β-SiAlON含量對(duì)SiAlON結(jié)合剛玉材料性能的影響

劉晨暉 張宇翠 賈全利 葉方保

鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院河南省高溫功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南鄭州450052

鐵水預(yù)處理過(guò)程中，三脫處理劑對(duì)魚(yú)雷罐內(nèi)襯用Al2O3-SiC-C材料氧化、侵蝕嚴(yán)重，加上KR攪拌法和噴吹法等的采用加劇了材料的損毀，使得魚(yú)雷罐內(nèi)襯材料的使用壽命大幅下降［1-2］。

SiAlON結(jié)合剛玉材料具有較高的強(qiáng)度以及優(yōu)良的抗熱震性、抗氧化性、抗侵蝕性，被廣泛用于煉鐵高爐［3-4］。胡莉敏等［5］研究表明，SiAlON結(jié)合復(fù)相材料比魚(yú)雷罐現(xiàn)用燒成Al2O3-C、不燒Al2O3-SiC-C磚具有更好的高溫性能，可望作為鐵水預(yù)處理魚(yú)雷罐用耐火材料。

本工作中，以板狀剛玉為骨料，以白剛玉粉、Si粉、Al粉和氧化鋁微粉為基質(zhì)料，經(jīng)高溫氮化燒成制備SiAlON結(jié)合剛玉材料；通過(guò)調(diào)整Si粉和Al粉的加入量改變?chǔ)?SiAlON的設(shè)計(jì)生成量，研究了SiAlON結(jié)合剛玉材料中β-SiAlON含量對(duì)材料致密度、強(qiáng)度、抗氧化性、抗熱震性、抗渣侵蝕性和抗脫硫劑侵蝕性等的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)用原料為：板狀剛玉，粒度3～1、≤1 mm，w（Al2O3）＞99.3%；電熔白剛玉粉，粒度≤0.088 mm，w（Al2O3）＞99.1%；Si粉，粒度≤0.074 mm，w（Si）＞98.5%；Al粉，粒度≤0.074 mm，w（Al）＞98.5%；α-Al2O3微粉，d50＝1.2μm，w（Al2O3）＞99.2%。

1.2 試樣制備

設(shè)計(jì)了SiAlON理論生成量（w）分別為10%、20%和30%的三種試樣，分別標(biāo)記為AS10、AS20和AS30。試樣的具體配比見(jiàn)表1。

表1 試樣配比

按表1配料，外加5%（w）的糊精液作為臨時(shí)結(jié)合劑，混練均勻。以150 MPa壓力壓制成25 mm×25 mm×150 mm的條狀試樣和外部尺寸為φ50 mm×50 mm、內(nèi)孔尺寸為φ25 mm×25 mm的坩堝試樣，在110℃干燥24 h后，在氮化爐中于1 500℃保溫3 h氮化燒成。

1.3 性能檢測(cè)

按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)燒后試樣的顯氣孔率、體積密度、燒后線變化率、常溫抗折強(qiáng)度、1 400℃保溫0.5 h條件的高溫抗折強(qiáng)度。采用水冷法，以ΔT＝1 100℃的熱震溫差對(duì)試樣進(jìn)行1和3次熱震，用熱震后的抗折強(qiáng)度和強(qiáng)度保持率（熱震后抗折強(qiáng)度／熱震前抗折強(qiáng)度×100%）表征其抗熱震性。將試樣置于空氣氣氛高溫爐中，升溫至1 500℃保溫3 h，冷卻后取出，測(cè)量試樣的氧化層厚度。

抗渣試驗(yàn)采用靜態(tài)坩堝法：將一定量的KR脫硫包扒頭上的渣或脫硫劑裝入坩堝內(nèi)孔中，置于高溫爐中，在空氣氣氛中升溫至1 550℃保溫3 h，冷卻后取出，沿坩堝孔軸線剖開(kāi)，觀察并測(cè)量坩堝的侵蝕情況。試驗(yàn)用渣和脫硫劑的化學(xué)組成見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)用渣和脫硫劑的化學(xué)組成

