D0I:10.13374/i.i8sm1001t153.2011.08.001 第33卷第9期 北京科技大学学报 Vol 33 No 9 2011年9月 Journal of Un iversity of Science and Technology Beijing Sep 2011 具有氧化锆包覆方镁石微结构的镁锆砖的抗折和抗热 震性 陈松林12)* 袁林)冯中起)曾鲁举”刘锡俊)陈雪峰)王俊涛) 孙加林) 1)中国建筑材料科学研究总院瑞泰科技股份有限公司,北京1000242)北京科技大学材料科学与工程学院,北京100083 *通信作者,Email chensongline@126cm 摘要在正交试验确定的工艺参数条件下,改进工艺制备出具有氧化锆包覆方镁石显微结构的镁锆砖.在此微观结构中, 方镁石和氧化锆直接结合,两相邻方镁石晶粒被氧化锆间隔,方镁石品粒被氧化锆包裹,方镁石品内存在封闭小气孔和氧化 锆晶粒。由于方镁石被氧化锆包裹中存在氧化锆相变,相变微裂纹吸收断裂能起增韧的作用:同时,方镁石晶粒内的微气孔能 缓解热应力,使镁结材料的抗热震性能和高温强度均得以改善.方镁石晶粒内的细小氧化锆晶粒具有钉扎效应,能减少和阻 止镁锆砖的高温蠕变滑移,提高了材料的高温抗折性能· 关键词耐火材料:氧化镁:氧化锆;高温抗折强度:抗热震性能 分类号TQ175.73 M odulus of rupture and them al shock resistance of m agnesia-zirconia bricks w ith the m icrostructure of periclase covered by zircon ia CHEN Song-lin,YUAN Lin,FENG Zhong ZENG L,LWU Xiim.CHEN Xue-fing,WANG Jun-tao,SUN Jia-lin 1)RuitaiMaterials Technobgy Co Ld,China Builing Material Acadeny Beijing 100024.China 2)School ofMaterials Science and Engineerng University of Seience and Technology Beijing Beijing 100083 China Corresponding au thor Email chensonglind@126.com ABSTRACT Magnesia-zirconia bricks with the m icrostnicture of periclase covered by zirconia were prepared by mproved technology after the technological parmeters were detem ined by orthogonal test In the m icmostnucture of the magnesia-zirconia bricks periclase crystals directly bond zirconia and zirconia is beween wwo adjacent peric lase crystals meanwhile many m icmo closed porosities and fine zirconia crystals exist in the periclase crystals M icrocracks due to phase transfomation of zirconia in the magnesia"zirconia bricks can absotb the fracture energy and result in the themal shock perfomance ofmaterials increasing at the same tme m icmo closed porosities in the magnesia"zirconia bricks can reduce the heat stress and mprove the mechanical properties ofmaterials at high temperature Fine zirconia crystals in the periclase crystals possess pinning effects which din nish and prevent creeping slippage in MgoZOz.and ulti- mately inprove the hot moduls of nuptre of the magnesia-zirconia bricks KEY W ORDS refractory materials magnesia zirconi hot modulus of nptures themal shock resistance 镁锆砖是一种性能优良的碱性耐火材料,可在 耐火材料的性能主要取决于其组成和显微结构,而 钢包、水泥回转窑及玻璃窑等中应用。根据研究山, 其组成和显微结构不仅仅与原料相关,且与配料方 镁锆砖中氧化锆质量分数应控制在&%~21%,在 法和颗粒配比、烧结温度等多因素相关,本文通过 1730℃以上温度烧成:加入单斜氧化锆的镁锆砖抗 设计正交试验,着重考查各个因素对镁锆砖的高温 渣蚀能力强,加入单斜锆和脱硅混合物的镁锆砖 抗折强度和热震稳定性能的影响,研究不同工艺条 高温抗折强度大,而加入锆英石的常温力学性能好, 件下制备的镁锆砖显微结构与性能之间的关系. 收稿日期:2010-08-27 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50172007):国家自然科学重点基金资助项目(50332010)
