金屬在耐火材料中的應(yīng)用闡述

梁建勝

通標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)服務(wù)（天津）有限公司，中國(guó)·天津 300000

1 引言

現(xiàn)今，耐火材料在航空、軍事等多個(gè)領(lǐng)域均有重要應(yīng)用，耐火材料的性能質(zhì)量也更受關(guān)注?，F(xiàn)行的金屬材料有較好的抗侵蝕性、耐高溫性及較高的強(qiáng)度，但是也存在脆性大的缺點(diǎn)。如何增強(qiáng)耐火材料韌性，改變材料脆性缺陷，是近些年研究的重點(diǎn)。據(jù)研究，金屬的塑性好、導(dǎo)熱性高且韌性強(qiáng)，能夠?qū)δ突鸩牧系男阅苜|(zhì)量加以改善。下面結(jié)合實(shí)際，對(duì)金屬在耐火材料中的應(yīng)用做具體分析。

2 金屬在耐火材料中的作用

2.1 塑性相成型

在應(yīng)力作用下，金屬晶格會(huì)有滑移，塑性較強(qiáng)。而耐火材料由無(wú)機(jī)材料顆粒構(gòu)成，最大的特點(diǎn)是堅(jiān)硬。將金屬應(yīng)用到耐火材料中，能在成型過(guò)程中發(fā)揮自身塑性成型特點(diǎn)，對(duì)耐火材料性能加以改善，讓耐火材料更易成型，同時(shí)也讓制備的生胚密度得到提升[1]。塑性相成型工藝如圖1所示。

圖1 塑性相成型工藝示意圖

2.2 促進(jìn)燒結(jié)

將金屬引進(jìn)耐火材料，能讓金屬材料的燒結(jié)效果更為理想。主要原因在于引入金屬形成的塑性相成型能夠提高胚體密度，耐火材料顆粒間的距離也縮短，耐火材料密度更高，在燒制過(guò)程中，能量擴(kuò)散減少；相較耐火材料，金屬熔點(diǎn)更低，在較低溫度下，金屬也能發(fā)生形態(tài)變化（由固體到液體），在生成液相后，毛細(xì)管力及其本身的黏性流動(dòng)會(huì)原子遷移速率與胚體收縮速率加快，進(jìn)而讓燒結(jié)致密化進(jìn)程加快[2]。

2.3 增強(qiáng)韌性

對(duì)于耐熱材料這種復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，金屬也有改善其韌性的作用。將金屬引進(jìn)復(fù)合材料后，金屬能通過(guò)裂紋橋聯(lián)、裂紋偏轉(zhuǎn)及裂紋屏障等機(jī)制增強(qiáng)復(fù)合材料韌性。有關(guān)研究表明，裂紋橋聯(lián)是一種非常有效的增韌機(jī)制。因金屬材料具有較強(qiáng)的延展性，所以當(dāng)在裂紋擴(kuò)展到金屬材料與基體材料界面時(shí)，裂紋會(huì)讓受力拉長(zhǎng)，然后裂紋的上下表面會(huì)受到一個(gè)橋聯(lián)應(yīng)力。在橋聯(lián)應(yīng)力的作用下，裂紋不會(huì)過(guò)度張開，且在裂紋張開的過(guò)程中塑性變形也會(huì)發(fā)生，這樣裂紋尖端的能量就被加倍消耗，耐熱材料的韌性得以增強(qiáng)。

