C-Si复合还原氮化合成矾土基β-SiAlON

设计β-SiAlON的z值为3,以68%的生矾土(粒度≤0.074mm,烧后Al2O3含量约68%)、13%的硅粉(粒度≤0.021mm)和19%的炭黑(粒度≤5μm)为原料混合均匀后,装入坩埚中,在氮化炉中分别于1100℃、1200℃、1300℃、1350℃、1400℃、1450℃、1500℃和1550℃氮化处理6h后,测氮化后试样的质量变化率,并借助XRD、SEM及EDS等手段,同时研究了C-Si复合还原氮化合成矾土基β-SiAlON的反应过程。研究结果表明:(1)采用C-Si复合还原氮化的试样,在1100~1200℃时主要是Si与氮气和SiO2反应生成的Si2N2O;1300~1400℃时,C开始参与还原氮化反应,体系中开始有β-SiAlON生成;1450~1550℃时,β-SiAlON量逐渐增多,1500℃达到最大值。(2)与单一采用C、Si的试样相比,采用C-Si复合还原氮化的试样生成的β-SiAlON含量相对高,结晶形貌相对较好。     

Al和Al-Si加入量对Al2O3-C材料高温性能的影响

在板状刚玉颗粒、板状刚玉细粉、α-Al2O3微粉和石墨含量(质量分数,下同)分别为65%、27%、6%和2%的Al2O3-C材料中,分别以5%、8%和11%的Al粉或Al-Si复合粉(8%Al 1.5%Si和8%Al 3%Si)替代等量的板状刚玉细粉,外加3.5%的热固性树脂混练均匀,成型后于800℃埋炭热处理3h。在埋炭条件下检测试样400~1400℃的热态抗折强度、200~1400℃的应力-应变、常温~1500℃的热膨胀率以及试样的抗热震性和抗氧化性,并对部分试样进行了XRD、SEM和EDS分析。结果表明(1)随着温度的升高,试样的热态抗折强度表现出先降低,后快速升高,最后慢速升高的变化趋势;温度≥1000℃时,试样的热态抗折强度随Al粉加入量的增多而提高;在加入Si粉后,试样的热态抗折强度进一步提高。(2)试样在低温时即产生塑性变形,一直到1400℃仍处于塑性变形阶段。(3)试样的抗热震性随Al粉加入量的增多而提高,在加入Si粉后继续小幅提高。(4)试样的抗氧化性随Al粉加入量的增加而提高,加入Si粉后由于形成致密的氧化层结构,抗氧化性进一步提高。     

莫来石加入量对SiC-莫来石材料性能的影响

以SiC颗粒(2～1mm、≤1mm)、SiC细粉(≤0.066mm)、莫来石细粉(≤0.074mm)和SiO2微粉(≤0.045mm)为原料,在w(SiC细粉)=40%的基础配方中分别以质量分数为5%、10%、15%、20%和25%的莫来石细粉取代相应量的SiC细粉,并外加2%的SiO2微粉,成型后分别在1300℃和1500℃的大气气氛中煅烧3h,测定试样煅烧前后的质量变化率以及烧后试样的显气孔率、常温抗折强度和抗热震性,并用扫描电镜观察试样的显微结构。结果表明:在SiC自保护氧化的作用下,试样的抗氧化性较强,而且随着莫来石加入量的增大,1300℃烧后试样的氧化程度减小,1500℃烧后试样的氧化程度先减小,至15%后又增大;1300℃烧后试样比1500℃具有较高的抗热震性,并且随着试样中莫来石加入量的增大,烧后试样的抗热震性提高。     

矾土基β-SiAlON结合刚玉-碳化硅复合材料抗氧化性能的研究

研究了矾土基β-SiAlON(质量分数分别为15%、20%和25%)结合刚玉-碳化硅复合材料在1100～1300℃间的氧化行为。结果表明:复合材料具有较好的抗氧化性能,其氧化属保护型氧化,原因在于氧化后试样的表面存在着非晶质薄层,在非晶质薄层下又有一氧化致密层,阻止、减缓了O2向复合材料内部的进一步扩散;氧化层中的物相主要为β-SiAlON、碳化硅氧化后生成的莫来石和方石英;在氧化后期,复合材料的表观氧化活化能基本随着β-SiAlON含量的增加而增大,β-SiAlON含量为25%的复合材料的表观氧化活化能高达9586kJ.mol-1。     