第 33卷 第 9期 2011年 9月 北 京 科 技 大 学 学 报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.33No.9 Sep.2011 具有氧化锆包覆方镁石微结构的镁锆砖的抗折和抗热 震性 陈松林 12)* 袁 林 1) 冯中起 1) 曾鲁举 1) 刘锡俊 1) 陈雪峰 1) 王俊涛 1) 孙加林 2) 1) 中国建筑材料科学研究总院瑞泰科技股份有限公司北京 100024 2) 北京科技大学材料科学与工程学院北京 100083 * 通信作者E-mail:chensonglinc@126.com 摘 要 在正交试验确定的工艺参数条件下改进工艺制备出具有氧化锆包覆方镁石显微结构的镁锆砖.在此微观结构中 方镁石和氧化锆直接结合两相邻方镁石晶粒被氧化锆间隔方镁石晶粒被氧化锆包裹方镁石晶内存在封闭小气孔和氧化 锆晶粒.由于方镁石被氧化锆包裹中存在氧化锆相变相变微裂纹吸收断裂能起增韧的作用;同时方镁石晶粒内的微气孔能 缓解热应力使镁锆材料的抗热震性能和高温强度均得以改善.方镁石晶粒内的细小氧化锆晶粒具有钉扎效应能减少和阻 止镁锆砖的高温蠕变滑移提高了材料的高温抗折性能. 关键词 耐火材料;氧化镁;氧化锆;高温抗折强度;抗热震性能 分类号 TQ175∙73 Modulusofruptureandthermalshockresistanceofmagnesia-zirconiabricks withthemicrostructureofpericlasecoveredbyzirconia CHENSong-lin 12)* YUANLin 1)FENGZhong-qi 1)ZENGLu-ju 1)LIUXi-jun 1)CHENXue-feng 1)WANGJun-tao 1)SUNJia-lin 2) 1) RuitaiMaterialsTechnologyCo.Ltd.ChinaBuildingMaterialAcademyBeijing100024China 2) SchoolofMaterialsScienceandEngineeringUniversityofScienceandTechnologyBeijingBeijing100083China * CorrespondingauthorE-mail:chensonglinc@126.com ABSTRACT Magnesia-zirconiabrickswiththemicrostructureofpericlasecoveredbyzirconiawerepreparedbyimprovedtechnology afterthetechnologicalparametersweredeterminedbyorthogonaltest.Inthemicrostructureofthemagnesia-zirconiabrickspericlase crystalsdirectlybondzirconiaandzirconiaisbetweentwoadjacentpericlasecrystals;meanwhilemanymicroclosedporositiesandfine zirconiacrystalsexistinthepericlasecrystals.Microcracksduetophasetransformationofzirconiainthemagnesia-zirconiabrickscan absorbthefractureenergyandresultinthethermalshockperformanceofmaterialsincreasing;atthesametimemicroclosedporosities inthemagnesia-zirconiabrickscanreducetheheatstressandimprovethemechanicalpropertiesofmaterialsathightemperature.Fine zirconiacrystalsinthepericlasecrystalspossesspinningeffectswhichdiminishandpreventcreepingslippageinMgO-ZrO2andulti- matelyimprovethehotmodulusofruptureofthemagnesia-zirconiabricks. KEYWORDS refractorymaterials;magnesia;zirconia;hotmodulusofrupture;thermalshockresistance 收稿日期:2010--08--27 基金项目:国家自然科学基金资助项目 (50172007);国家自然科学重点基金资助项目 (50332010) 镁锆砖是一种性能优良的碱性耐火材料可在 钢包、水泥回转窑及玻璃窑等中应用.