蝕性和抗剝落性。氧化鎂部分穩(wěn)定的氧化鋯質(zhì)滑板，可以在苛刻的澆鑄條件下使用，壽命最高可達10次。采用熱壓成型的氧化鎂部分穩(wěn)定氧化鋯質(zhì)滑板具有高溫強度高、顯氣孔率低、氣孔孔徑小等特點[1]。但采用熱壓成型技術要求設備投入大，生產(chǎn)成本高。因此，研究在現(xiàn)有成型設備和技術上提高ZrO2 質(zhì)滑板的性能有重要的意義。目前，國內(nèi)鋯質(zhì)制品的生產(chǎn)工藝主要有兩類，一類是采用不同粒級的電熔氧化鋯或燒結(jié)氧化鋯為主要原料，以傳統(tǒng)顆粒級配方式配料，經(jīng)高壓（ >200MPa）成型，高溫（ >1700℃ ）燒成；另一類是采用ZrO2微粉噴霧造粒粉為原料，經(jīng)低壓（ < 100MPa）成型，于1550～1600 ℃燒成。采用這兩種方法得到的產(chǎn)品存在強度偏低、氣孔孔徑不均勻等缺點。本實驗通過對原料進行選擇，以及化學單斜鋯聚晶的添加，使產(chǎn)品在增加耐壓強度的同時使其保持有較好的熱震性能。

2 實驗內(nèi)容

2.1 實驗原料

本實驗所采用的原料有電熔MgO穩(wěn)定氧化鋯（鄭州振中PMDa-1.5μm、120目）、電熔單斜鋯（沈陽阿斯創(chuàng)3～7μm）、化學單斜鋯多晶（自制）、化學單斜鋯單晶（3～5μm）、Y2O3、Mg2CO3等。

2.2 實驗過程

（1）粉料處理

將0.6%的Y2O3作為助燒劑與電熔MgO穩(wěn)定氧化鋯充分混合后壓制成塊，并在1550 ℃條件下燒成后粉碎，過120目篩[2]，作為骨料（Z1）；將0.6%的Y2O3、4.75%的MgCO3與電熔單斜鋯混合后濕磨12 h，然后烘干作為細粉（Z2）；采用化學共沉淀法制得的單斜鋯粉，球磨一定時間后，使其聚晶尺寸為10μm左右（Z3）；120目電熔鎂穩(wěn)定氧化鋯（Z4）；化學單斜鋯單晶（Z5）。

（2） 配方設計

本實驗獲得氧化鋯樣品的配方設計如表1所示。

（3） 工藝流程及參數(shù)

本實驗制備氧化鋯的工藝流程如圖1所示。

制備氧化鋯的工藝參數(shù)如表2所示。

（4）氧化鋯性能的檢測方法

按相關標準檢測燒后試樣的顯氣孔率、體積密度和耐壓強度，并用偏光顯微鏡對燒后試樣進行顯微結(jié)構(gòu)分析。

抗熱震性采用水冷法檢測：試樣先在1100 ℃的高溫爐內(nèi)保溫 30 min；然后快速取出放入流動的冷水內(nèi)，15 min后取出，觀察試樣出現(xiàn)裂紋的情況，當出現(xiàn)長度> 1 mm的裂紋或貫穿裂紋時，即停止試驗，以熱震次數(shù)來評價試樣的抗熱震性。

3 實驗結(jié)果分析與討論

各試樣燒成后的性能如表3所示。

3.1 電熔穩(wěn)定鋯聚晶和單晶對試樣性能的影響

比較表3中1#、2#試樣的性能可以看出，1#具有更好的體積密度和耐壓強度。1#試樣中的骨料為電熔穩(wěn)定鋯聚晶（120目篩），聚晶顆粒由小于2 μm的細小晶粒組成，具有較高的反應活性。在燒結(jié)過程中能夠較好的與細粉基質(zhì)燒結(jié)在一起。圖2中顯示聚晶和周圍單晶結(jié)合緊密。