Al-Zn复合Al2O3-C材料抗氧化性研究

以板状刚玉、α-Al<,2>O<,3>微粉、鳞片石墨、Al粉、Zn粉为原料,酚醛树脂为结合剂,固定Al粉加入量(w)为4.0%,制备了AJ-Zn复合Al<,2>O<,3>-C质试样,研究了Zn粉加入量(其质量分数分别为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%)对材料1 000和1 500℃下抗氧化性的影响.结果表明:加入Zn可明显改善材料的抗氧化性,当Zn粉加入量从0增至2.0%(w)时,1 000和1 500℃氧化后的氧化层厚度分别从8.5 mm减至3.5～1.4 mm,从6.0mm减至4.1～2.4 mln.材料抗氧化性提高的原因在于:Al、Al<,4>C<,3>和AlN以及Zn在氧化条件下生成的氧化产物相互反应,生成了锌铝尖晶石,形成致密的氧化保护层,阻止了氧气的进入.     

Si粉和Si-Al复合粉加入量对原位合成Al2O3-SiC-SiAlON材料抗氧化性的影响

以电熔白刚玉、α-Al2O3微粉、Si粉、Al粉为原料,在普通刚玉砖的配料中分别加入5%(质量分数,下同)和8%的Si粉或7%(Si) 1%(Al)、5%(Si) 3%(Al)和3%(Si) 5%(Al)的Si-Al复合粉,以树脂为结合剂,在150MPa下成型为25mm×25mm×125mm的5组试样,经150℃24h固化后,在埋炭条件下于1500℃保温3h烧成,冷却后在空气中进行常规热重分析和大试样热重分析,测量氧化后试样剖面的氧化层厚度和氧化面积百分数,并进行了相应的XRD和SEM分析。结果表明:1)原位合成的刚玉-SiC-SiAlON试样的氧化属于保护性氧化;2)随着Si粉加入量的增加,试样的抗氧化性增强;随着Al粉的加入及其加入比例的增大,试样的抗氧化性减弱。     

Al2O3-SiC复相粉对Al2O3-SiC-C材料性能的影响

以电熔白刚玉(3～1、≤1、≤0.044 mm)、Al2O3-SiC复相粉(d50≤5μm)、α-Al2O3微粉(d50=1.2μm)、SiC粉(≤0.044 mm)、鳞片石墨(≤0.088 mm)、Si粉(d50=42.8μm)和B4C(d50≤10μm)为主要原料,热固酚醛树脂为结合剂,研究了分别用4%、8%、12%、16%质量分数的Al2O3-SiC复相粉等比例取代α-Al2O3微粉和SiC细粉对Al2O3-SiC-C试样在180℃固化后和1 000、1 500℃埋焦炭热处理后的显气孔率、体积密度、常温抗折强度、常温耐压强度、高温抗折强度(1 400℃)、抗热震性(1 100℃,水冷)以及抗氧化性(1 000、1 500℃)的影响。结果表明:随Al2O3-SiC复相粉加入量的增加,试样经180℃固化后常温性能下降,1 000℃热处理后常温性能变化不大,1 500℃热处理后除耐压强度显著提高外,其余各项常温性能变化不大;而高温抗折强度下降,抗热震性明显提高,试样经1 500℃氧化后的抗氧化性以加入4%质量分数复相粉的最佳。其原因可能是由于该复相粉的粒度更细,反应活性更高,其氧化层中更易生成莫来石,形成表面致密层从而有效地阻碍氧气向材料内部扩散。     

Al-Mg合金加入量对低碳Al2O3-Al-C不烧滑板材料低温性能的影响

以板状刚玉、α-Al2O3微粉、石墨、Al粉、Al-Mg合金粉为原料,以酚醛树脂为结合剂,研究了铝镁合金的加入量对Al2O3-Al-C不烧滑板材料500-700℃埋碳和氧化气氛烧后抗折强度和抗氧化性能的影响.结果表明:Al-Mg合金加入量不宜超过6％;引入适量Al-Mg合金,500℃埋碳条件和氧化气氛烧后试样的常温抗折强度和抗氧化性均未改善,但600℃和700℃埋碳条件和氧化气氛烧后的常温抗折强度均提高;随温度升高,试样的常温抗折强度和抗氧化性均提高;试样常温强度和抗氧化性提高的原因在于:Al-Mg合金活性高,可保护树脂碳不被氧化,且Al-Mg合金有部分与CO反应生成MgO和Al2O3陶瓷相对材料起增强作用.     