根据研究 [1] 镁锆砖中氧化锆质量分数应控制在 8% ~21%在 1730℃以上温度烧成;加入单斜氧化锆的镁锆砖抗 渣蚀能力强加入单斜锆和脱硅锆混合物的镁锆砖 高温抗折强度大而加入锆英石的常温力学性能好. 耐火材料的性能主要取决于其组成和显微结构而 其组成和显微结构不仅仅与原料相关且与配料方 法和颗粒配比、烧结温度等多因素相关.本文通过 设计正交试验着重考查各个因素对镁锆砖的高温 抗折强度和热震稳定性能的影响研究不同工艺条 件下制备的镁锆砖显微结构与性能之间的关系. DOI :10.13374/j.issn1001-053x.2011.09.001
,1142 北京科技大学学报 第33卷 1试验 极差分析结果,表3中的T值为加和值,算法是对 应的影响水平和影响因素的总和;m为对应的平均 设计如表1所示正交L。(3)试验:影响因素为 值,即mx=Tx3:R为三个不同平均值m的极差, 氧化锆含量、氧化锆引入方式、配料方法和颗粒配 即是最大值和最小值的差,如计算T,其意义是在 比、烧结温度;三个影响水平.按设计工艺,进行称 A影响因素中三个不同水平的加和,即T4=6.6十 量配料、混料,混料顺序为先加入粗颗粒骨料,再加 6.2十5.9=18.7,同理计算出任何Tx的值,如Tg= 入3.5%结合剂润湿颗粒表面,结合剂为纸浆废液, 6.6+6.4+7.3=20.3;m14=T43=12.73= 最后加入细粉,在200MPa压力下成型为中50mm× 6.23,m0=T03=6.43R=max{6.236.27, 50mm的圆柱试样和25mm×25mm×125mm的长 6.60}-min{6.236.27,6.60}=0.37等.由极差 条试样.烘箱干燥110℃、12h后,在高温箱式电阻 分析知,在表1的正交设计中,AB1CD和AB2C3D3 炉保温3h烧成.按GBT3002-2004和YB/ 工艺条件下材料的高温性能最佳,氧化锆质量分数 T2206.1-1998方法检测材料的高温抗折强度和抗 为14%为宜,添加单斜锆和脱硅锆对高温抗折强度 热震性能 的影响相当,但添加锆英石对材料的高温抗折性能 表1镁锆砖正交设计(3)的影响因素和影响水平表 不利,配料方法和颗粒配比选择方案3而烧结温度 Table I Factors and levels of orthogonal design for magnesia zirconia 选择1780℃.与最佳工艺相近的试样为Z和Z bricks 试样Z为149%(质量分数)单斜氧化锆加入量、方案 影响水平 3的配料方法和颗粒配比、1740℃的烧结温度.图1 影响因素 1 2 3 为该试样的扫描电镜(SEM)形貌图,从图1(a)形 A氧化钴质量分数% 10 12 14 貌知烧结体致密,方镁石发育完整,在方镁石之间有 B加入的氧化锆种类 单斜钴 脱硅钴 钻英石 氧化锆相,在边界存在一些封闭的气孔·从放大的 C配料方法和颗粒配比方案 方案1方案2 方案3 晶界处形貌可看出(图1(b)),在方镁石晶界中的 D,烧结温度心 1700 1740 1780 氧化锆和氧化镁共晶结构比较完好,直接结合度高, 且氧化锆边界模糊,方镁石和氧化锆相互扩散固溶, 2结果与分析 同时氧化锆在方镁石中起到钉扎效应,强化了材料 表2列出了试验测得的数据,表3为正交设计 的力学性能2-, 表2正交设计的镁钴砖试样的高温抗折强度和残余强度保持率 Table 2 Hot modulus of nupture and residual strength retention of magnesia"zirconia bricks n orthogonal design 试样 z1 22 Z3 Z4 Z5 Z6 之 Z8 多 高温(1400℃)抗折强度MPa 6.6 6.2 5.9 6.4 7.1 5.3 7.3 7.0 5.5 强度残余率,r% 53.4 42.8 44.6 55.1 47.4 39.8 59.0 43.6 34.3 表3正交设计的镁钴砖的高温抗折和抗热震性能的极差分析表 Table3 Range analysis of the hotmodulus of npue and the themal shock resistance of magnesia"zironia bricks n orthogonal design 影响 对高温抗折强度的影响 对抗热震性能的影响(强度残余) 因素 T2 m2 m3 R m2 m3 18.7 18.8 19.8 6.23 6.27 6.60 0.37 140.8142.3136.946.9 47.4 45.61.80 20.3 20.3 16.7 6.77 6.77 5.57 1.20 167.5133.8 118.755.8 44.6 39.616.30 18.9 18.1 20.3 6.30 6.03 6.77 0.74 136.8 132.2160.0 45.6 44.1 53.3 6.27 D 19.2 18.8 19.3 6.40 6.27 6.43 0.16135.1141.6143.345.047.2 47.82.73 据A3BCaD3工艺条件,采用特殊的工艺处理 等工艺,制得氧化锆包覆方镁石晶粒的镁锆砖.用 先球磨氧化锆成亚微米级细粉,加入有机结合剂和 此工艺制备的具有氧化锆包覆方镁石显微结构的镁 分散剂制备氧化锆泥浆,困料7d后备用;然后将氧 锆砖抗热震性能极佳,在1100℃水急冷热震试验 化锆浆体和电熔镁锆砂(镁锆砂按一定的颗粒级 中,至材料断裂失效的循环次数可达10一20次 配)混合挤压成型制备坯体砖,经干燥、脱胶和烧结 图2为具有氧化锆包覆方镁石显微结构的镁锆