而2#試樣中的骨料為電熔穩(wěn)定氧化鋯單個晶粒（120目篩），晶粒尺寸粗大、反應活性差，與細粉基質(zhì)間燒結(jié)差，存在縫隙，如圖3所示，大晶粒與小晶粒之間間隙在20 μm以上。所以，與1#相比，2#的顯氣孔率偏高，耐壓強度只有1#的一半。

3.2 化學單斜鋯聚晶的摻雜對試樣性能的影響

3#、4#試樣為摻雜了部分化學單斜鋯聚晶試樣?；瘜W單斜鋯聚晶取代了部分電熔穩(wěn)定鋯聚晶，對耐壓強度和體積密度影響較小，但抗熱震性能有了明顯的提高。其主要機理與相變無關，而是單斜氧化鋯顯著的各向異性熱膨脹產(chǎn)生熱應力，在基質(zhì)中形成潛在的顯微裂紋使得其熱震性能有明顯提高[3]。

3.3 化學單斜鋯單晶的摻雜對試樣性能的影響

5#試樣中，用部分化學單斜鋯單晶取代了部分電熔單斜鋯單晶。通過測試，與1#相比，其體積密度變化不明顯，耐壓強度有所降低。在體積密度上，可能是由于添加量較少，彌散在試樣中，對燒結(jié)活性提高不明顯，因此，致密度提高不明顯。

4 結(jié)論

（1） 電熔單斜鋯聚晶比單晶更有利于試樣的燒結(jié)致密化，以及耐壓強度的提高。

（2） 化學單斜鋯聚晶當加入量在5%左右時，能顯著提高試樣的熱震性能。

（3）部分化學單斜鋯的添加對試樣的致密度和耐壓強度影響不大。

參考文獻

[1] 金叢進，邱文冬，孫加林，等.滑板用耐火材料的發(fā)展[J].煉鋼，1999，8.

[2] 朱義文.提高鋯質(zhì)滑板熱震穩(wěn)定性的研究[D].西安建筑大學碩士論文，2010.

[3] 趙世柯，黃校先，施鷹，等.ZrO2相變設計改善耐火材料抗熱震性的設想[J].耐火材料，1999，4.

摘 要：本文以電熔MgO穩(wěn)定氧化鋯（1.5μm）、電熔單斜鋯（3～7μm）、共沉淀法制備的單斜鋯聚晶（10μm聚晶）為主要原料。通過用電熔鎂穩(wěn)定氧化鋯細粉制備出粒徑在120目以下的聚晶作為骨料，以電熔單斜鋯（3～7μm）作為細粉，可以制備出高強度、高致密度、熱震性能較好的氧化鋯試樣。

關鍵詞：氧化鎂；電熔單斜鋯；化學單斜鋯聚晶

1 前言

氧化鋯質(zhì)材料具有良好的抗侵蝕性和抗剝落性。氧化鎂部分穩(wěn)定的氧化鋯質(zhì)滑板，可以在苛刻的澆鑄條件下使用，壽命最高可達10次。采用熱壓成型的氧化鎂部分穩(wěn)定氧化鋯質(zhì)滑板具有高溫強度高、顯氣孔率低、氣孔孔徑小等特點[1]。但采用熱壓成型技術要求設備投入大，生產(chǎn)成本高。因此，研究在現(xiàn)有成型設備和技術上提高ZrO2 質(zhì)滑板的性能有重要的意義。目前，國內(nèi)鋯質(zhì)制品的生產(chǎn)工藝主要有兩類，一類是采用不同粒級的電熔氧化鋯或燒結(jié)氧化鋯為主要原料，以傳統(tǒng)顆粒級配方式配料，經(jīng)高壓（ >200MPa）成型，高溫（ >1700℃ ）燒成；另一類是采用ZrO2微粉噴霧造粒粉為原料，經(jīng)低壓（ < 100MPa）成型，于1550～1600 ℃燒成。采用這兩種方法得到的產(chǎn)品存在強度偏低、氣孔孔徑不均勻等缺點。本實驗通過對原料進行選擇，以及化學單斜鋯聚晶的添加，使產(chǎn)品在增加耐壓強度的同時使其保持有較好的熱震性能。

