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热处理温度对连铸用Al2O3-C材料性能及显微结构的影响

王建筑1，赵俊学1，2，张厚兴3，潘磊3，王作创3

[1.西安建筑科技大学冶金工程学院，陕西 西安 710055；2.北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083；3.濮耐高温材料(集团)股份有限公司，河南 濮阳 457100]

摘 要：以板刚玉、天然鳞片石墨为原料，单质硅粉为抗氧化剂，酚醛树脂为结合剂，采用等静压成形工艺制备了连铸用Al2O3-C材料，分别在不同温度(700、900、1100、1300、1500℃)下处理。研究了不同热处理温度对连铸用Al2O3-C材料性能及显微结构的影响，结果表明：随着热处理温度的升高，材料残余线变化先减小后增大，1500℃热处理后试样为膨胀状态，其他均为收缩状态；显气孔率逐渐升高，体积密度逐渐降低，但二者变化幅度均不大；常温及高温强度均呈现先升高后降低的趋势，1300℃热处理后强度最高，热处理温度在900～1300℃之间时，材料呈现优良的力学性能；高于1100℃的热处理试样内有碳化硅晶须生成，且热处理温度越高，碳化硅晶须的生成量越多，晶须直径越粗大。

关 键 词：Al2O3-C材料；热处理温度；力学性能；显微结构

Al2O3-C材料因抗热震性能好、耐侵蚀等特点，在钢铁冶金工业中广泛应用[1-2]。连铸用Al2O3-C材料一般采用树脂结合，并加入一定量的单质硅粉等提高材料性能[3-4]。生产过程中需经高温处理，以获得更加稳定且有较好强度及致密度等性能指标的坯体[5-7]。在当前能源价格日渐高涨和节能减排要求不断提高的背景下，寻求最佳热处理温度，以实现在满足材料性能需求的前提下，最大程度地节约能源具有重要意义[8]。通过研究热处理温度分别为700、900、1100、1300、1500℃时材料的常温、高温性能以及显微结构的变化，期望对连铸用Al2O3-C材料的烧成工艺有一定指导意义。

1 试验方案

1.1 原料

试验原料包括粒度为0.5～0mm的板刚玉骨料，煅烧α-Al2O3粉的粒径小于0.044mm，98单质硅粉的粒径小于0.044mm，899天然鳞片石墨。固体酚醛树脂作为结合剂，乙醇含量为95%(质量分数，下同)的酒精作为溶剂。试验所用部分原料的化学组成如表1所示。

1.2 试样制备

试验各方案的原料配比如表2所示。

制样流程如下，首先各种原料及结合剂在高速逆流倾斜式造粒机内混合均匀，之后加入4%的酒精，高速造粒20min。造粒后的物料控制挥发分的质量分数为0.8%～1.0%，于150MPa等静压成形，并在200℃下进行固化。方案S1、S2、S3、S4、S5的试样分别于700、900、1100、1300、1500℃下埋碳热处理，热处理后制成检测所需试样。

1.3 性能检测

采用洛阳精达型号为APBD-001的设备，按照GB/T2997标准检测显气孔率和体积密度。采用济南型号为YE-2000A的设备，按照GB/T3001标准检测抗折强度。采用济南型号为YE-2000A的设备，按照GB/T5072标准检测耐压强度。采用洛阳精达型号为HMOR-03A的设备，按照GB/T13243—1991标准检测高温强度。采用美国FEI-NOVA-NON-ASEM230扫描电子显微镜观察试样的显微结构。

2 结果与讨论

2.1 热处理温度对Al2O3-C材料性能的影响

不同温度热处理后试样的残余线变化的规律如图1所示，显气孔率及体积密度变化的规律如图2所示，常温抗折及耐压强度变化的规律如图3所示，高温抗折强度变化的规律如图4所示。

通过图1可看出，随着热处理温度的提高，材料残余线变化率先减小后增加，低于1300℃的热处理后的试样为收缩状态，1500℃热处理后试样为膨胀状态。酚醛树脂受热变化过程为：在100～200℃形成交联树脂结构；从340～360℃起进入热分解阶段；到600～900℃时释放出CO、CO2、H2O、酚类等物质，最后达到炭化网状结构。从材料的残余线变化看出，热处理温度超过900℃以后，材料的收缩量开始明显减小，显示出炭化网状结构基本形成。