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33卷 1 试验 设计如表 1所示正交 L9(3 4 )试验:影响因素为 氧化锆含量、氧化锆引入方式、配料方法和颗粒配 比、烧结温度;三个影响水平.按设计工艺进行称 量配料、混料混料顺序为先加入粗颗粒骨料再加 入 3∙5%结合剂润湿颗粒表面结合剂为纸浆废液 最后加入细粉在 200MPa压力下成型为 ●50mm× 50mm的圆柱试样和 25mm×25mm×125mm的长 条试样.烘箱干燥 110℃、12h后在高温箱式电阻 炉保 温 3h烧 成.按 GB/T3002-2004和 YB/ T2206∙1-1998方法检测材料的高温抗折强度和抗 热震性能. 表 1 镁锆砖正交设计 L9(34)的影响因素和影响水平表 Table1 Factorsandlevelsoforthogonaldesignformagnesia-zirconia bricks 影响因素 影 响 水 平 1 2 3 A氧化锆质量分数/% 10 12 14 B加入的氧化锆种类 单斜锆 脱硅锆 锆英石 C配料方法和颗粒配比方案 方案 1 方案 2 方案 3 D烧结温度/℃ 1700 1740 1780 2 结果与分析 表 2列出了试验测得的数据表 3为正交设计 极差分析结果.表 3中的 T值为加和值算法是对 应的影响水平和影响因素的总和;m为对应的平均 值即 miX =TiX/3;R为三个不同平均值 m的极差 即是最大值和最小值的差.如计算 T1A其意义是在 A影响因素中三个不同水平的加和即 T1A =6∙6+ 6∙2+5∙9=18∙7同理计算出任何 TiX的值如 T1B = 6∙6+6∙4+7∙3=20∙3…;m1A =T1A/3=12∙7/3= 6∙23…m3D =T3D/3=6∙43;R=max{6∙236∙27 6∙60}-min{6∙236∙276∙60}=0∙37等.由极差 分析知在表 1的正交设计中A3B1C3D3和 A3B2C3D3 工艺条件下材料的高温性能最佳.氧化锆质量分数 为 14%为宜添加单斜锆和脱硅锆对高温抗折强度 的影响相当但添加锆英石对材料的高温抗折性能 不利配料方法和颗粒配比选择方案 3而烧结温度 选择 1780℃.与最佳工艺相近的试样为 Z7和 Z8. 试样 Z7为14% (质量分数 )单斜氧化锆加入量、方案 3的配料方法和颗粒配比、1740℃的烧结温度.图 1 为该试样的扫描电镜 (SEM)形貌图.从图 1(a)形 貌知烧结体致密方镁石发育完整在方镁石之间有 氧化锆相在边界存在一些封闭的气孔.从放大的 晶界处形貌可看出 (图 1(b))在方镁石晶界中的 氧化锆和氧化镁共晶结构比较完好直接结合度高 且氧化锆边界模糊方镁石和氧化锆相互扩散固溶 同时氧化锆在方镁石中起到钉扎效应强化了材料 的力学性能 [2-4]. 表 2 正交设计的镁锆砖试样的高温抗折强度和残余强度保持率 Table2 Hotmodulusofruptureandresidualstrengthretentionofmagnesia-zirconiabricksinorthogonaldesign 试样 Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Z6 Z7 Z8 Z9 高温 (1400℃ )抗折强度/MPa 6∙6 6∙2 5∙9 6∙4 7∙1 5∙3 7∙3 7∙0 5∙5 强度残余率r/% 53∙4 42∙8 44∙6 55∙1 47∙4 39∙8 59∙0 43∙6 34∙3 表 3 正交设计的镁锆砖的高温抗折和抗热震性能的极差分析表 Table3 Rangeanalysisofthehotmodulusofruptureandthethermalshockresistanceofmagnesia-zirconiabricksinorthogonaldesign 影响 因素 对高温抗折强度的影响 对抗热震性能的影响 (强度残余 ) T1 T2 T3 m1 m2 m3 R T1 T2 T3 m1 m2 m3 R A 18∙7 18∙8 19∙8 6∙23 6∙27 6∙60 0∙37 140∙8 142∙3 136∙9 46∙9 47∙4 45∙6 1∙80 B 20∙3 20∙3 16∙7 6∙77 6∙77 5∙57 1∙20 167∙5 133∙8 118∙7 55∙8 44∙6 39∙6 16∙30 C 18∙9 18∙1 20∙3 6∙30 6∙03 6∙77 0∙74 136∙8 132∙2 160∙0 45∙6 44∙1 53∙3 6∙27 D 19∙2 18∙8 19∙3 6∙40 6∙27 6∙43 0∙16 135∙1 141∙6 143∙3 45∙0 47∙2 47∙8 2∙73 据 A3B1C3D3工艺条件采用特殊的工艺处理. 先球磨氧化锆成亚微米级细粉加入有机结合剂和 分散剂制备氧化锆泥浆困料 7d后备用;然后将氧 化锆浆体和电熔镁锆砂 (镁锆砂按一定的颗粒级 配 )混合挤压成型制备坯体砖经干燥、脱胶和烧结 等工艺制得氧化锆包覆方镁石晶粒的镁锆砖.用 此工艺制备的具有氧化锆包覆方镁石显微结构的镁 锆砖抗热震性能极佳在 1100℃水急冷热震试验 中至材料断裂失效的循环次数可达 10~20次. 图 2为具有氧化锆包覆方镁石显微结构的镁锆 ·1142·
