礬士基β-Sialon復(fù)合低碳鋁碳滑板材料的研究.pdf

1、針對(duì)我國(guó)現(xiàn)用鋁碳滑板材料存在的主要問(wèn)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(kāi)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(diǎn)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(jìn)一步開(kāi)展了其在連鑄現(xiàn)場(chǎng)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(jī)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(jī)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(qiáng)度皆有明顯提高，如1400℃時(shí)的熱態(tài)抗折強(qiáng)度高達(dá)30MPa左右，比現(xiàn)用燒成鋁碳滑板材料的強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(jī)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(lái)石和SiO<,2>，新生態(tài)的氧化產(chǎn)物進(jìn)一步和周圍的剛玉顆粒作用

4、而形成以莫來(lái)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(lái)，強(qiáng)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(guò)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(lái)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(lái)控制β-Sialon顆粒的氧化程度并進(jìn)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(jì)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(jī)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(qiáng)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(kāi)始隨著溫度的升高而顯著升高，在1200℃達(dá)到40 MPa以上，是常溫強(qiáng)度的2.5倍，在1200

6、℃以后仍緩慢升高，到1400℃時(shí)的熱態(tài)強(qiáng)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(qiáng)度保持率為72.3％。其優(yōu)異的熱機(jī)械性能主要?dú)w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(qiáng)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(jī)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(guò)程中其氧化層中有較多的莫來(lái)石生成，這些莫來(lái)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(kuò)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(chǎng)進(jìn)行了試用。在90噸和160噸鋼包上使用時(shí)，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(dòng)面拉毛和裂紋情況有所改善；在90噸鋼包上使用時(shí)，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(méi)有拉毛，只有極少量細(xì)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