Mn对Al2O3-ZrO2-C耐火材料抗氧化性的影响

固定主要原料烧结板状刚玉、锆莫来石、石墨,添加剂Al粉、Si粉以及结合剂热固性酚醛树脂等的加入量,加入不同量的Mn配制成Mn、C质量比不同的Al2O3-ZrO2-C试样,埋炭烧成后检测各试样的抗氧化性.结果表明试样的氧化层厚度先随Mn加入量的增加(即Mn与C质量比的增大)而减小,即抗氧化性提高;至Mn与C质量比为14时,氧化层厚度最小,即抗氧化性最佳;当Mn含量继续增加时,氧化层厚度又开始增加,即抗氧化性降低.     

β-SiAlON基复相耐火材料的高温使用性能研究

研究了β-SiAlON-刚玉、β-SiAlON-SiC和β-SiAlON-刚玉-SiC三种复相耐火材料的主要高温使用性能,以及其中SiAlON相含量(w,下同)分别为25%、40%和55%时对其性能产生的影响。结果表明:β-SiAlON-SiC复相耐材的抗热震性、抗渣侵蚀性优于β-SiAlON-刚玉,在热震温差为1100℃时,抗热震次数达到40次以上;β-SiAlON-刚玉复相材料的抗氧化性优于β-SiAlON-SiC,在1400℃氧化10h后,各试样单位面积的质量增加量约为:β-SiAlON-刚玉29.07～29.79mg·cm-2,β-SiAlON-SiC35.56～36.40mg·cm-2,β-SiAlON-刚玉-SiC33.0mg·cm-2。随着β-SiAlON含量的增加,β-SiAlON-刚玉的抗热震性和抗渣侵蚀性增强,抗氧化性减弱;而β-SiAlON-SiC的抗热震性减弱,抗渣侵蚀性和抗氧化性增强。     

SiC加入量对MgO-MgAl2O4-SiC材料性能的影响

以电熔镁砂颗粒(3~1 mm,≤1 mm)、电熔镁砂粉、镁铝尖晶石粉和SiC粉为原料,研究了SiC加入量(w)分别为5%、10%、15%、20%时对MgO-MgAl2O4材料经1 100℃和1 500℃保温3 h后的物理性能、抗氧化性能以及1 600℃保温3 h后的抗渣性能的影响。结果表明:加入SiC有利于提高材料的烧后强度。材料经1 100℃处理后,SiC几乎完全氧化;1 500℃烧后表明,当SiC加入量不超过10%时,抗氧化性能随着SiC加入量增加而增强;超过10%时,反而降低;1 600℃烧后表明,随着SiC加入量的增加,试样抗渣性能有所下降。对1 500℃烧后试样进行XRD和SEM分析发现,在试样氧化层中生成大量的镁橄榄石。     

河南某低品位铝土矿制备β-SiAlON

分别以复合还原剂碳硅、碳铝还原氮化低品位铝土矿(Al2O3含量为68wt％)制备β-SiAlON.利用XRD、SEM和EDS等检测手段和试样的质量变化率,研究了两种复合还原剂制备β-SiAlON的相变过程、β-SiAlON的相对生成量和微观状态.结果表明:低品位的矾土矿利用复合还原剂可以制造出优良廉价的β-SiAlON材料;碳硅试样的β-SiAlON为O'-SiAlON和Al2O3反应生成;碳铝试样的β-SiAlON为AlN、Si3N4和Al2O3反应生成以及碳直接还原氮化莫来石生成;基本结束的反应温度为1500℃,生成的β-SiAlON为柱状、z值为3左右;复合还原剂碳硅还原氮化制备β-SiAlON相对含量高,结晶形貌好,制备成本低.     