通过图2可以看出，材料的显气孔率随着热处理温度的提高逐渐升高，体积密度出现降低的趋势，但二者改变幅度均不大。热处理温度继续提高时，随着显气孔率的提高，1300℃以后体积密度开始下降。从图3可以看出，随着热处理温度的升高，材料的常温强度呈现先升高后降低的趋势，1300℃热处理后强度达到最高。从图4可以看出，高温抗折强度自900℃热处理后开始明显增加，之后呈现先升高后降低的趋势，1300℃热处理后高温强度达到最高，但高温强度变化幅度相对常温强度变化幅度较小。热处理温度在900至1300℃之间时，连铸用Al2O3-C材料呈现较为优良的力学性能指标。

2.2 热处理温度对Al2O3-C材料显微结构的影响

由于经700℃热处理及900℃热处理后的试样内没有发现碳化硅晶须，因此不再给出电镜照片。经1100、1300、1500℃热处理后的试样的电镜照片如图5所示。

由图5可看出，在1100、1300、1500℃热处理后，有明显的碳化硅晶须生成；随着热处理温度的提高，碳化硅晶须的生成数量增多，且逐渐生长变粗大。

碳化硅晶须生长过程中，受到热处理温度等很多因素的影响，局部温度起伏等因素造成晶须内应力增加，引起晶格的畸变，产生层错、位错及弯晶等晶体缺陷，在宏观上表现为晶须表面弯曲、粗糙、多节；如果无杂质进入晶格、温度场均匀，则形成光洁的直晶[9-10]。从图5看出，1100、1300℃热处理后碳化硅晶须细小、弯曲，1500℃热处理后晶须粗大且直。

碳化硅晶须的生成对材料体积、常温及高温强度均有一定的影响，图1中自1100℃开始残余线变化逐渐减小，常温强度大幅提高均是因为试样内生成碳化硅晶须的原因；而1500℃常温强度下降，则是因为气孔率增加、体积密度下降所致。而在各温度热处理后试样的高温强度变化幅度小，这是由于1450℃做高温抗折强度试验时碳化硅晶须继续在各试样中生成。

3 结论

1)随着热处理温度的提高，连铸用Al2O3-C材料的残余线变化先减小后增加，1500℃热处理后试样为膨胀状态，其他温度(700、900、1100、1300℃)热处理后均为收缩状态；随热处理温度的升高，显气孔率逐渐升高，体积密度逐渐降低，但二者的变化幅度均不大。

2)随着热处理温度的提高，常温及高温强度均呈现先升高后降低的趋势，1300℃热处理后强度最高，热处理温度在900至1300℃之间时，连铸用Al2O3-C材料呈现优良的力学性能。

3)高于1100℃热处理后试样内有碳化硅晶须生成，热处理温度越高，碳化硅晶须的生成量越多，晶须越粗大。

参 考 文 献：

[1]   张文杰，李楠.碳复合耐火材料[M].北京：科 学出版社，1990.

[2]   田守信，牟济宁.连铸耐火材料及其发展[J].中国冶金，2003(65)：41.

[3]   贺中央.连铸用功能耐火材料的现状及发展趋势[J].耐火材料，2011，45(6)：462.

[4]   王振兰，李小明.连铸用功能耐火材料的发展[J].山东冶金，2008，30(1)：8.

[5]   王建筑，孟红涛，王廷力，等.树脂加入量对造粒效果的影响[J].武汉科技大学学报，2008，31：187.

[6]   郭海珠，余森.实用耐火原料手册[M].北京：中国建材工业出版社，2000.

[7]   王维邦.耐火材料工艺学[M].北京：冶金工业出版社，2003.

[8]   WANG Jian-zhu，ZHAO Jun-xue.Effect of the Amount of Recycled Materials on Properties and Microstructure of the Al2O3-C Materials[J].Advanced Materials Research，2013(641/642)：321.

[9]   Lee G J，Cutler B L.Formation of Silicon Carbide From RiceHulls[J].American Ceramic Society Bulletin，1975，54(2)：195.

[10]   宁叔帆，刘晓霞，马勇，等.SiC晶须制备方法及应用[J].西安石油大学学报：自然科学版，2004，19(1)：66.