近些年許多專家、學(xué)者圍繞“提升耐火材料韌性”這一課題展開了研究。例如，Jin 等研究了在金屬顆粒增韌陶瓷復(fù)合材料中，熱震循環(huán)引起的裂紋擴(kuò)張行為。其通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)耐火材料受到熱應(yīng)力的影響后，基體材料會(huì)最先出現(xiàn)裂紋，且裂紋會(huì)不斷擴(kuò)展。當(dāng)擴(kuò)展中的裂紋遇到金屬顆粒后，裂紋會(huì)變形，僑聯(lián)作用隨之產(chǎn)生，與之相應(yīng)的是裂紋的鈍化與偏化。經(jīng)過(guò)研究證明，相較未加金屬的陶瓷復(fù)合材料，加入金屬的陶瓷復(fù)合材料應(yīng)對(duì)熱應(yīng)力的能力更強(qiáng)。在加入金屬顆粒后，金屬顆粒可對(duì)熱應(yīng)力起到緩和、擴(kuò)散作用，從而有效避免了熱應(yīng)力的集中，提高了基體材料的抗熱震性[3]。

2.4 抗氧化性

因碳的存在，碳復(fù)合耐火材料的抗渣性與抗熱震性得到增強(qiáng)，但易氧化的缺陷卻仍然存在。而碳氧化后，其的可用性將大大下降。通過(guò)研究證實(shí)，對(duì)碳復(fù)合耐火材料的這一缺陷，可通過(guò)引進(jìn)金屬進(jìn)行改善。金屬性能活潑，容易和耐火材料中的一些元素發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)物讓耐火材料的抗氧化性得到增強(qiáng)。現(xiàn)在，金屬材料已被作為一種抗氧化劑應(yīng)用于耐火材料中，如Mg、Al、Si 等，都是當(dāng)前比較常見的抗氧化劑。

2.5 原位反應(yīng)生成非氧化物

在耐火材料中引進(jìn)金屬材料后，用火煅燒，金屬材料會(huì)與耐火材料原料組分或周圍的氣體反應(yīng)生成非金屬增強(qiáng)增韌相，從而讓金屬材料或者說(shuō)產(chǎn)品的抗熱震性、高溫性及基體常溫等都得到改善。有學(xué)者研究證實(shí)了，在還原氣氛下，通過(guò)金屬在耐火材料中原位生成SiC 晶須與AIN 纖維，晶須與纖維在耐火材料中的填充、橋梁等能夠讓基體材料的力學(xué)性能及使用性能得到改善，讓耐火材料的性能質(zhì)量更加穩(wěn)定，從而也讓制品的安全性、可靠性得到提升。

3 硼化鋯在耐火材料中的應(yīng)用

隨著航空、宇航、原子能、冶煉新技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，對(duì)高溫結(jié)構(gòu)材料的要求也越來(lái)越嚴(yán)格。航空、原子能等的生產(chǎn)制造都要求材料要有較強(qiáng)的韌性，有較好的抗熱震、耐蝕性及抗氧化性等。然而，當(dāng)前大部分耐火原料無(wú)法同時(shí)滿足以上多種要求，故而要將金屬引進(jìn)耐火材料，利用金屬優(yōu)越的性能對(duì)耐火材料的性能質(zhì)量進(jìn)行改善。硼化鋯是一種金屬材料，具有較好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性及較強(qiáng)的種子控制能力，有較高的硬度與熔點(diǎn)，能在耐火材料中發(fā)揮出重要作用。硼化鋯在耐火材料中有以下三種應(yīng)用方式。

3.1 應(yīng)用于ArB2-C 質(zhì)耐火材料

現(xiàn)行的浸入式水口用渣線材質(zhì)ZrO2-C。與以往的材料相比，ZrO2-C 的性能質(zhì)量相對(duì)理想。如該材料的抗剝落性能強(qiáng)，抗鋼水侵蝕能力較高。但ZrO2-C 也存有一些質(zhì)量缺陷，如在生產(chǎn)與使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)氧化鋁堆積、材料受侵蝕等問(wèn)題。

