碳化硅導(dǎo)熱率高，熱膨脹系數(shù)小，難于被鋼液及熔渣浸潤(rùn)，且其在高溫下的氧化屬于保護(hù)型氧化，抗氧化能力明顯優(yōu)于碳素材料。因此，將剛玉與碳化硅復(fù)合制備出一種很有發(fā)展前途的耐火材料，在冶金、建材等領(lǐng)域具有廣泛的用途。但是，剛玉屬離子鍵型化合物，碳化硅屬共價(jià)鍵型化合物，因此要得到直接結(jié)合燒結(jié)良好且強(qiáng)度較高的 Al2O3-SiC 復(fù)合材料是很困難的。 本研究旨在通過(guò)優(yōu)化顆粒級(jí)配，調(diào)整水泥和復(fù)合微粉的加入量制得常溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度都較高的剛玉碳化硅澆注料。
2.1 試驗(yàn)原料
試驗(yàn)所使用的原料是以棕剛玉為骨料，碳化硅、水泥、uf-SiO2、α-Al2O3 為基質(zhì)，主要原料的分析結(jié)果如表1所示。
2.2 試驗(yàn)方案
首先研究了顆粒級(jí)配對(duì)加水量、 氣孔率和體積密度的影響，以確定最佳顆粒級(jí)配。然后在此基礎(chǔ)上研究了水泥和復(fù)合微粉的加入量對(duì)澆注料的常溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度的影響。
2.3 試樣制備
試驗(yàn)用澆注料的骨料采用≤1mm、1 ~3mm、3~5mm 三級(jí)粒度。骨料和粉料的質(zhì)量比63~70∶ 37~30。將配好的料在攪拌機(jī)中干混 2min，再加水混煉3min，在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)成型為40mm × 40mm×160mm 的條狀試樣，帶模養(yǎng)護(hù)24h后脫模，于110℃烘干24h。取部分烘干后的條狀試樣分別檢測(cè)1 600℃保溫3h 處理后的耐壓強(qiáng)度和1 500℃保溫0.5h的高溫抗折強(qiáng)度。
3 結(jié)果與討論
3.1 顆粒級(jí)配對(duì)物理性能的影響
澆注料的致密程度和流動(dòng)性跟顆粒級(jí)配密切相關(guān)，而最佳的顆粒級(jí)配又隨骨料種類(lèi)、臨界粒度的大小和基質(zhì)組成的不同而不同，最合適的顆粒級(jí)配應(yīng)該由試驗(yàn)確定。本試驗(yàn)選擇了5 種不同的顆粒級(jí)配，細(xì)粉部分全部相同，顆粒級(jí)配的試驗(yàn)配方如表2所示。
3.2 水泥加入量對(duì)高溫強(qiáng)度的影響
首先選擇兩組水泥加入量，一組加 4%，一組加5%，各組中的uf-SiO2和α-Al2O3有所調(diào)整。試驗(yàn)結(jié)果顯示，所有配方的常溫耐壓強(qiáng)度都大于80MPa， 但1 500℃下保溫0.5h的高溫抗折強(qiáng)度均小于1MPa，這說(shuō)明水泥的加入量太大。為了驗(yàn)證水泥對(duì)高溫抗折強(qiáng)度的確切影響，又進(jìn)行了一組試驗(yàn)。試驗(yàn)方案為：將水泥量從1%逐漸增大到6%，α-Al2O3 固定不變，碳化硅的加入量固定為16%， uf-SiO2的量隨水泥量而調(diào)整以保持基質(zhì)總量不變。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。
由圖2可知，隨著水泥量的增加，高溫抗折強(qiáng)度逐漸減小，水泥加入量為1%和2%的試樣，高溫抗折強(qiáng)度值為3.5MPa和2.4MPa常溫耐壓強(qiáng)度為39.8MPa和89.5MPa。由此可以初步確定，水泥的加入量小于2%為宜因?yàn)殡S著水泥加入量的增加，高溫下生成的鈣長(zhǎng)石、黃長(zhǎng)石等低熔物增加， 從而導(dǎo)致高溫抗折強(qiáng)度降低。
3.3 復(fù)合微粉加入量對(duì)強(qiáng)度的影響
本澆注料屬于低水泥系列，難點(diǎn)在于既要在1500℃保溫0.5h 后獲得較高的高溫抗折強(qiáng)度值，又要具有較高的烘干耐壓強(qiáng)度。因?yàn)楹娓赡蛪簭?qiáng)度主要來(lái)源于水泥的水化，為了得到較高的烘干耐壓強(qiáng)度，勢(shì)必要加入較多的水泥，而較多的水泥又會(huì)使高溫下的液相量增加，使高溫抗折強(qiáng)度下降， 前期的試驗(yàn)工作已經(jīng)證實(shí)了這一點(diǎn)。為了解決這個(gè)矛盾，必須在優(yōu)化基質(zhì)上下功夫，也就是 uf-SiO2 和 α-Al2O3 復(fù)合微粉的加入量要進(jìn)行嚴(yán)格的控制，既要發(fā)揮uf-SiO2的結(jié)合作用來(lái)增加強(qiáng)度，又要控制高溫下的液相量使高溫抗折強(qiáng)度達(dá)標(biāo)。 本試驗(yàn)將水泥的加入量定為2%，考察復(fù)合微粉的加入量對(duì)常溫耐壓強(qiáng)度和高溫抗折強(qiáng)度的影響， 試驗(yàn)結(jié)果示于圖3
由圖3可以看出，隨著復(fù)合微粉加入量的增加，烘干耐壓強(qiáng)度和高溫抗折強(qiáng)度都逐漸增加，這是因?yàn)閺?fù)合微粉中的 uf-SiO2 具有結(jié)合作用，而且復(fù)合微粉的粒徑很小，在澆注料中可填充孔隙，降低顯氣孔率，而氣孔對(duì)材料的強(qiáng)度有關(guān)鍵的影響作用，氣孔不僅減少了負(fù)荷面積，而且在氣孔鄰近區(qū)域應(yīng)力集中，減弱材料的負(fù)荷能力。上述兩方面的共同作用， 使烘干耐壓強(qiáng)度增加。 高溫抗折強(qiáng)度增加的原因， 應(yīng)該是微粉的致密化作用，當(dāng)然還有基質(zhì)被強(qiáng)化的原因。
3.4 復(fù)合微粉中 uf-SiO2 和 α-Al2O3 的比例對(duì)高溫抗折強(qiáng)度和烘干耐壓強(qiáng)度的影響
由圖3可知，當(dāng)復(fù)合微粉的加入量為15%時(shí)，烘干耐壓強(qiáng)度和高溫抗折強(qiáng)度值最高。固定復(fù)合微粉的加入量為 15%， 改變復(fù)合微粉中uf-SiO2 和 α-Al2O3 的比例，圖4示出uf-SiO2/α-Al2O3 不同比值的高溫抗折強(qiáng)度和烘干耐壓強(qiáng)度。
由圖4可知，當(dāng)uf-SiO2/α-Al2O3比值為S3∶ A3時(shí)，高溫抗折強(qiáng)度值最大，達(dá)3.9MPa。這是因?yàn)閡f-SiO2/α-Al2O3 比值為S3 ∶A3時(shí)，基質(zhì)中Al2O3 的含量提高，生成了高耐火度的物相。