用XRD分析試樣的物相組成，用SEM分析試樣的顯微結(jié)構(gòu)，用EDS分析試樣微區(qū)的元素組成。

2 結(jié)果與討論

燒后試樣的XRD圖譜見(jiàn)圖1。可以看出：各試樣均由剛玉和β-SiAlON組成；隨著SiAlON設(shè)計(jì)生成量的增加，β-SiAlON衍射峰的強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。用Panalytical HighScore Plus中Rietveld模塊計(jì)算得出，試樣AS10、AS20和AS30中β-SiAlON的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10.8%、19.5%和33.1%，與設(shè)計(jì)生成量基本吻合。

圖1 燒后試樣的XRD圖譜

燒后試樣的線變化率、顯氣孔率、體積密度、常溫抗折強(qiáng)度、高溫抗折強(qiáng)度等檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3?？梢钥闯觯弘S著β-SiAlON含量的增加，試樣的燒后線變化率由-0.05%逐漸增大到0.40%，顯氣孔率從19.1%逐漸降低到16.8%，體積密度和常溫抗折強(qiáng)度變化較小，高溫抗折強(qiáng)度從8.6 MPa顯著增大到18.2 MPa。隨著β-SiAlON含量的增加，試樣的結(jié)合程度提高，因此致密度和強(qiáng)度提高［3-5］。

表3 燒后試樣的性能檢測(cè)結(jié)果

β-SiAlON含量對(duì)試樣抗熱震性的影響見(jiàn)圖2。可以看出：隨著β-SiAlON含量的增加，熱震后試樣的強(qiáng)度和強(qiáng)度保持率均提高，表明試樣的抗熱震性提高。分析認(rèn)為：β-SiAlON本身強(qiáng)度高，熱膨脹系數(shù)低（2.5×10-6℃-1），熱導(dǎo)率高；β-SiAlON與剛玉的熱膨脹系數(shù)（8.8×10-6℃-1）差異大，容易導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生非破壞性微裂紋，可吸收熱震產(chǎn)生的彈性應(yīng)變能［4-7］。這些均有利于提高試樣的抗熱震性。

圖2 試樣的抗熱震性

β-SiAlON含量對(duì)試樣抗氧化性的影響見(jiàn)圖3。

圖3 試樣的抗氧化性

從圖3可以看出：隨著β-SiAlON含量的增加，試樣的氧化層厚度從7 mm逐漸減小至約1 mm，表明其抗氧化性顯著提高。這主要是因?yàn)椋弘S著β-SiAlON含量的增加，材料的顯氣孔率降低，阻礙了氧氣的擴(kuò)散［8］；β-SiAlON氧化后生成莫來(lái)石致密保護(hù)層，阻礙了氧氣向材料內(nèi)部的進(jìn)一步滲透。

侵蝕后試樣的剖面照片見(jiàn)圖4，各試樣在渣或脫硫劑中的侵蝕深度見(jiàn)圖5?？梢钥闯觯弘S著β-SiAlON含量的增加，渣或脫硫劑對(duì)試樣的侵蝕逐漸減輕；對(duì)于同一試樣，脫硫劑對(duì)試樣的侵蝕比渣對(duì)試樣的侵蝕嚴(yán)重。分析認(rèn)為：β-SiAlON含量增加，試樣的抗氧化性提高，抗渣性也隨之提高；脫硫劑中含有高含量的CaO和CaF2，CaF2又是強(qiáng)溶劑，高溫下降低了渣的黏度，對(duì)試樣的侵蝕較為嚴(yán)重。

圖4 渣和脫硫劑侵蝕后試樣的剖面照片

圖5 各試樣在渣和脫硫劑中的侵蝕深度

3 結(jié)論

（1）以板狀剛玉為骨料，以電熔白剛玉粉、Si粉、Al粉和α-Al2O3微粉為基質(zhì)，經(jīng)高溫氮化燒成制備了β-SiAlON結(jié)合剛玉材料，材料中β-SiAlON的實(shí)際含量與設(shè)計(jì)生成量基本吻合。

（2）隨著β-SiAlON含量的增加，β-SiAlON結(jié)合剛玉材料的顯氣孔率逐漸減小，高溫抗折強(qiáng)度、抗氧化性、抗熱震性、抗渣侵蝕性和抗脫硫劑侵蝕性均明顯提高。