2 實驗內(nèi)容

2.1 實驗原料

本實驗所采用的原料有電熔MgO穩(wěn)定氧化鋯（鄭州振中PMDa-1.5μm、120目）、電熔單斜鋯（沈陽阿斯創(chuàng)3～7μm）、化學單斜鋯多晶（自制）、化學單斜鋯單晶（3～5μm）、Y2O3、Mg2CO3等。

2.2 實驗過程

（1）粉料處理

將0.6%的Y2O3作為助燒劑與電熔MgO穩(wěn)定氧化鋯充分混合后壓制成塊，并在1550 ℃條件下燒成后粉碎，過120目篩[2]，作為骨料（Z1）；將0.6%的Y2O3、4.75%的MgCO3與電熔單斜鋯混合后濕磨12 h，然后烘干作為細粉（Z2）；采用化學共沉淀法制得的單斜鋯粉，球磨一定時間后，使其聚晶尺寸為10μm左右（Z3）；120目電熔鎂穩(wěn)定氧化鋯（Z4）；化學單斜鋯單晶（Z5）。

（2） 配方設計

本實驗獲得氧化鋯樣品的配方設計如表1所示。

（3） 工藝流程及參數(shù)

本實驗制備氧化鋯的工藝流程如圖1所示。

制備氧化鋯的工藝參數(shù)如表2所示。

（4）氧化鋯性能的檢測方法

按相關標準檢測燒后試樣的顯氣孔率、體積密度和耐壓強度，并用偏光顯微鏡對燒后試樣進行顯微結(jié)構(gòu)分析。

抗熱震性采用水冷法檢測：試樣先在1100 ℃的高溫爐內(nèi)保溫 30 min；然后快速取出放入流動的冷水內(nèi)，15 min后取出，觀察試樣出現(xiàn)裂紋的情況，當出現(xiàn)長度> 1 mm的裂紋或貫穿裂紋時，即停止試驗，以熱震次數(shù)來評價試樣的抗熱震性。

3 實驗結(jié)果分析與討論

各試樣燒成后的性能如表3所示。

3.1 電熔穩(wěn)定鋯聚晶和單晶對試樣性能的影響

比較表3中1#、2#試樣的性能可以看出，1#具有更好的體積密度和耐壓強度。1#試樣中的骨料為電熔穩(wěn)定鋯聚晶（120目篩），聚晶顆粒由小于2 μm的細小晶粒組成，具有較高的反應活性。在燒結(jié)過程中能夠較好的與細粉基質(zhì)燒結(jié)在一起。圖2中顯示聚晶和周圍單晶結(jié)合緊密。

而2#試樣中的骨料為電熔穩(wěn)定氧化鋯單個晶粒（120目篩），晶粒尺寸粗大、反應活性差，與細粉基質(zhì)間燒結(jié)差，存在縫隙，如圖3所示，大晶粒與小晶粒之間間隙在20 μm以上。所以，與1#相比，2#的顯氣孔率偏高，耐壓強度只有1#的一半。

3.2 化學單斜鋯聚晶的摻雜對試樣性能的影響

3#、4#試樣為摻雜了部分化學單斜鋯聚晶試樣?；瘜W單斜鋯聚晶取代了部分電熔穩(wěn)定鋯聚晶，對耐壓強度和體積密度影響較小，但抗熱震性能有了明顯的提高。其主要機理與相變無關，而是單斜氧化鋯顯著的各向異性熱膨脹產(chǎn)生熱應力，在基質(zhì)中形成潛在的顯微裂紋使得其熱震性能有明顯提高[3]。