第9期 陈松林等:具有氧化锆包覆方镁石微结构的镁锆砖的抗折和抗热震性 .1143. a 图1试样Z的扫描电镜形貌图·(a)全貌:(b)局部共晶体 Fig 1 SEM photographs of Sample Z7:(a)full view:(b)local eutectic 砖扫描电镜照片.由图2(a)和2(b)知,氧化锆完全 性能.由图2(c)知,方镁石和氧化锆晶间直接结 包覆方镁石,砖中含有封闭的小气孔和一些大孔,这 合,且两者直接结合度高,相邻的两方镁石被氧化锆 些气孔有利于缓解材料的热应力,提高材料的高温 间隔,在方镁石晶粒和氧化锆晶粒中有微细的裂纹, (a) i1931AM20c0w20x 54P20.00Kw300x126 图2特殊工艺制备的具有氧化锫包覆方镁石显微结构的镁钴砖扫描电镜照片·(a)和(b)为不同放大倍数的全貌图:()方镁石和氧化钴 结合显微结构;(d)镁钴共晶体显微形貌 Fig 2 SEM photogmaphs ofmagnesia zircona bricks w ith the m cmostmicture of periclase covered by zimonia (a)and (b)are fill views w ith defer
第 9期 陈松林等: 具有氧化锆包覆方镁石微结构的镁锆砖的抗折和抗热震性 图 1 试样 Z7的扫描电镜形貌图 ∙(a) 全貌;(b) 局部共晶体 Fig.1 SEMphotographsofSampleZ7:(a) fullview;(b) localeutectic 砖扫描电镜照片.由图2(a)和2(b)知氧化锆完全 图 2 特殊工艺制备的具有氧化锆包覆方镁石显微结构的镁锆砖扫描电镜照片 ∙(a)和 (b)为不同放大倍数的全貌图;(c)方镁石和氧化锆 结合显微结构;(d)镁锆共晶体显微形貌 Fig.2 SEMphotographsofmagnesia-zirconiabrickswiththemicrostructureofpericlasecoveredbyzirconia:(a) and(b) arefullviewswithdefer- entmagnifications;(c) directbondedmicrostructureofpericlaseandzirconia;(d) magnesium-zirconiumeutecticmicrostructure 包覆方镁石砖中含有封闭的小气孔和一些大孔这 些气孔有利于缓解材料的热应力提高材料的高温 性能.由图 2(c)知方镁石和氧化锆晶间直接结 合且两者直接结合度高相邻的两方镁石被氧化锆 间隔在方镁石晶粒和氧化锆晶粒中有微细的裂纹 ·1143·
,1144 北京科技大学学报 第33卷 此类放射状微裂纹有利于热应力的释放与耗散 9.0 图2(d)为镁锆共晶的显微形貌图,在方镁石大骨 85 架的共晶体内氧化锆分布均匀,且晶粒细小,使材料 的力学性能提高,同时,在方镁石中有大量的封闭 7.5 气孔,有利于提高材料的耐热震性能[5一刃.另外,孤 岛状分布在方镁石晶内的氧化锆对方镁石晶体起到 墓65 钉扎效应,能防止高温时的蠕变滑移,有利于提高材 6.0 料的高温力学性能,在氧化物基体的复合材料中, 556 400 800 1200 1600 测试温度℃ 氧化物颗粒形成骨架结构,引入的颗粒穿插于骨架 结构的空隙中,能产生弥散强化和韧化效应,有利于 图3具有氧化钴包覆方镁石显微结构的镁钻砖在不同温度下 提高材料各温度下的强度⑧-). 的抗折强度曲线 Fig 3 Rupture strength curve of magnesia zirconia bricks with the 综上所述,在具有氧化锆包覆方镁石显微结构 m icrostnictire of periclase covered by zirconia at deferent lom pemtums 的镁锆砖中,由于存在氧化锆增韧作用,有利于提高 材料的抗热震性:通过氧化锆晶粒的补强作用和钉 下降,材料中的杂质软化导致材料的局部蠕变效应 扎效应,有利于提高材料的抗折强度和耐压强度:包 作用更大,使得材料的抗折强度逐渐变低,如B4·在 含的封闭气孔可提高抗热震性能一).因此,这种 1500℃后,材料的抗折强度下降速度增大,如C区 工艺制备的镁锆砖具有优异的高温抗折和耐热震性 域,这时杂质的软化引起蠕变导致出现滑移,材料的 能,图3为不同温度下,具有氧化锆包覆方镁石显 蠕变断裂占主导作用,材料的抗折强度迅速下降. 微结构的镁锆砖的抗折强度曲线, 在B2区域出现异常的转折点,这是由于除了上述两 由图3知,镁锆砖的抗折强度和温度的关系曲 种因素影响材料的抗折强度外,还有在1170℃时单 线满足第一类MOR-T特征曲线.