一种锆刚玉莫来石氮化硼复合耐火材料.pdf

本发明属无机非金属材料。
    现代冶金工业生产要求耐火材料具有优良的综合性能，其中尤以抗热震性及高温力学性能俱佳最为重要。如作为水平连铸关键装置的分离环，由于它位于中间包和结晶器之间，经常承受钢液所产生的1500℃左右的热冲击及钢液不断冲刷和侵蚀，故需采用既具优良抗热震性能又需具备一定高温强度和抗侵蚀性能的材料。对于滑板及金属热挤压模具所需材料而言，则应具备优良的高温强度和韧性，同时具有一定的抗热震性。

    然而，目前研制的以锆刚玉莫来石（即单斜ZrO2、Al2O3，人工合成莫来石3Al2O3·2SiO2）为基料与碳化硅SiC复合的耐火材料（见李庭寿、孙庚辰、钟香崇、硅酸盐学报，19〔3〕241，1991）。虽有良好的高温强度，但抗热震性及机加工性能较差;以氮化硼（六方BN）为基料与ZrO2+SiC复合的耐火材料（见Peter Sindlhauser，et al，u.s.Patent，NO.4885264）抗热震性能优良，但高温强度及抗氧化性能较差。

    为改善氮化硼基材料的高温力学性能和抗氧化性，提高锆刚玉莫来石基材料的抗热震性及机加工性能，发明人利用前者具有良好的抗热震性及后者具有良好的高温强度等特点，将两者进行复合，并在复合时分别加入助烧剂CaCO3或TiO2（加入B2O3或AlCl3亦可，但性能较差），通过综合韧化和强化，使它们在各方面的性能得以互补，从而获得两种耐火材料，即以锆刚玉莫来石为基料与氮化硼复合的耐火材料和以氮化硼为基料与锆刚玉莫来石复合的耐火材料。前者能保持良好的高温强度（室温抗折强度σf≥150MPa，可保持温度在1000℃以上），而机加工性能和抗热震性获得显著提高（抗热震性为△Tc≥700℃，现有技术为△Tc＝400℃），适用于对高温强度要求很高、要求抗热震性良好的滑板、热挤压模具等所需材料。后者能保持良好的抗热震性能（△Tc≥1000℃），而抗氧化性、抗热疲劳及高温强度和韧性获得显著改善（室温抗折强度σf＝150MPa，可保持温度1000℃以上），适用于对抗热震性能要求很高、要求高温力学性能良好的水平连铸分离环、熔炼金属坩埚等所需材料。

    以锆刚玉莫来石为基料适量加入氮化硼及助烧剂所制成的复合耐火材料，基料为70～90wt%，氮化硼为10～30wt%。随后将基料+氮化硼作为100wt%，另加助烧剂2～8wt%（wt表示重量）。

    以氮化硼为基料适量加入锆刚玉莫来石及助烧剂制成的复合耐火材料，基料氮化硼为70～90wt%，锆刚玉莫来石为10～30wt%。随后将基料+锆刚玉莫来石作为100wt%，另加助烧剂2～8wt%。

    在以上两种不同基料的复合耐火材料中，锆刚玉莫来石三者地配比是    刚玉与莫来石之比为2∶1～5∶1，氧化锆为15wt%。刚玉与莫来石的最佳配比为3∶1，助烧剂为5wt%。

    以锆刚玉莫来石为基的复合材料的制备工艺是：（1）将所需原料按设计要求配比后加入2～5wt%的粘接剂聚乙二醇或聚乙稀醇，以乙醇或丙酮为分散介质，在尼龙罐中以玛瑙球混磨8～15小时后，烘干研细，作为复合材料的原始粉料。（2）将原始粉料置于金属模具中，在100～200MPa压力下干压成型，随后将其封入橡胶套内实行300～350MPa致密化等静压。（3）将压制好的样品置于钼丝炉中在保护气氛下实施1700～1800℃保温2～4小时烧结，随即获得锆刚玉莫来石-氮化硼复合耐火材料。

    以氮化硼为基的复合材料的制备工艺是：（1）将所需原料按设计要求配比后，以乙醇或丙酮为分散介质，在尼龙罐中以玛瑙球混磨8～15小时后，烘干研细，作为复合材料的原始粉料。（2）将原始粉料封装于橡胶套内进行50～100MPa等静压造粒，随后过40目筛孔筛取。（3）将具有一定粒度的粉料装入石墨模具内在保护气氛下实行温度为1800～1850℃、压力为20～30MPa、保温时间为10～30分钟的热压烧结，随即可得氮化硼-锆刚玉莫来石复合耐火材料。

    本发明的实施例见下表。