高寿命金属复合陶瓷滑板.ppt

高寿命金属复合陶瓷滑板调研报告 报告人：乔建房 郑州大学材料科学与工程学院 * 1 研究背景及意义 目前连铸使用的功能耐火材料以碳复合材料为主，随着优质钢特别是洁净钢技术的发展，要求功能耐火材料长寿、无污染。 碳能溶解于钢水，对钢水有增碳污染。 碳结合材料的抗氧化性能和力学性能较差。 为了节约能源，保护环境，希望降低耐火材料的烧成温度。 氧化物-非氧化物复合材料具有较高的高温强度和抗氧化性能，优良的抗热震性、抗侵蚀性能，是替代碳复合材料、连铸用耐火材料的理想选材。 氧化物-非氧化物 复合材料制备 直接加入法：成本高，需高温烧结，不易致密化 原位合成法：具有较好的技术经济可行性 * 20世纪80年代，在研究碳复合耐火材料抗氧化性的时，发现将Al和Si加入到碳复合材料中，使其高温时反应生成非氧化物，在防氧化的同时，还可以提高材料的强度。但是，这些研究仅将Al和Si作为添加剂使用，其加入量较少。 增大金属加入量，把其作为一种原料使用，代替碳复合材料中的部分或全部碳材料，经热处理使其原位转变成非氧化物，可望获得具有较好高温性能的、低碳含量的氧化物-非氧化物复合材料。材料的制备方法、性能和结构都会产生较大的变化，从而开始了金属复合耐火材料这一新领域的研究。 * 各种材质滑板的主要使用性能对比如表1.4所示。 * 2.1 金属作为添加剂在耐火材料中应用 Al2O3-C是广泛应用的耐火材料，它具有较好的抗热震性、抗(渣、铁及钢水)侵蚀性，但碳易氧化是Al2O3-C材料的主要缺点，为了抑制或降低碳的氧化，一般在材料中加入金属、合金、碳化物等防氧化剂。 Al和Si是A12O3-C材料常用的防氧化剂 2 金属复合耐火材料研究状况 * Al和Si的防氧化原理 ①从热力学观点出发，在高温下，Al、Si及它们与碳反应的生成物与氧的亲和力比碳与氧的亲和力大，优先于碳被氧化从而起到保护碳的作用。 ②从动力学的角度考虑，Al、Si与O2、N2、CO及C反应生成的化合物改变了碳复合耐火材料的显微结构，增加致密度，堵塞气孔，阻碍氧及反应产物的扩散。 Al、Si的氧化反应为： 2Al(l) + 3 CO(g) = Al2O3(s) +3C(s) Si(s) + 2CO(g) = SiO2(s) +2C(s) * 佐藤康等研究了添加Al的Al2O3-SiO2-C质不烧滑板的使用性能，由于AI(g)、Al2O(g)对FeO或SiO2的还原作用，使工作面形成了含Fe的Al2O3致密层，抑制了碳的氧化。 周长东等认为：使用双元素的合金具有分步抑制氧化进行的优点，对Al-Si合金而论，氧化时首先生成SiC，其次生成Al4C3，第一阶段，Al4C3起抑制氧化的作用，Al4C3消失后，SiC继续起抑制氧化的作用。 * A. Watanabe等研究表明，含碳材料中Al和Si在埋碳烧结时，800 ~1000℃之间，Al急速与C反应生成Al4C3，呈六角板状，填充在气孔内，形成多结晶集合组织，有助于提高材料的强度。 4AI(l)+3C(s)=Al4C3(s) Al4C3能将CO还原成C，起到了抑制碳氧化的作用，同时该反应产生约2.4倍的体积膨胀，使材料组织致密化，进一步抑制碳的氧化。 Al4C3(s)+6CO(g)=2Al2O3(s)+9C(s) 陈肇友、田守信等指出烧成Al2O3-C材料时各种物质与氧反应趋势的大小顺序为： Al4C3 Si C Si3N4 AIN SiC 因此，Al4C3和Si能保护碳不被氧化，Si3N4，AIN和SiC对碳起不到防氧化的作用。 * 金属添加剂对材料结构和性能的作用 B. Mishra和W. Chen等研究表明：加入的Si生成晶须状SiC，使制品的气孔率降低，同时提高了制品的强度和耐磨性。热处理温度对SiC晶须的生长起主要作用， SiC晶须的生成量和大小有一最佳值，此时材料的强度也达到最大值。 田守信等认为：高温下Si与C反应生成0.1~0.3?m的SiC颗粒，使制品的强度提高，属颗粒增强型；Al与C反应生成纤维状Al4C3，使制品的强度提高，属纤维增强型。 * AI、Si添加剂的作用 Taffin C等总结了Al、Si的作用如下： (1) Al主要在液态下起作用，而Si主要在气态下起作用。 (2) Al的影响是局部的(形成固态网络结构)，而Si会给整个材料带来更大的机械强度。 (3) 加入Al可提高材料的机械强度，但会产生蜂窝结