β-SiAlON含量對SiAlON結合剛玉材料性能的影響

劉晨暉 張宇翠 賈全利 葉方保

鄭州大學材料科學與工程學院河南省高溫功能材料重點實驗室 河南鄭州450052

鐵水預處理過程中，三脫處理劑對魚雷罐內襯用Al2O3-SiC-C材料氧化、侵蝕嚴重，加上KR攪拌法和噴吹法等的采用加劇了材料的損毀，使得魚雷罐內襯材料的使用壽命大幅下降［1-2］。

SiAlON結合剛玉材料具有較高的強度以及優良的抗熱震性、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結合復相材料比魚雷罐現用燒成Al2O3-C、不燒Al2O3-SiC-C磚具有更好的高溫性能，可望作為鐵水預處理魚雷罐用耐火材料。

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料，經高溫氮化燒成制備SiAlON結合剛玉材料；通過調整Si粉和Al粉的加入量改變β-SiAlON的設計生成量，研究了SiAlON結合剛玉材料中β-SiAlON含量對材料致密度、強度、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

1.1 試驗原料

試驗用原料為：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

設計了SiAlON理論生成量（w）分別為10%、20%和30%的三種試樣，分別標記為AS10、AS20和AS30。試樣的具體配比見表1。

表1 試樣配比

按表1配料，外加5%（w）的糊精液作為臨時結合劑，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

按相關標準檢測燒后試樣的顯氣孔率、體積密度、燒后線變化率、常溫抗折強度、1 400℃保溫0.5 h條件的高溫抗折強度。采用水冷法，以ΔT＝1 100℃的熱震溫差對試樣進行1和3次熱震，用熱震后的抗折強度和強度保持率（熱震后抗折強度／熱震前抗折強度×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，測量試樣的氧化層厚度。

抗渣試驗采用靜態坩堝法：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，觀察并測量坩堝的侵蝕情況。試驗用渣和脫硫劑的化學組成見表2。

表2 試驗用渣和脫硫劑的化學組成

用XRD分析試樣的物相組成，用SEM分析試樣的顯微結構，用EDS分析試樣微區的元素組成。

2 結果與討論

燒后試樣的XRD圖譜見圖1。可以看出：各試樣均由剛玉和β-SiAlON組成；隨著SiAlON設計生成量的增加，β-SiAlON衍射峰的強度逐漸增強。用Panalytical HighScore Plus中Rietveld模塊計算得出，試樣AS10、AS20和AS30中β-SiAlON的質量分數分別為10.8%、19.5%和33.1%，與設計生成量基本吻合。

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、常溫抗折強度、高溫抗折強度等檢測結果見表3。可以看出：隨著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度變化較小，高溫抗折強度從8.6 MPa顯著增大到18.2 MPa。隨著β-SiAlON含量的增加，試樣的結合程度提高，因此致密度和強度提高［3-5］。

表3 燒后試樣的性能檢測結果

β-SiAlON含量對試樣抗熱震性的影響見圖2。可以看出：隨著β-SiAlON含量的增加，熱震后試樣的強度和強度保持率均提高，表明試樣的抗熱震性提高。分析認為：β-SiAlON本身強度高，熱膨脹系數低（2.5×10-6℃-1），熱導率高；β-SiAlON與剛玉的熱膨脹系數（8.8×10-6℃-1）差異大，容易導致材料內部產生非破壞性微裂紋，可吸收熱震產生的彈性應變能［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含量對試樣抗氧化性的影響見圖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。這主要是因為：隨著β-SiAlON含量的增加，材料的顯氣孔率降低，阻礙了氧氣的擴散［8］；β-SiAlON氧化后生成莫來石致密保護層，阻礙了氧氣向材料內部的進一步滲透。

侵蝕后試樣的剖面照片見圖4，各試樣在渣或脫硫劑中的侵蝕深度見圖5。可以看出：隨著β-SiAlON含量的增加，渣或脫硫劑對試樣的侵蝕逐漸減輕；對于同一試樣，脫硫劑對試樣的侵蝕比渣對試樣的侵蝕嚴重。分析認為：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又是強溶劑，高溫下降低了渣的黏度，對試樣的侵蝕較為嚴重。

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，經高溫氮化燒成制備了β-SiAlON結合剛玉材料，材料中β-SiAlON的實際含量與設計生成量基本吻合。

（2）隨著β-SiAlON含量的增加，β-SiAlON結合剛玉材料的顯氣孔率逐漸減小，高溫抗折強度、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。