礬士基β-Sialon復(fù)合低碳鋁碳滑板材料的研究.pdf

1、針對我國現(xiàn)用鋁碳滑板材料存在的主要問題及潔凈鋼(特別是低碳鋼和超低碳鋼)連鑄的迫切需要，本工作研究開發(fā)了兩種新型的礬土基β-Sialon復(fù)合低碳鋁碳滑板材料，即“低碳Al<,2>O<,3>-β-Sialon燒成滑板材料”和“金屬Al/Si復(fù)合不燒Al<,2>O<,3>-β-Sialon滑板材料”，重點研究了這兩種新型滑板材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，進一步開展了其在連鑄現(xiàn)場的應(yīng)用工作。 本工作研究了“低碳Al<,2>

2、O<,3>-β-Sialon燒成滑板材料”的熱機械性能與顯微結(jié)構(gòu)的關(guān)系。該滑板材料含有10％的礬土基β-Sialon，其碳含量為3％～6％，顯著低于現(xiàn)用鋁碳滑板材料的碳含量(7％～12％)。研究表明該新型滑板材料具有優(yōu)異的熱機械性能。同現(xiàn)用的燒成鋁碳滑板材料相比，它的中溫和高溫強度皆有明顯提高，如1400℃時的熱態(tài)抗折強度高達30MPa左右，比現(xiàn)用燒成鋁碳滑板材料的強度高15％以上。新型滑板材料的碳含量雖顯著降低，但其仍然具有優(yōu)良的抗熱

3、震性能。當(dāng)熱震溫差△T=1200 ℃，水冷一次后，殘余抗折強度保持率為49％，略高于現(xiàn)用燒成鋁碳滑板材料的殘余抗折強度保持率(47.3％)。 顯微結(jié)構(gòu)的研究表明，低碳Al<,2>O<,3>-β-Sialon燒成滑板材料具有優(yōu)異的熱機械性能的根本原因在于材料中的礬土基β-Sialon在高溫埋碳燒成條件下發(fā)生表層氧化。即礬土基β-Sialon顆粒表層被CO氣體氧化生成莫來石和SiO<,2>，新生態(tài)的氧化產(chǎn)物進一步和周圍的剛玉顆粒作用

4、而形成以莫來石為結(jié)合相的緊密結(jié)構(gòu)，從而將材料基質(zhì)中的β-Sialon顆粒和剛玉顆粒緊密結(jié)合起來，強化了滑板材料基質(zhì)的結(jié)構(gòu)。熱力學(xué)分析表明，礬土基β-Sialon顆粒在高溫埋碳燒成條件下的氧化過程是可控的，即1409℃以下滑板材料中的β-Sialon可與CO氣體反應(yīng)形成莫來石及SiO<,2>，而在1409℃以上，β-Sialon顆粒不與CO反應(yīng)而穩(wěn)定存在。因此，可望采用合理的溫度制度來控制β-Sialon顆粒的氧化程度并進而控制滑板材料的

5、顯微結(jié)構(gòu)。這為該新型滑板材料顯微結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。 本工作研究了“金屬Al/Si復(fù)合不燒Al<,2>O<,3>-β-Sialon滑板材料”的熱機械性能與顯微結(jié)構(gòu)的關(guān)系。該滑板材料含有8％礬土基β-Sialon，其碳含量很低(3％～5％)。該材料的熱態(tài)強度隨溫度變化的規(guī)律與金屬Al/Si復(fù)合不燒鋁碳滑板材料相同，即從600℃開始隨著溫度的升高而顯著升高，在1200℃達到40 MPa以上，是常溫強度的2.5倍，在1200

6、℃以后仍緩慢升高，到1400℃時的熱態(tài)強度為45MPa以上。該材料的抗熱震性比金屬Al/Si復(fù)合不燒鋁碳滑板材料略有改善，其在熱震溫差(△T)=1200℃，風(fēng)冷一次后，殘余抗折強度保持率為72.3％。其優(yōu)異的熱機械性能主要歸因于材料中引入的Al粉和Si粉在埋碳還原條件下發(fā)生碳化和氮化等原位反應(yīng)，生成大量的非氧化物增強相，使材料的顯微結(jié)構(gòu)特征從以碳結(jié)合為主轉(zhuǎn)化為以非氧化物結(jié)合為主。本工作研究了上述兩種新型滑板材料的高溫氧化行為并探討了其抗

7、氧化機理。研究表明，不論是燒成的還是不燒的低碳滑板材料，與不含礬土基β-Sialon的滑板材料相比，礬土基β-Sialon復(fù)合低碳鋁碳滑板材料皆表現(xiàn)出更為優(yōu)良的抗氧化性能，主要原因是由于礬土基β-Sialon復(fù)合低碳鋁碳滑板材料在高溫氧化過程中其氧化層中有較多的莫來石生成，這些莫來石均勻地填充在剛玉骨架結(jié)構(gòu)的空隙中，能夠形成有效地阻礙外界中的氧向材料內(nèi)部擴散的致密結(jié)構(gòu)。 本工作研究的兩種礬土基β-Sialon復(fù)合的低碳滑板材料皆

8、在連鑄生產(chǎn)現(xiàn)場進行了試用。在90噸和160噸鋼包上使用時，低碳Al<,2>O<,3>-β-Sialon燒成滑板材料的連續(xù)使用爐數(shù)與目前使用的鋁碳或鋁鋯碳滑板材料相當(dāng)，滑動面拉毛和裂紋情況有所改善；在90噸鋼包上使用時，金屬Al/Si復(fù)合不燒Al<,2>O<,3>-β-Sialon滑板材料可以連續(xù)使用4次，使用后滑板材料基本上沒有拉毛，只有極少量細小裂紋。這表明它們完全能滿足連鑄生產(chǎn)需要。由于它們具有較低的碳含量，有望在潔凈鋼的連鑄生產(chǎn)中