β-SiAlON含量对SiAlON结合刚玉材料性能的影响

刘晨晖 张宇翠 贾全利 叶方保

郑州大学材料科学与工程学院河南省高温功能材料重点实验室 河南郑州450052

铁水预处理过程中，三脱处理剂对鱼雷罐内衬用Al2O3-SiC-C材料氧化、侵蚀严重，加上KR搅拌法和喷吹法等的采用加剧了材料的损毁，使得鱼雷罐内衬材料的使用寿命大幅下降［1-2］。

SiAlON结合刚玉材料具有较高的强度以及优良的抗热震性、抗氧化性、抗侵蚀性，被广泛用于炼铁高炉［3-4］。胡莉敏等［5］研究表明，SiAlON结合复相材料比鱼雷罐现用烧成Al2O3-C、不烧Al2O3-SiC-C砖具有更好的高温性能，可望作为铁水预处理鱼雷罐用耐火材料。

本工作中，以板状刚玉为骨料，以白刚玉粉、Si粉、Al粉和氧化铝微粉为基质料，经高温氮化烧成制备SiAlON结合刚玉材料；通过调整Si粉和Al粉的加入量改变β-SiAlON的设计生成量，研究了SiAlON结合刚玉材料中β-SiAlON含量对材料致密度、强度、抗氧化性、抗热震性、抗渣侵蚀性和抗脱硫剂侵蚀性等的影响。

1 试验

1.1 试验原料

试验用原料为：板状刚玉，粒度3～1、≤1 mm，w（Al2O3）＞99.3%；电熔白刚玉粉，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 试样制备

设计了SiAlON理论生成量（w）分别为10%、20%和30%的三种试样，分别标记为AS10、AS20和AS30。试样的具体配比见表1。

表1 试样配比

按表1配料，外加5%（w）的糊精液作为临时结合剂，混练均匀。以150 MPa压力压制成25 mm×25 mm×150 mm的条状试样和外部尺寸为φ50 mm×50 mm、内孔尺寸为φ25 mm×25 mm的坩埚试样，在110℃干燥24 h后，在氮化炉中于1 500℃保温3 h氮化烧成。

1.3 性能检测

按相关标准检测烧后试样的显气孔率、体积密度、烧后线变化率、常温抗折强度、1 400℃保温0.5 h条件的高温抗折强度。采用水冷法，以ΔT＝1 100℃的热震温差对试样进行1和3次热震，用热震后的抗折强度和强度保持率（热震后抗折强度／热震前抗折强度×100%）表征其抗热震性。将试样置于空气气氛高温炉中，升温至1 500℃保温3 h，冷却后取出，测量试样的氧化层厚度。

抗渣试验采用静态坩埚法：将一定量的KR脱硫包扒头上的渣或脱硫剂装入坩埚内孔中，置于高温炉中，在空气气氛中升温至1 550℃保温3 h，冷却后取出，沿坩埚孔轴线剖开，观察并测量坩埚的侵蚀情况。试验用渣和脱硫剂的化学组成见表2。

表2 试验用渣和脱硫剂的化学组成

用XRD分析试样的物相组成，用SEM分析试样的显微结构，用EDS分析试样微区的元素组成。

2 结果与讨论

烧后试样的XRD图谱见图1。可以看出：各试样均由刚玉和β-SiAlON组成；随着SiAlON设计生成量的增加，β-SiAlON衍射峰的强度逐渐增强。用Panalytical HighScore Plus中Rietveld模块计算得出，试样AS10、AS20和AS30中β-SiAlON的质量分数分别为10.8%、19.5%和33.1%，与设计生成量基本吻合。

图1 烧后试样的XRD图谱

烧后试样的线变化率、显气孔率、体积密度、常温抗折强度、高温抗折强度等检测结果见表3。可以看出：随着β-SiAlON含量的增加，试样的烧后线变化率由-0.05%逐渐增大到0.40%，显气孔率从19.1%逐渐降低到16.8%，体积密度和常温抗折强度变化较小，高温抗折强度从8.6 MPa显著增大到18.2 MPa。随着β-SiAlON含量的增加，试样的结合程度提高，因此致密度和强度提高［3-5］。

表3 烧后试样的性能检测结果

β-SiAlON含量对试样抗热震性的影响见图2。可以看出：随着β-SiAlON含量的增加，热震后试样的强度和强度保持率均提高，表明试样的抗热震性提高。分析认为：β-SiAlON本身强度高，热膨胀系数低（2.5×10-6℃-1），热导率高；β-SiAlON与刚玉的热膨胀系数（8.8×10-6℃-1）差异大，容易导致材料内部产生非破坏性微裂纹，可吸收热震产生的弹性应变能［4-7］。这些均有利于提高试样的抗热震性。

图2 试样的抗热震性

β-SiAlON含量对试样抗氧化性的影响见图3。

图3 试样的抗氧化性

从图3可以看出：随着β-SiAlON含量的增加，试样的氧化层厚度从7 mm逐渐减小至约1 mm，表明其抗氧化性显著提高。这主要是因为：随着β-SiAlON含量的增加，材料的显气孔率降低，阻碍了氧气的扩散［8］；β-SiAlON氧化后生成莫来石致密保护层，阻碍了氧气向材料内部的进一步渗透。

侵蚀后试样的剖面照片见图4，各试样在渣或脱硫剂中的侵蚀深度见图5。可以看出：随着β-SiAlON含量的增加，渣或脱硫剂对试样的侵蚀逐渐减轻；对于同一试样，脱硫剂对试样的侵蚀比渣对试样的侵蚀严重。分析认为：β-SiAlON含量增加，试样的抗氧化性提高，抗渣性也随之提高；脱硫剂中含有高含量的CaO和CaF2，CaF2又是强溶剂，高温下降低了渣的黏度，对试样的侵蚀较为严重。

图4 渣和脱硫剂侵蚀后试样的剖面照片

图5 各试样在渣和脱硫剂中的侵蚀深度

3 结论

（1）以板状刚玉为骨料，以电熔白刚玉粉、Si粉、Al粉和α-Al2O3微粉为基质，经高温氮化烧成制备了β-SiAlON结合刚玉材料，材料中β-SiAlON的实际含量与设计生成量基本吻合。

（2）随着β-SiAlON含量的增加，β-SiAlON结合刚玉材料的显气孔率逐渐减小，高温抗折强度、抗氧化性、抗热震性、抗渣侵蚀性和抗脱硫剂侵蚀性均明显提高。