煅烧温度对Al2O3-SiC-Si材料相组成、结构与性能的影响

以82%(质量分数,下同)的电熔白刚玉、5%的α-Al2O3微粉、5%的SiC细粉和8%的Si粉为原料,以纸浆废液为结合剂,在埋炭条件下分别于1100、1200、1300、1400和1500℃煅烧制备了Al2O3-SiC-Si材料,并研究了煅烧温度对此材料常温物理性能、热态抗折强度、抗热震性、抗氧化性的影响,以及材料在煅烧过程中的相组成和显微结构变化。结果表明:1)1100℃烧后,有少量SiC纤维生成;1200℃烧后,大量原位生成的SiC纤维穿插在刚玉骨架结构中,SiC纤维随煅烧温度的升高而长大,且其生成量也增加;在1300℃时,开始生成SiAlON;1400℃时,单质硅完全反应。2)随煅烧温度的提高,Al2O3-SiC-Si材料的常温性能和高温强度都有所提高;1200℃烧后,材料已具有优异的抗热震性和抗氧化性,随煅烧温度的升高,材料保持良好的抗热震性和抗氧化性。     

电熔镁砂加入量对Al2O3-SiC-C浇注料性能的影响

以电熔棕刚玉颗粒(粒度为5~3 mm、3~1 mm,≤1 mm)、电熔白刚玉细粉(≤0.088 mm)、SiC颗粒(≤1 mm)和细粉(≤0.088 mm)、电熔镁砂细粉(≤0.088 mm)、活性α-Al2O3微粉、SiO2微粉、Si粉和球状沥青为主要原料,以纯铝酸钙水泥为结合剂,配制成电熔镁砂细粉加入量(质量分数)分别为0、3%、6%、9%、12%的出铁沟用Al2O3-SiC-C浇注料,经振动成型、养护、脱模、110℃24 h烘干后,分别于1 100℃3 h、1 450℃3 h热处理,测定处理后试样的体积密度、显气孔率、烧后线变化率、抗折强度、抗高炉渣侵蚀性和抗氧化性,并分析其物相组成和显微结构。结果表明:随着电熔镁砂加入量的增加,试样的显气孔率提高,体积密度、抗折强度和抗氧化性降低,抗渣性变化不大;1 450℃3 h处理后试样物相主要由3C-SiC、6H-SiC、刚玉、方镁石以及反应生成的尖晶石和莫来石组成,且随着电熔镁砂加入量的增加,尖晶石和莫来石的生成量也增加;在侵蚀面附近,刚玉颗粒边缘生成了厚度约80μm的尖晶石层。     

Ti粉加入量对Al_2O_3-C材料强度与抗氧化性的影响

以白刚玉、鳞片石墨为主要原料,分别外加质量分数为0、2.5%、5%、7.5%、10%的Ti粉,经等静压成型,在流动氮气中于1350℃4 h烧成,制备了含Ti的Al2O3-C试样,测试了试样的常温耐压强度、常温抗折强度和1 400℃2 h下的抗氧化性,用XRD分析了试样及其脱碳层的相组成,并用SEM观察试样脱碳层的显微形貌。结果表明:1)在流动氮气中烧成,Ti粉易于转化为TiC1-xNx(其中0≤x≤1),增强了物相间的结合力,且TiC1-xNx钉扎在基体中,增大了基体间滑移的摩擦力,提高了Al2O3-C试样的强度,外加Ti粉质量分数为5%时最佳;2)加Ti粉的Al2O3-C试样在空气中氧化时,TiC1-xNx氧化后的体积膨胀弥补了石墨被氧化后留下的空隙,阻止了外部O2的扩散,同时在高温的作用下,脱碳层氧化物间形成的钛酸铝和莫来石能胶结基体形成致密层,有效地减缓了内层非氧化物的氧化,提高了Al2O3-C试样的抗氧化性能。     

Si-B4C复合抗氧化剂对MgAlON材料高温氧化行为的影响

研究了Si-B4C复合抗氧化剂对MgAlON材料高温氧化行为的影响.通过对氧化后试样脱色层的厚度、相组成、氧化产物中尖晶石相的晶格常数及显微结构的研究发现,该复合抗氧化剂能显著改善MgAlON材料的高温抗氧化性能.抗氧化机理在于在相对较低的温度(1100℃以下)下,SiO2和B2O3作用形成低粘度、低挥发性、低氧扩散系数的硼硅酸盐玻璃而有效地封闭气孔和裂纹;在较高温度下,硼硅酸盐玻璃中的SiO2和B2O3又能和MgAlON氧化产物中的α-Al2O3作用,形成由莫来石和Al18B4O33构成的致密氧化物层,有效阻挡外界的氧向试样内部扩散.     

