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)合強度較好，但中溫強度差，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組成列于表1。
表1 原料的化學組成/%
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)強度。一般當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℃≒風冷，3次
從表2和表3可以明顯看出：隨著超細混合粉比例的提高，從試樣A到D，其體積密度、熱處理后常溫抗折強度和常溫耐壓強度以及高溫抗折強度均隨之提高。而熱震穩(wěn)定性變化規(guī)律有所不同，A、B和D試樣經(jīng)熱震后的殘余強度保持率分別為49%、44%和45%，相差不大，C試樣殘余強度保持率較高，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)強度取決于基質(zhì)的結(jié)合強度。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度的貢獻大于原生(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)強度，尤其是高溫熱態(tài)強度。
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大于原生莫來石。