3.3 化學單斜鋯單晶的摻雜對試樣性能的影響

5#試樣中，用部分化學單斜鋯單晶取代了部分電熔單斜鋯單晶。通過測試，與1#相比，其體積密度變化不明顯，耐壓強度有所降低。在體積密度上，可能是由于添加量較少，彌散在試樣中，對燒結(jié)活性提高不明顯，因此，致密度提高不明顯。

4 結(jié)論

（1） 電熔單斜鋯聚晶比單晶更有利于試樣的燒結(jié)致密化，以及耐壓強度的提高。

（2） 化學單斜鋯聚晶當加入量在5%左右時，能顯著提高試樣的熱震性能。

（3）部分化學單斜鋯的添加對試樣的致密度和耐壓強度影響不大。

參考文獻

[1] 金叢進，邱文冬，孫加林，等.滑板用耐火材料的發(fā)展[J].煉鋼，1999，8.

[2] 朱義文.提高鋯質(zhì)滑板熱震穩(wěn)定性的研究[D].西安建筑大學碩士論文，2010.

[3] 趙世柯，黃校先，施鷹，等.ZrO2相變設計改善耐火材料抗熱震性的設想[J].耐火材料，1999，4.

摘 要：本文以電熔MgO穩(wěn)定氧化鋯（1.5μm）、電熔單斜鋯（3～7μm）、共沉淀法制備的單斜鋯聚晶（10μm聚晶）為主要原料。通過用電熔鎂穩(wěn)定氧化鋯細粉制備出粒徑在120目以下的聚晶作為骨料，以電熔單斜鋯（3～7μm）作為細粉，可以制備出高強度、高致密度、熱震性能較好的氧化鋯試樣。

關鍵詞：氧化鎂；電熔單斜鋯；化學單斜鋯聚晶

1 前言

氧化鋯質(zhì)材料具有良好的抗侵蝕性和抗剝落性。氧化鎂部分穩(wěn)定的氧化鋯質(zhì)滑板，可以在苛刻的澆鑄條件下使用，壽命最高可達10次。采用熱壓成型的氧化鎂部分穩(wěn)定氧化鋯質(zhì)滑板具有高溫強度高、顯氣孔率低、氣孔孔徑小等特點[1]。但采用熱壓成型技術要求設備投入大，生產(chǎn)成本高。因此，研究在現(xiàn)有成型設備和技術上提高ZrO2 質(zhì)滑板的性能有重要的意義。目前，國內(nèi)鋯質(zhì)制品的生產(chǎn)工藝主要有兩類，一類是采用不同粒級的電熔氧化鋯或燒結(jié)氧化鋯為主要原料，以傳統(tǒng)顆粒級配方式配料，經(jīng)高壓（ >200MPa）成型，高溫（ >1700℃ ）燒成；另一類是采用ZrO2微粉噴霧造粒粉為原料，經(jīng)低壓（ < 100MPa）成型，于1550～1600 ℃燒成。采用這兩種方法得到的產(chǎn)品存在強度偏低、氣孔孔徑不均勻等缺點。本實驗通過對原料進行選擇，以及化學單斜鋯聚晶的添加，使產(chǎn)品在增加耐壓強度的同時使其保持有較好的熱震性能。

2 實驗內(nèi)容

2.1 實驗原料

本實驗所采用的原料有電熔MgO穩(wěn)定氧化鋯（鄭州振中PMDa-1.5μm、120目）、電熔單斜鋯（沈陽阿斯創(chuàng)3～7μm）、化學單斜鋯多晶（自制）、化學單斜鋯單晶（3～5μm）、Y2O3、Mg2CO3等。

2.2 實驗過程

（1）粉料處理

將0.6%的Y2O3作為助燒劑與電熔MgO穩(wěn)定氧化鋯充分混合后壓制成塊，并在1550 ℃條件下燒成后粉碎，過120目篩[2]，作為骨料（Z1）；將0.6%的Y2O3、4.75%的MgCO3與電熔單斜鋯混合后濕磨12 h，然后烘干作為細粉（Z2）；采用化學共沉淀法制得的單斜鋯粉，球磨一定時間后，使其聚晶尺寸為10μm左右（Z3）；120目電熔鎂穩(wěn)定氧化鋯（Z4）；化學單斜鋯單晶（Z5）。