Al-Zn复合低碳MgO-Al_2O_3-C材料埋炭热处理后的抗氧化性

为了研究Al-Zn复合低碳MgO-Al_2O_3-C材料在不同温度埋炭热处理过程中的变化及其对材料抗氧化性的影响,以电熔镁砂、鳞片石墨、Al粉和Zn粉为原料,分别制成Al复合和Al-Zn复合低碳MgO-Al_2O_3-C试样,经200℃烘烤12 h后,分别在600、1000、1 200和1 500℃埋炭热处理3 h,然后在空气气氛中进行室温至1 500℃的热重分析,并测量热重试验后试样的氧化层厚度。结果表明:1)在600℃埋炭热处理过程中,试样因树脂挥发变得多孔疏松,导致其抗氧化性变差。2)1 000~1 500℃埋炭热处理后,Al复合低碳MgO-Al_2O_3-C试样因原位生成非氧化物而致密化,抗氧化性随埋炭热处理温度的升高而增强。而Al-Zn复合试样在因原位生成非氧化物而致密化的同时,也因Zn的挥发而疏松化;并且随埋炭热处理温度的升高,疏松化超过致密化。因此,其抗氧化性随埋炭热处理温度的升高而变差。     

ZrB_2对Al-Si复合Al_2O_3-C材料高温力学性能的影响

以板状刚玉、α-Al2O3微粉、Al粉、Si粉、ZrB2和石墨为原料,酚醛树脂为结合剂,采用150 MPa压力压制成25 mm×25 mm×145 mm的试样。研究ZrB2加入量(其质量分数分别为0.5%、1%、1.5%、2%)对Al-Si复合Al2O3-C材料高温抗折强度和抗热震性的影响,并分析了试样物相组成和显微结构的变化。结果表明:(1)加入ZrB2质量分数≥1%时,可明显提高200℃烘烤和700℃热处理后试样的高温抗折强度和抗热震性;加入ZrB2对1 500℃烧后试样的高温抗折强度和抗热震性影响不大。(2)加入ZrB2后AlN和SiC生成量明显增加,晶体发育良好,形成连续交叉连锁的网络结构,对材料增强、增韧作用显著,有利于提高材料的高温强度和抗热震性。     

加入β-SiAlON对铝碳质材料性能的影响

以白刚玉、熔融石英(≤0.5mm)为骨料,鳞片石墨(≤0.15mm)、白刚玉(≤0.088mm和≤0.045mm)、矾土基β-SiAlON(≤0.088mm)以及添加剂为基质料,酚醛树脂作结合剂,在骨料与基质的质量比为35∶65的基础上,分别用0、7%、14%、21%、28%的矾土基β-SiAlON取代铝碳质材料中的石墨,经等静压成型后,试样于180℃固化24h,并在埋炭条件下于930℃热处理,研究了β-SiAlON加入量对处理后试样常温物理性能、抗氧化性、高温机械性能和抗热震性的影响。结果表明:(1)随着β-SiAlON加入量的增加,试样的显气孔率显著上升,体积密度降低,常温和高温抗折强度下降,抗氧化能力变差;(2)与原铝碳材料相比,加β-SiAlON的试样抗热震性均有所降低,但仍保持了良好的抗热震性,在1100℃热震温差下水冷3次和5次后的强度保持率均在90%和75%以上;(3)从降低C含量的角度考虑,在不显著降低铝碳材料性能的情况下,β-SiAlON加入量以7%左右较为适宜,此时试样仍具有较好的抗氧化性和高温抗折强度。     

热处理温度对钛铝酸钙-碳化硅复相材料性能及显微结构的影响

为了钛铁渣的再利用,以钛铝酸钙、碳化硅、α-Al_2O_3微粉、SiO_2微粉和V_2O_5等为原料制备莫来石晶须增强钛铝酸钙-碳化硅复相材料试样,研究热处理温度(1 400、1 450、1 500℃)对试样性能、相组成和显微结构的影响。结果表明:随着烧成温度的增加,体积密度、常温耐压强度增加,显气孔率降低。温度有利于试样的致密化,但是温度越高,试样外部的SiC氧化加重,形成的液相阻碍氧气向试样内部进入,造成较差的颗粒间结合。钛铝酸钙可与SiC氧化产生的SiO_2反应生成钙长石,且V_2O_5的引入促进了莫来石柱状晶的形成与生长。