針對(duì)材料以上性能缺陷，應(yīng)用硼化鋯進(jìn)行改善。將硼化鋯應(yīng)用到耐火材料中，利用ZrB2材質(zhì)的抗鋼水侵蝕強(qiáng)、高溫性能好等優(yōu)點(diǎn)研制ZrB2-C 質(zhì)水口保護(hù)環(huán)。經(jīng)試驗(yàn)研究，應(yīng)用了硼化鋯的水口保護(hù)環(huán)性能好，能保護(hù)水口不受侵蝕與損耗，從而有效提升水口壽命。經(jīng)試驗(yàn)證明，在將硼化鋯應(yīng)用到耐火材料中后，如果能對(duì)硼化鋯與耐火材料原料比例做合理控制，那么最終得到的制品，性能質(zhì)量會(huì)遠(yuǎn)好于只用耐火材料制作的制品，尤其是在耐剝落性、耐蝕性方面，會(huì)有十分理想的表現(xiàn)[4]。

3.2 應(yīng)用于Mg O-C 質(zhì)耐火材料

硼化鋯在耐火材料中的另一應(yīng)用形式是將硼化鋯添加到MgO-C 耐火材料中，對(duì)MgO-C 性能進(jìn)行改善，讓最終的制品性能質(zhì)量更為理想。在工業(yè)生產(chǎn)中，可將硼化鋯以細(xì)粉、骨料等形式添加到耐火材料中，運(yùn)用混合料燒制耐火磚，燒制出的耐火磚會(huì)有很強(qiáng)的耐火性與抗氧化性。硼化鋯與MgO-C的反應(yīng)機(jī)理為：硼化鋯中溫氧化生成的B2O3在MgO-C 中形成MgO·B2O3熔融相，讓磚得到保護(hù)。

3.3 應(yīng)用于Al2O3-C 質(zhì)耐火材料

硼化鋯在耐火材料中的第三種應(yīng)用形式是將硼化鋯作為一種抗氧化添加劑添加到Al2O3-C 質(zhì)耐火材料中，對(duì)Al2O3-C 質(zhì)耐火材料的性能質(zhì)量加以改善，讓Al2O3-C質(zhì)耐火材料的塑性、韌性及抗氧化性等多種性能都得到增強(qiáng)，讓由以Al2O3-C 質(zhì)耐火材料為原料制成的制品性能更加穩(wěn)定，使用效果更加理想。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究證明，將適量硼化鋯作為抗氧化劑添加到Al2O3-C 質(zhì)耐火材料中后，在700℃～1200℃之間會(huì)形成低溫液相，硼化鋯在這一溫度范圍內(nèi)發(fā)生反應(yīng)并生成B2O3，B2O3在Al2O3顆粒上凝縮，兩者發(fā)生反應(yīng)，生成Al2O3-B2O3。根據(jù)Al2O3-B2O3系相平衡狀態(tài)圖，液相生成溫度較低，在450℃溫度條件下，Al2O3含量達(dá)到66.7mol%；1053℃溫度條件下，Al2O3含量達(dá)到82mol%。B2O3與Al2O3發(fā)生反應(yīng)后，會(huì)產(chǎn)生一層保護(hù)層，保護(hù)層組織氧入侵，從而確保材料或制品不會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)[5]。經(jīng)研究證明，不論是澆筑料、磚還是水口，在添加入適量的硼化鋯后，抗侵蝕、抗氧化以及抗熱震等多種性能都會(huì)得到顯著提升。若于耐火材料中同時(shí)加入適量硼化鋯與金屬，制品的性能更是會(huì)有一個(gè)質(zhì)的飛躍。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，金屬能對(duì)耐火材料的性能起到改善作用。在耐火材料中合理應(yīng)用金屬，能促進(jìn)燒結(jié)、增強(qiáng)材料韌性與抗氧化性，提高材料與制品質(zhì)量。為此，在當(dāng)前背景下應(yīng)進(jìn)一步深化對(duì)金屬在耐火材料應(yīng)用的研究，研發(fā)更先進(jìn)的應(yīng)用形式與更科學(xué)的處理方法，讓金屬材料得到更充分、更廣泛的應(yīng)用。