（2） 配方設計

本實驗獲得氧化鋯樣品的配方設計如表1所示。

（3） 工藝流程及參數(shù)

本實驗制備氧化鋯的工藝流程如圖1所示。

制備氧化鋯的工藝參數(shù)如表2所示。

（4）氧化鋯性能的檢測方法

按相關標準檢測燒后試樣的顯氣孔率、體積密度和耐壓強度，并用偏光顯微鏡對燒后試樣進行顯微結(jié)構(gòu)分析。

抗熱震性采用水冷法檢測：試樣先在1100 ℃的高溫爐內(nèi)保溫 30 min；然后快速取出放入流動的冷水內(nèi)，15 min后取出，觀察試樣出現(xiàn)裂紋的情況，當出現(xiàn)長度> 1 mm的裂紋或貫穿裂紋時，即停止試驗，以熱震次數(shù)來評價試樣的抗熱震性。

3 實驗結(jié)果分析與討論

各試樣燒成后的性能如表3所示。

3.1 電熔穩(wěn)定鋯聚晶和單晶對試樣性能的影響

比較表3中1#、2#試樣的性能可以看出，1#具有更好的體積密度和耐壓強度。1#試樣中的骨料為電熔穩(wěn)定鋯聚晶（120目篩），聚晶顆粒由小于2 μm的細小晶粒組成，具有較高的反應活性。在燒結(jié)過程中能夠較好的與細粉基質(zhì)燒結(jié)在一起。圖2中顯示聚晶和周圍單晶結(jié)合緊密。

而2#試樣中的骨料為電熔穩(wěn)定氧化鋯單個晶粒（120目篩），晶粒尺寸粗大、反應活性差，與細粉基質(zhì)間燒結(jié)差，存在縫隙，如圖3所示，大晶粒與小晶粒之間間隙在20 μm以上。所以，與1#相比，2#的顯氣孔率偏高，耐壓強度只有1#的一半。

3.2 化學單斜鋯聚晶的摻雜對試樣性能的影響

3#、4#試樣為摻雜了部分化學單斜鋯聚晶試樣。化學單斜鋯聚晶取代了部分電熔穩(wěn)定鋯聚晶，對耐壓強度和體積密度影響較小，但抗熱震性能有了明顯的提高。其主要機理與相變無關，而是單斜氧化鋯顯著的各向異性熱膨脹產(chǎn)生熱應力，在基質(zhì)中形成潛在的顯微裂紋使得其熱震性能有明顯提高[3]。

3.3 化學單斜鋯單晶的摻雜對試樣性能的影響

5#試樣中，用部分化學單斜鋯單晶取代了部分電熔單斜鋯單晶。通過測試，與1#相比，其體積密度變化不明顯，耐壓強度有所降低。在體積密度上，可能是由于添加量較少，彌散在試樣中，對燒結(jié)活性提高不明顯，因此，致密度提高不明顯。

4 結(jié)論

（1） 電熔單斜鋯聚晶比單晶更有利于試樣的燒結(jié)致密化，以及耐壓強度的提高。

（2） 化學單斜鋯聚晶當加入量在5%左右時，能顯著提高試樣的熱震性能。

（3）部分化學單斜鋯的添加對試樣的致密度和耐壓強度影響不大。

參考文獻

[1] 金叢進，邱文冬，孫加林，等.滑板用耐火材料的發(fā)展[J].煉鋼，1999，8.

[2] 朱義文.提高鋯質(zhì)滑板熱震穩(wěn)定性的研究[D].西安建筑大學碩士論文，2010.

[3] 趙世柯，黃校先，施鷹，等.ZrO2相變設計改善耐火材料抗熱震性的設想[J].耐火材料，1999，4.