从室温到600℃ 斜氧化锆出现相变等影响,这些多因素共同作用导 时,抗折强度变化不明显,如图3所示的A区域,在 致材料抗折强度变化显现异常波动, A区域为弹性阶段,杂质的玻璃相没有软化,不起作 考察1400℃时的材料断裂面形貌(图4),材料 用,随着温度的升高,方镁石和氧化锆的晶粒之间膨 发生断裂时以沿晶断裂方式断裂,没有发生穿晶断 胀系数的差异使得晶体相互靠近,晶粒间的啮合度 裂现象,裂纹沿着晶界扩展。这有两方面的原因:一 提高,裂纹得到弥合,表现出抗折强度提高;再随着 方面,由于耐火材料的晶界结合不是非常牢固;另一 温度升高到1400℃时,材料的抗折强度有所提高, 方面,晶界区内杂质的偏聚对沿晶断裂起着重要影 如B区域.在B区时材料的抗折性能受到热膨胀系 响.在镁锆复合材料中方镁石晶界中氧化锆和其他 数差异和杂质软化两者共同作用,在前期热胀系数 杂质偏聚有利于阻止穿晶断裂,促成沿晶断 差异作用大于杂质软化作用,在后期则相反,在 裂2-一).由于材料发生断裂时为沿晶断裂,此种断 1400℃后出现转折,随着温度升高材料的抗折强度 裂程长,吸收的断裂能大,所以材料的抗折强度高 220w23 图4镁钴砖的断口扫描电镜形貌 Fig 4 SEM photogrphs of the fracture surface ofmagnesia zirconia bricks
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33卷 此类放射状微裂纹有利于热应力的释放与耗散. 图 2(d)为镁锆共晶的显微形貌图.在方镁石大骨 架的共晶体内氧化锆分布均匀且晶粒细小使材料 的力学性能提高.同时在方镁石中有大量的封闭 气孔有利于提高材料的耐热震性能 [5-7].另外孤 岛状分布在方镁石晶内的氧化锆对方镁石晶体起到 钉扎效应能防止高温时的蠕变滑移有利于提高材 料的高温力学性能.在氧化物基体的复合材料中 氧化物颗粒形成骨架结构引入的颗粒穿插于骨架 结构的空隙中能产生弥散强化和韧化效应有利于 提高材料各温度下的强度 [8-9]. 图 4 镁锆砖的断口扫描电镜形貌 Fig.4 SEMphotographsofthefracturesurfaceofmagnesia-zirconiabricks 综上所述在具有氧化锆包覆方镁石显微结构 的镁锆砖中由于存在氧化锆增韧作用有利于提高 材料的抗热震性;通过氧化锆晶粒的补强作用和钉 扎效应有利于提高材料的抗折强度和耐压强度;包 含的封闭气孔可提高抗热震性能 [10-11].因此这种 工艺制备的镁锆砖具有优异的高温抗折和耐热震性 能.图 3为不同温度下具有氧化锆包覆方镁石显 微结构的镁锆砖的抗折强度曲线. 由图 3知镁锆砖的抗折强度和温度的关系曲 线满足第一类 MOR--T特征曲线.从室温到 600℃ 时抗折强度变化不明显如图 3所示的 A区域在 A区域为弹性阶段杂质的玻璃相没有软化不起作 用随着温度的升高方镁石和氧化锆的晶粒之间膨 胀系数的差异使得晶体相互靠近晶粒间的啮合度 提高裂纹得到弥合表现出抗折强度提高;再随着 温度升高到 1400℃时材料的抗折强度有所提高 如 B区域.在 B区时材料的抗折性能受到热膨胀系 数差异和杂质软化两者共同作用在前期热胀系数 差异作用大于杂质软化作用在后期则相反.在 1400℃后出现转折随着温度升高材料的抗折强度 图 3 具有氧化锆包覆方镁石显微结构的镁锆砖在不同温度下 的抗折强度曲线 Fig.3 Rupturestrengthcurveofmagnesia-zirconiabrickswiththe microstructureofpericlasecoveredbyzirconiaatdeferenttemperatures 下降材料中的杂质软化导致材料的局部蠕变效应 作用更大使得材料的抗折强度逐渐变低如 B4.在 1500℃后材料的抗折强度下降速度增大如 C区 域这时杂质的软化引起蠕变导致出现滑移材料的 蠕变断裂占主导作用材料的抗折强度迅速下降. 在 B2区域出现异常的转折点这是由于除了上述两 种因素影响材料的抗折强度外还有在 1170℃时单 斜氧化锆出现相变等影响这些多因素共同作用导 致材料抗折强度变化显现异常波动. 考察 1400℃时的材料断裂面形貌 (图 4)材料 发生断裂时以沿晶断裂方式断裂没有发生穿晶断 裂现象裂纹沿着晶界扩展.这有两方面的原因:一 方面由于耐火材料的晶界结合不是非常牢固;另一 方面晶界区内杂质的偏聚对沿晶断裂起着重要影 响.在镁锆复合材料中方镁石晶界中氧化锆和其他 杂质 偏 聚 有 利 于 阻 止 穿 晶 断 裂促 成 沿 晶 断 裂 [12-15].由于材料发生断裂时为沿晶断裂此种断 裂程长吸收的断裂能大所以材料的抗折强度高. ·1144·
