Al-Si復(fù)合Al-,2-O-,3--C材料的高溫性能、顯微結(jié)構(gòu)及研制.pdf

1、由于鋁碳材料具有相對較好的高溫性能，而廣泛應(yīng)用于連鑄功能性耐火材料中，為進(jìn)一步提高其高溫性能，滿足潔凈鋼技術(shù)的發(fā)展要求，本論文研究了Al/Si復(fù)合Al<,2>O<,3>-C材料的高溫性能及顯微結(jié)構(gòu)，包括加熱過程物相組成、結(jié)構(gòu)及性能的變化，不同溫度的抗折強(qiáng)度和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，Al/Si加入量對高溫強(qiáng)度、抗熱震性能和抗氧化性能的影響以及顯微結(jié)構(gòu)特征的變化。在此基礎(chǔ)上，研制了低溫?zé)?、低碳Al/Si結(jié)合Al<,2>O<,3>-C滑板制品，在大

2、中型鋼包上取得了較好的使用效果。 研究了在埋碳加熱過程中Al復(fù)合Al<,2>O<,3>-C材料組成、性能及結(jié)構(gòu)的變化。結(jié)果表明：600～800℃的低溫階段，Al熔化，填充空隙，使材料致密，常溫和高溫強(qiáng)度提高；800～1200℃的中溫階段，隨著溫度升高Al與C反應(yīng)生成大量的Al<,4>C<,3>，少量的Al與N<,2>反應(yīng)生成AlN，Al<,4>C<,3>和AIN填充在剛玉骨架結(jié)構(gòu)中，使材料進(jìn)一步致密，常溫和高溫抗折強(qiáng)度顯著增加。

3、1200～1400℃的高溫階段，Al消失，部分Al<,4>C<,3>與N<,2>反應(yīng)轉(zhuǎn)化為AlN，AlN和Al<,4>C<,3>形成非氧化物結(jié)合的結(jié)構(gòu)，起強(qiáng)化作用，使材料的強(qiáng)度進(jìn)一步提高；1400～1600℃的高溫階段，AlN和Al<,4>C<,3>晶體發(fā)育長大，使材料保持較高的常溫和高溫強(qiáng)度，并觀察到少量的Al<,x>CO<,y>N<,z>。 研究了Al/Si復(fù)合Al<,2>O<,3>-C材料在不同溫度下的抗折強(qiáng)度和應(yīng)力-應(yīng)變

4、關(guān)系，結(jié)果表明：低溫階段隨著溫度升高材料的強(qiáng)度降低，中溫階段其強(qiáng)度顯著增加，高溫階段材料的強(qiáng)度繼續(xù)增加，但增加的幅度減小。材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系特征為：低溫時即呈現(xiàn)塑性狀態(tài)，一直到1400℃仍處于塑性變形范圍，未觀察到粘滯流動現(xiàn)象。 研究了Al/Si加入量對材料高溫性能的影響。結(jié)果表明：Al從5％增加到11％，材料的高溫抗折強(qiáng)度提高，抗熱震性能和抗氧化性能得到改善。在8％Al的基礎(chǔ)上加入1.5～3％Si，材料的高溫抗折強(qiáng)度進(jìn)一步提高

5、，抗熱震性能保持較高水平，抗氧化性能明顯改善。 研究了材料的顯微結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。結(jié)果表明：常溫時材料的結(jié)合方式是碳結(jié)合，低溫階段以金屬結(jié)合為主，中溫階段Al/Si與C、N<,2>原位反應(yīng)生成非氧化物，材料由金屬結(jié)合逐漸向非氧化物結(jié)合轉(zhuǎn)變，高溫時形成非氧化物結(jié)合，起到增強(qiáng)增韌作用，使材料具有較好的高溫機(jī)械性能。用分形理論研究了材料中金屬鋁顆粒低溫階段的形貌變化，結(jié)果表明：金屬鋁顆粒的形貌具有分形特征，可用分形維數(shù)來定量描述Al<

6、,2>O<,3>-C材料金屬結(jié)合方式的程度。根據(jù)上述研究結(jié)果，采用低溫?zé)晒に?，研制了Al/Si結(jié)合Al<,2>O<,3>-C滑板制品。該滑板與高溫?zé)傻腁l<,2>O<,3>-C和Al<,2>O<,3>-ZrO<,2>-C質(zhì)滑板相比，碳含量低，高溫強(qiáng)度高，具有較好的抗熱震性和抗氧化性。經(jīng)大中型鋼包的批量使用表明，其連續(xù)使用次數(shù)高于燒成的Al<,2>O<,3>-C滑板，與Al<,2>O<,3>-ZrO<,2>-C滑板相當(dāng)。用后滑板的擴(kuò)孔

7、均勻，拉毛較少，裂紋微細(xì)。 對Al/Si結(jié)合Al<,2>O<,3>-C滑板用后的殘磚進(jìn)行了分析研究，結(jié)果表明，滑板在使用時的損毀過程是：表面工作層中的非氧化物首先被氧化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疏松，強(qiáng)度降低，在鑄孔處由于高溫鋼水沖刷引起鑄孔擴(kuò)大，在滑動面處因機(jī)械摩擦造成滑動面拉毛。因此該滑板材料今后改進(jìn)的重點(diǎn)應(yīng)是提高其抗氧化性及氧化后的強(qiáng)度。用有限元進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果表明：滑板在使用過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力主要決定于其初始溫度，根據(jù)應(yīng)力分布情況可