鋁板帶連鑄連軋鑄嘴板材制備及可加工性能的研究

王自強 王冬冬 楊 敏 王 剛 黃佳原 周慧君

1）中鋼集團洛陽耐火材料研究院有限公司 河南洛陽471039 2）洛陽豫港龍泉高精度鋁板帶有限公司 河南洛陽471300

履帶式連鑄連軋鋁板帶生產線拉坯速度快，鑄嘴工作負荷高，傳統的拼接式鑄嘴難以滿足生產要求［1－4］。以氧化鋁陶瓷纖維為基材，以硅溶膠為結合劑，經制漿、澆注成型、固化、干燥、熱處理、機加工等工序制成的整體式鑄嘴，具有整體強度高，尺寸精確，耐受高強度，拉坯能力強等特點［5］。但是，由于基材具有疏松多孔結構，在坯體干燥過程中，硅溶膠會隨著水分向外遷移，最終富集在制品表面形成堅硬的殼層，導致制品內外強度不均勻，且不利于后期機械加工。

為了解決硅溶膠在澆注體干燥過程中發生遷移、富集的問題，在本研究中，擬利用硅溶膠穩定性對pH非常敏感的特性［6］，通過添加引發劑氯化銨調整體系pH，使硅溶膠發生膠凝固化而不隨水分發生遷移；或擬通過加入水性環氧樹脂，利用環氧樹脂固化形成的大分子立體網絡結構將硅溶膠中的SiO2粒子固結在原位而不隨水分發生遷移。因此，以硅溶膠和硅溶膠－環氧樹脂為結合體系，制備了鑄嘴材料，研究了其性能。

1 試驗

1.1 原料及配比

試驗原料有：摩根1260型硅酸鋁陶瓷纖維，充分水洗除去渣球后，采用短切機使纖維長度變為2～5 mm，過濾、烘干后備用；硅溶膠，固含量為25%（w）；水性環氧樹脂HMP2255和固化劑HMP2266；高嶺土，d50＝2μm（3 000目）；三聚磷酸鋁，分析純；氯化銨，分析純。

本試驗中設計了硅溶膠自固化結合和硅溶膠－環氧樹脂復合結合的2組試樣，試驗配比見表1。

表1 試驗配比Table 1 Formulations of specimens

1.2 試樣制備

硅溶膠自固化結合試樣的制備：按表1配比，將處理好的1260型硅酸鋁陶瓷纖維、高嶺土和三聚磷酸鋁置于V型混料機中進行預混均勻，將預混好的原料投入分散機中，邊攪拌邊加入水和硅溶膠，攪拌均勻后加入氯化銨，根據氯化銨的加入量控制漿料的pH為8～9，繼續攪拌10～15 min后，倒入不銹鋼模具中，置于不同溫度（分別為25、30、35、40、45、50和60℃）的干燥箱中保溫不同時間（分別為40、60、90和120 min），使漿料在模具內固化成型。脫模，將樣坯置于120℃干燥箱內進行干燥后，送入電爐內以2℃·min－1升溫至800℃并保溫5 h進行熱處理。

硅溶膠－環氧樹脂復合結合試樣的制備：按表1配比，按硅溶膠自固化結合試樣的制備工藝將1260型硅酸鋁陶瓷纖維、高嶺土、三聚磷酸鋁、水和硅溶膠混合均勻，再加入環氧樹脂HMP2255及固化劑HMP2256混合均勻，然后按硅溶膠自固化結合試樣的制備工藝進行固化、干燥和熱處理。

1.3 性能檢測

按GB／T 3001—2007采用三點彎曲法測量試樣的抗折強度。

將熱處理后試樣用1 mm厚切割鋸片沿縱面切開，對其紋理進行觀察，通過量取表面致密層厚度來判斷硅溶膠遷移量及遷移程度。

采用德國ZEISS EVO18型掃描電子顯微鏡觀察試樣剖面的顯微結構。

2 結果與分析

2.1 不同凝膠體系試樣效果對比

圖1分別為在40℃下保溫120 min不同固化體系800℃熱處理后的鑄嘴材料橫斷面。

圖1 不同固化體系材料經熱處理后的橫斷面Fig.1 Cross-sections of materials with different curing systems