第9期 陈松林等:具有氧化锆包覆方镁石微结构的镁锆砖的抗折和抗热震性 .1145. in castable refractories J Am Ceram Soe 1995,78(8):2056 3结论 [6]WeiW C J Ln Y P.Processing chamcter ofMgopartially stabi (1)镶嵌在基质中的氧化锆稳定了方镁石,增 lized zirconia (PSZ)n size grading prepared by injection mol- ing J Eur Ceram Soe 1998 18(14):2107 强了材料的强度,同时相变导致的微裂纹具有吸收 [7]An S L Phase transfomation and themal shock resistance ofMgo- 分解断裂能,起到增韧的作用,改善了材料的抗热震 PSZ J Baotou Imn Steel Inst 2003.22 (4):305 性能, (安胜利·氧化镁部分稳定氧化钴的相变与抗热震性能研究 (2)氧化锆包覆方镁石的镁锆砖的微观结构显 包头钢铁学院学报,200322(4):305) 示,方镁石被氧化锆包裹,两者直接结合度高,在方 [8]Zhong X C Zhao H L High-tamnperature pmoperties of oxide non- oxile refmactory camposites Refractories 2000 34(2):63 镁石晶内存在封闭微气孔和氧化锆微粒.此结构既 (钟香崇,赵海雷·氧化物非氧化物复合耐火材料高温性能 强化了材料的力学性能,又提高了材料的抗热震性 的研究.耐火材料,200034(2):63) 能;同时,方镁石晶内的氧化锆细晶颗粒起到钉扎效 [9]Zhong X C Zhao HL M icmostructure chamacteristics of refractory 应,减少了材料的高温蠕变滑移,提高了材料的高温 composites Refractories 2000 34(3):125 抗折性能 (钟香崇,赵海雷·氧化物非氧化物复合材料的显微结构特 征.耐火材料,200034(3):125) (3)氧化锆和杂质的偏聚有利于阻止材料的穿 [10]De irkiman A S Celk E Avei E Themal shock behaviors of 晶断裂,使得材料断裂形式为沿晶断裂,材料的高温 functionally gmadientmaterials//Proceedings of the Fifh Intema- 抗折性能好. tional Frachime Conference Elazigs 2001 [11]Lutz E H.Swain M V,Claussen N.Themal shock behavior of 参考文献 duplex ceram ics J Am Ceram Soo 1991.74(1):19 [1]Chen SL Sun JL X iongX X.etal Infhence ofZO2 on prop- [12]Hannink R H J Kelly P M.Muddle B C Transfomation tough- erties of directly bonded magnesiazironia camposite TransMater ening in zirconia contaning cermics J Am Cemam Soo 2000 HeatTrat200829(3):30 83(3):461 (陈松林,孙加林,熊小勇,等.氧化锆对直接结合镁钴复合 [13]Guo X.Yuan R Z Zironia gman boundary design Sci China 材料性能的影响.材料热处理学报,200829(3):30) SerE1996,26(1):79 [2]Guo H Z Yu S PracticalHandbook of Refmactory Raw Materials (郭新,袁润章,氧化钴晶界设计.中国科学E199626 Beijing China Builing Materials Industry Press 2000 (1):79) (郭海珠,余森.实用耐火原料手册·北京:中国建材工业出 [14]Hsiao C M.Materials Design against Fmcture Acta Metall Sin 版社,2000) 1997,33(2):113 [3]WeiW C J Lin Y P.Mechanical and themal shock pmoperties of (肖纪美,抗断裂的材料设计.金属学报,1997,33(2): size graded MgoPSZ refmactory J EurCemam Soo 2000.20(8): 113) 1159 [15]Chen SL Yuan L FengZQ etal Influence of additive calcia [4]K riven W M.Possble altemative transfomation tougheners to zir and yttria on properties of magnesia zironia refractory Trans conis crystallographic aspects J Am Cemam Soe 1988 71(12): MaterHeatTrat 2010 31(10):10 1021 (陈松林,袁林,冯中起,等,添加剂C0和YzO3对M0- [5]Cotterell B.Ong SW,Caidong Q Themal shock and size effects Z02材料性能的影响.材料热处理学报,201031(10):10)
