剛玉和碳化硅因高溫性能優(yōu)異，而成為耐火澆注料的優(yōu)質(zhì)原料。但由于剛玉和碳化硅燒結(jié)性能差，采用普通結(jié)合劑會使產(chǎn)品的高溫性能降低，如采用鋁酸鈣水泥作為結(jié)合劑時，低溫結(jié)合強(qiáng)度較好，但中溫強(qiáng)度差，同時由于引入一定量的CaO，會形成降低澆注料使用性能的鈣長石(Ca0·Al2O3·SiO2)或鈣鋁黃長石(2Ca0·Al203·SiO2)。因此，目前常采用添加氧化硅微粉代替水泥作結(jié)合劑生產(chǎn)低水泥、超低水泥以至無水泥澆注料。本研究采用氧化硅微粉和氧化鋁(a-Al203)微粉以及莫來石微粉作為結(jié)合基質(zhì)，進(jìn)行莫來石結(jié)合剛玉-碳化硅澆注料的組成與性能的研究，旨在改善澆注料的燒結(jié)性能，提高澆注料的高溫力學(xué)性能和熱震穩(wěn)定性。
1試驗與結(jié)果
1.1試驗用原料
試驗所用的合成莫來石、剛玉、氧化硅微粉和碳化硅的化學(xué)組成列于表1。
表1 原料的化學(xué)組成/%
1.2試驗方案
為了使剛玉-碳化硅質(zhì)澆注料能具有良好的高溫力學(xué)性能、體積穩(wěn)定性和熱震穩(wěn)定性，組成和配比的設(shè)計從以下幾方面加以考慮：
(1)合理的顆粒級配以獲得良好的作業(yè)性和高致密度：
(2)在基質(zhì)中反應(yīng)生成的新結(jié)合相為莫來石高溫相，提高澆注料的高溫強(qiáng)度：
(3)在加熱過程中逐漸形成良好的組織結(jié)構(gòu)，保持體積穩(wěn)定性和較好的抗熱震性。
據(jù)Kronert報，uf-SiO2和活性氧化鋁微粉合理配合使用，在基質(zhì)中能形成莫來石結(jié)合相。該結(jié)合相呈網(wǎng)狀分布，能夠改善澆注料的中高溫強(qiáng)度。研究表明，基質(zhì)中網(wǎng)狀莫來石結(jié)合相的形成能極大地提高試樣的熱態(tài)強(qiáng)度。一般當(dāng)氧化鋁微粉和氧化硅微粉的質(zhì)量比為2.55左右時，有利于形成莫來石。本實驗使用的氧化鋁微粉和氧化硅微粉之比接近上述比例，實際比例為2.33。
試驗中剛玉骨料為連續(xù)級配，碳化硅為<2mm的細(xì)骨料，粉料是由氧化鋁、莫來石、氧化硅微粉組成。氧化硅微粉為煙塵粉，粒度<1um，莫來石微粉<5um，氧化鋁為<4pm和<5um的粉料。在骨料中，碳化硅的加入量固定為10%，配料中骨料與粉料之比為65：35。而粉料中氧化鋁微粉與氧化硅微粉之比為2.33 ，由氧化鋁與氧化硅組成的混合料與合成莫來石料之比分別為25 :15(A)，20 :15 (B)，15：10(C) ，20：25(D)。其配比見表2。
表2 試驗用澆注料配料組成/ %
1.3 試驗結(jié)果
四種不同配比的澆注料物理性能列于表3。
表3 澆注料物理性能
（1）1100℃≒風(fēng)冷，3次
從表2和表3可以明顯看出：隨著超細(xì)混合粉比例的提高，從試樣A到D，其體積密度、熱處理后常溫抗折強(qiáng)度和常溫耐壓強(qiáng)度以及高溫抗折強(qiáng)度均隨之提高。而熱震穩(wěn)定性變化規(guī)律有所不同，A、B和D試樣經(jīng)熱震后的殘余強(qiáng)度保持率分別為49%、44%和45%，相差不大，C試樣殘余強(qiáng)度保持率較高，為63%。
2討論
2.1 組成對性能和結(jié)構(gòu)的影響
莫來石剛玉結(jié)合-碳化硅質(zhì)澆注料的主要結(jié)構(gòu)強(qiáng)度取決于基質(zhì)的結(jié)合強(qiáng)度。因為以剛玉-碳化硅作為骨料的澆注料，其骨料顆粒之間很難燒結(jié)而結(jié)合在一起，因此，必須依靠基質(zhì)形成的結(jié)合相將其結(jié)合起來。根據(jù)上述試驗結(jié)果可知，隨著基質(zhì)中合成莫來石粉(SM)與混合粉(MP)之比的降低，也就是隨著混合粉比例的提高，物理性能有顯著的提高。這里混合粉為由氧化鋁微粉和氧化硅微粉按Al2O3/SiO2為2.33組成的粉料，這類粉料在澆注料中加熱處理時可“就位”生成莫來石，在這里可稱為次生(二次)莫來石。上面試驗結(jié)果說明：次生莫來石對澆注料強(qiáng)度的貢獻(xiàn)大于原生(合成)莫來石。這是因為次生莫來石比原生莫來石更易于在基質(zhì)中形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，更有助于提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，尤其是高溫?zé)釕B(tài)強(qiáng)度。
2.2顯微結(jié)構(gòu)特征
采用SEM研究發(fā)現(xiàn)，澆注料基質(zhì)中柱狀莫來石連成一片一片的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(見圖1)，而莫來石的晶間由玻璃相填充。剛玉骨料顆粒與基質(zhì)中的SiO2反應(yīng)，在剛玉顆粒周邊形成新生的二次莫來石反應(yīng)環(huán)帶(見圖2)。而碳化硅顆粒邊緣清晰整齊，但顆粒周邊有一層富Si殼層，參差不齊的富Si層與基質(zhì)中的玻璃相反應(yīng)結(jié)合為一體(見圖3)。
圖1 澆注料基質(zhì)的SEM的照片
圖2 剛玉顆粒周圍二次莫來石的SEM照片
圖3 碳化硅顆粒與基質(zhì)結(jié)合的SEM照片
一次生莫來石化是燒結(jié)過程中玻璃相中的SiO2與剛玉之間的反應(yīng)，主要有兩種形式：其一是存在于剛玉顆粒周圍，這種次生莫來石存在于顆粒與基質(zhì)的結(jié)合部位，形成圍繞顆粒分布的次生莫來石反應(yīng)環(huán)帶，將剛玉顆粒與基質(zhì)結(jié)合為一體;其二是存在于基質(zhì)之中剛玉微粉與玻璃相中SiO2的反應(yīng)，生成的次生莫來石在基質(zhì)中形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，改善了基質(zhì)的高溫性能，從而提高了澆注料的整體性能。因此，隨澆注料基質(zhì)中剛玉微粉和SiO2微粉的增加，系統(tǒng)中生成的次生莫來石增多，從而各種性能得到改善。
3結(jié)論
由預(yù)合成的莫來石粉料和Al2O3/SiO2為2.33的混合粉料組成基質(zhì)的莫來石剛玉結(jié)合-碳化硅澆注料，其物理性能和高溫力學(xué)性能是隨著基質(zhì)中次生莫來石生成量的增加而提高。說明次生莫來石對剛玉-碳化硅澆注料性能的改善的貢獻(xiàn)大于原生莫來石。