從圖1中可以看出，硅溶膠－環氧樹脂固化體系能夠實現更均勻的組織結構，大幅度減少了成型過程中粉體填料因沉降而出現的分層偏析現象。

2.2 試樣的遷移層厚度

不同結合體系的試樣經熱處理后的遷移層厚度隨固化溫度和固化時間的變化見圖2。可以看出：1）在固化溫度相同時，試樣的遷移層厚度基本上隨固化時間的延長而減小。這是因為，固化時間越長，硅溶膠和酚醛樹脂固化越完全，在隨后的干燥過程中，能發生遷移的硅溶膠越少。2）在固化時間相同時，試樣的遷移層厚度基本上隨固化溫度的升高先減小后增大。這可能是因為，當固化溫度偏低時，體系固化不完全；而當固化溫度偏高時，硅溶膠的遷移速率高于其固化速率。3）對比發現，硅溶膠－環氧樹脂復合結合試樣的遷移層厚度比硅溶膠自固化結合試樣的略小。這是因為環氧樹脂固化形成的大分子立體網絡結構可以將硅溶膠的有效成分固化在網絡結構中，并且其效果超過硅溶膠自固化的效果。4）整體來看，在40℃固化120 min的固化條件下，試樣的遷移層厚度最小。

2.3 試樣的抗折強度

將兩種固化體系得到的材料表皮去除，制成160 mm×40 mm×40 mm的試條，測試抗折強度。分別于30、35、40、45、50和60℃固化120 min，熱處理后兩種試樣的常溫抗折強度如表2所示。

從表2中可以看出，當溫度較低時，兩種體系由于固化不完全，因而在后期干燥過程中硅溶膠發生了大量的遷移，材料表面聚集了較厚的致密層，導致試樣強度出現增大的現象，但是其內部由于有效黏結劑含量低，因而出現了表面堅硬實際內部疏松柔軟的現象。當在較高溫度下固化時，隨水分蒸發，硅溶膠遷移與凝膠固化同時進行，在更高溫度下，當遷移速率高于固化速率時，同樣出現了表面硬結現象。因此高強度產生的原因是由于硅溶膠大量遷移至表面而形成。這種高力學強度并不代表其具有優異的加工性能，相反，在加工鑄嘴型腔時，由于強度不均勻會導致破損以及加工精度無法達到。

2.4 顯微結構分析

在40℃固化120 min的條件下，不同固化體系的試樣經過熱處理后的內部結構對比見圖3。可以看出，硅溶膠自凝膠固化體系在后期熱處理結束后，硅溶膠充分填充于材料內部，凝膠膜呈龜裂形塊狀填充物，大部分硅溶膠被留存在材料內部。硅溶膠－環氧樹脂體系固化的試樣其填充物沒有明顯的裂痕，因為環氧樹脂將硅溶膠以及其他填料同時較完整地固結在材料內部，在后期熱處理過程中充分形成燒結體，使得材料內部結構更加均勻，沒有明顯的硬塊，這將有利于后期的加工工序。

3 結論

（1）在固化溫度相同時，不同結合體系試樣的硅溶膠遷移層厚度均隨固化時間的延長而減小；在固化時間相同時，不同結合體系試樣的硅溶膠遷移層厚度基本上隨固化溫度的升高而呈先減小后增大的變化趨勢；總體來看，以40℃固化120 min的固化條件為佳；對比發現，硅溶膠－環氧樹脂復合結合試樣的硅溶膠遷移層厚度比硅溶膠自固化結合試樣的小。

（2）硅溶膠－環氧樹脂復合結合試樣的硅溶膠遷移層厚度和常溫抗折強度均比硅溶膠自固化結合試樣的小。

（3）采用外界引入固化體系制備的材料，比硅溶膠自凝膠固化體系得到的材料可加工性能優越，但同時前者的力學強度略低于后者。