第 9期 陈松林等: 具有氧化锆包覆方镁石微结构的镁锆砖的抗折和抗热震性 3 结论 (1) 镶嵌在基质中的氧化锆稳定了方镁石增 强了材料的强度同时相变导致的微裂纹具有吸收 分解断裂能起到增韧的作用改善了材料的抗热震 性能. (2) 氧化锆包覆方镁石的镁锆砖的微观结构显 示方镁石被氧化锆包裹两者直接结合度高在方 镁石晶内存在封闭微气孔和氧化锆微粒.此结构既 强化了材料的力学性能又提高了材料的抗热震性 能;同时方镁石晶内的氧化锆细晶颗粒起到钉扎效 应减少了材料的高温蠕变滑移提高了材料的高温 抗折性能. (3) 氧化锆和杂质的偏聚有利于阻止材料的穿 晶断裂使得材料断裂形式为沿晶断裂材料的高温 抗折性能好. 参 考 文 献 [1] ChenSLSunJLXiongXXetal.InfluenceofZrO2onprop- ertiesofdirectlybondedmagnesia-zirconiacomposite.TransMater HeatTreat200829(3):30 (陈松林孙加林熊小勇等.氧化锆对直接结合镁锆复合 材料性能的影响.材料热处理学报200829(3):30) [2] GuoHZYuS.PracticalHandbookofRefractoryRawMaterials. Beijing:ChinaBuildingMaterialsIndustryPress2000 (郭海珠余森.实用耐火原料手册.北京:中国建材工业出 版社2000) [3] WeiW CJLinYP.Mechanicalandthermalshockpropertiesof sizegradedMgO-PSZrefractory.JEurCeramSoc200020(8): 1159 [4] KrivenW M.Possiblealternativetransformationtoughenerstozir- conia:crystallographicaspects.JAmCeramSoc198871(12): 1021 [5] CotterellBOngSWCaidongQ.Thermalshockandsizeeffects incastablerefractories.JAmCeramSoc199578(8):2056 [6] WeiW CJLinYP.ProcessingcharacterofMgO-partiallystabi- lizedzirconia(PSZ) insizegradingpreparedbyinjectionmold- ing.JEurCeramSoc199818(14):2107 [7] AnSL.PhasetransformationandthermalshockresistanceofMgO- PSZ.JBaotouIronSteelInst200322(4):305 (安胜利.氧化镁部分稳定氧化锆的相变与抗热震性能研究. 包头钢铁学院学报200322(4):305) [8] ZhongXCZhaoHL.High-temperaturepropertiesofoxidenon- oxiderefractorycomposites.Refractories200034(2):63 (钟香崇赵海雷.氧化物--非氧化物复合耐火材料高温性能 的研究.耐火材料200034(2):63) [9] ZhongXCZhaoHL.Microstructurecharacteristicsofrefractory composites.Refractories200034(3):125 (钟香崇赵海雷.氧化物--非氧化物复合材料的显微结构特 征.耐火材料200034(3):125) [10] DemirkiranASCelikEAvciE.Thermalshockbehaviorsof functionallygradientmaterials//ProceedingsoftheFifthInterna- tionalFractureConference.Elazig2001 [11] LutzEHSwainM VClaussenN.Thermalshockbehaviorof duplexceramics.JAmCeramSoc199174(1):19 [12] HanninkRHJKellyPMMuddleBC.Transformationtough- eninginzirconia-containingceramics.JAm Ceram Soc2000 83(3):461 [13] GuoXYuanRZ.Zirconiagrainboundarydesign.SciChina SerE199626(1):79 (郭新袁润章.氧化锆晶界设计.中国科学 E199626 (1):79) [14] HsiaoCM.MaterialsDesignagainstFracture.ActaMetallSin 199733(2):113 (肖纪美.抗断裂的材料设计.金属学报199733 (2): 113) [15] ChenSLYuanLFengZQetal.Influenceofadditivecalcia andyttriaonpropertiesofmagnesia-zirconiarefractory.Trans MaterHeatTreat201031(10):10 (陈松林袁林冯中起等.添加剂 CaO和 Y2O3对 MgO-- ZrO2材料性能的影响.材料热处理学报201031(10):10) ·1145·