原位生成β-Sialon陶瓷结合相及其对Al2O3-C耐火材料性能的影响

原位生成β-Sialon陶瓷结合相及其对Al2O3-C耐火材料性能的影响

武汉科技大学

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论文作者签名：竺j兰兰

指导教师签名：二杰凼

日期：兰丛：三!芝2

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摘要

通过砧203．c耐火材料中的陶瓷结合相来提高材料的综合热物理性能，可有效改善钢铁冶炼连铸系统用耐火材料的可靠性和服役寿命。本文主要通过在A1203．C耐火材料中引入Al粉、Si粉以及催化剂纳米Ni粉，于材料中原位生成q'13．Sialon陶瓷结合相，研究了其对A1203．C耐火材料性能的影响。具体研究内容与结果如下：1．运用拟抛物线规则估算了1400℃下B．Sialon的标准吉布斯自由生成能与其Z值的关系：△，G ￡所咖=5．24722—404．421z一359．039(kJ／m01)。通过热力学计算出了1400℃下Si—A1—0．N．C体系的区域优势图。表明在1400℃的氮气气氛下，Si3N4与AIN将会稳定存在。若向该体系中加入A1203，从热力学角度上看D．Sialon是可以生成的。

2．以不同粒度的刚玉、石墨、A1粉、si粉及A1203粉为原料，并加入纳米Ni 粉制备了A1203．C耐火材料，研究了氮化温度对试样的显微结构、物相演变及性能的影响。结果表明：试样分别经1000℃与1200℃氮气气氛下热处理后，试样中都只有SiC与AIN新相生成，SiC在两个热处理温度下都以晶须的形式存在；而AIN则在1000℃下呈颗粒状，1200℃下转变成晶须状。继续提高热处理温度至1400℃，

A1N消失，试样中生成了片状的13．Sialon。随着热处理温度的升高，试样的常温耐压强度从90．57 MPa增加到148．67 MPa，常温抗折强度从22．83 MPa增加到33．02MPa。

经1400。C热处理后试样中生成的片状p．Sialon陶瓷结合相对材料热震稳定性

有较大的提高，经过两次水冷热震后，材料的耐压强度只降低了4．5MPa。3．研究了纳米Ni粉含量对试样显微结构、物相演变及性能的影响。结果表明：经1200。C氮气气氛热处理后，各试样中都生成了A1N与SiC晶须。经1400 9C热处理后，未加入纳米Ni粉的试样中只有AIN和SiC新相的生成，而加入纳米Ni 粉的试样中可以原位生成B．Sialon结合相。随着纳米Ni粉加入量的增多，13-Sialon 相

z值不断增大，形貌从晶须状转变成长柱状，最终在纳米Ni粉加入量为1．5wt％的试样中形成大量片状p-Sialon。片状p-Sialon沿着(111)、(210)和(101)三个晶面不断生长发育而形成的。随着D．Sialon结合相生成以及形貌的不断转变，试样的常温抗

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折强度从21．83MPa增加到34．02MPa，常温耐压强度从114．94MPa增加147．96MPa。

有长柱状p—Sialon生成的试样具有较大的高温抗折强度28．14MPa。B—Sialon有利于材料的热震稳定性，试样经过两次水冷热震后，试样的残余耐压强度及强度保持率都随D—Sialon相Z值的增大而提高。

关键词：A1203．C耐火材料：13-Sialon；片状；生长机理；性能

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Abstract

Introducing the ceramic bonding phase to A1203-C refractories could significantly improve the comprehensive refractory properties，which could increase the service life and safety of refractories using in continous system of steel melting．The aim of this paper is to form B-Sialon ceramic bonding phase in A1203-C refractories and study its

detail effects on the comprehensive properties of the refractories．Specific research contents and resuhs were as folloWS：

standard gibbs free energy 1．Using the quasi-parabolic rule，the relationship between

of 13-Sialon and its z value at 14000C was worked out：

△，6墨一曲砌=5．24722—404．421z一359．039(kJ／m01)

Under the thermodynamic calcuation，the predominance-area diagram of the Si—Al·O—N—C system was figured out．It could be seen that Si3N4 and A1N would be stable in this system under nitrogen atmosphere at 1 4000C．When A1203was added to the system，the 13-Sialon phases could be formed．

2．The effect of the sintering temperature on the microstruetural evolution and properties of A1203-C refractory samples were studied．The A1203-C refractory samples were prepared using corundum，flake graphite，reactive alumina，A1 powder，Si powders and nallO Ni powder．The results indicated that MN particles，generated in A1203

refractories at 1 000。C，could transform into whiskers at 1 200。C．By increasing the sintering temperature to 1 400。C，a large number of plate-shaped 13-Sialon could be

4000C．When generated．SiC phases take on one—dimensional shape at 1 2000C and 1

plate-shaped 3-Sialon formed，the cold crushing strength(CCS)and cold modulus of rupture(CMOR)of the refractoies increased from 90．57 MPa to 148．67 MPa and from22．83 MPa to 33．02 MPa，respectively．After two thermal shock cycles，the CCS of the refractories containing the plate-shaped p·Sialon had only decreased by 4．5 MPa．Thus，the in-situ formation of plate-shaped p·Sialon could significantly improve the thermal

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