αSiAlONAlNBN复合材料抗渣侵蚀及抗冲刷性能研究毕业论文.docx
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αSiAlONAlNBN复合材料抗渣侵蚀及抗冲刷性能研究毕业论文
α-SiAlON-AlN-BN复合材料抗渣侵蚀及抗冲刷
性能研究
ResearchonCorrosionresistancetoslagandAnti-erosionPropertiesofα-SiAlON-AlN-BNcomposites
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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毕业设计（论文）任务书
毕业设计（论文）题目：
α-SiAlON-AlN-BN复合材料抗渣侵蚀及抗冲刷性能研究
基本内容：
1.抗渣侵蚀性能研究
为了模拟保护渣，用分析纯的化学试剂制备了两种实验用渣，在1400℃高温下加热2小时，使其完全熔融，然后把材料放到渣上，在氩气的保护下，分别在1370℃、1390℃、1420℃和1450℃的温度下保温0.5h、1h、2h和3h，然后随炉体自然降温，测量材料边长的减少量，并通过SEM等对试样进行表征分析。
2.抗冲刷性能研究
把α-SiAlON-AlN-BN复合材料和耐磨钢做成大小相当的形状，在相同的实验环境下，对它们进行同时间同角度同喷砂压力的冲刷，每5min称量一下重量的减损，做出减损量与时间对照图，并通过扫描电镜观察其表面的磨损情况，对α-SiAlON-AlN-BN复合材料和耐磨钢的抗冲刷性能进行比较。
毕业设计（论文）专题部分：
题目：
基本内容：
学生接受毕业设计（论文）题目日期
第 周
指导教师签字：
年 月 日
摘要
近年来，高温新技术，特别是钢铁冶炼新技术的发展对耐火材料提出了更苛刻的要求。
通过调节控制耐火材料的显微结构来改进、优化材料的高温性能，如高温力学性能、抗热震性能和抗侵蚀性能等。
耐火材料发展的总趋势是以氧化物和硅酸盐为主向碳化物、氮化物以及氧氮化物的方向发展。
SiAlON便是氧氮化物中的一种，具有优良的光学、力学和化学性能。
富硼渣是合成SiAlON陶瓷的很好原料。
SiAlON陶瓷拥有非常优良的特性，具有耐磨损，耐腐蚀，强抗氧化等特性，并且在高温状态下仍保持高强度和高硬度。
基于这些特性，SiAlON陶瓷不仅应用于冶金和化工行业中的高温和腐蚀环境中，还可用作切削工具和轴承。
前期研究表明，富硼渣整体化利用制备的α-SiAlON-AlN-BN复合材料具有良好的机械性能、高温抗氧化性能和抗热震性能，是一种很有发展前途的材料。
但对于其抗侵蚀性能和抗冲刷性能尚未进行深入研究，为此本课题开展了α-SiAlON-AlN-BN复合材料抗渣侵蚀和抗冲刷性能研究，这对拓展其应用范围具有着重要的意义。
本试验采用静态坩埚法测定了材料的抗渣侵蚀性能。
结果表明，材料的抗渣侵蚀是一个复杂的过程，对侵蚀后的材料进行分析，并计算了侵蚀过程中的表观活化能，其值为6.036×105J/mol，与同类材料进行对比分析，表明α-SiAlON-AlN-BN复合材料具有优异的抗渣侵蚀性能。
材料的抗磨损性能，主要是通过摩擦磨损和冲刷方法进行研究。
本实验采用抗冲刷模拟装置测定了材料的抗冲刷性能，并与耐磨钢进行了对比分析，表明α-SiAlON-AlN-BN复合材料具有较高的硬度，拥有比耐磨钢更优异的耐磨性能。
关键词：
复合材料，富硼渣，α-SiAlON-AlN-BN，抗渣侵蚀，抗冲刷
Abstract
Inrecentyears,newtechnologyofhightemperature,especiallywiththedevelopmentofIronandsteeltechnologyhasmadesevererequeststowardrefractorymaterial.Anditneedsregulatingthecontrolofthemicrostructureofrefractorymaterialtoimproveandoptimizehightemperaturepropertiesofmaterials,suchashightemperaturemechanicalproperties,thermalshockresistanceandanti-corrosionpropertiesandsoon.ThegeneraltrendofrefractoryisdevelopingfrommainlyinoxidesandsilicatestoCarbide,nitride,andnitrogenoxides.
SiAlONisakindofnitrogenoxideswithgoodopticalproperty,opticalproperty andopticalproperty.SiAlONceramicspossesssuchpropertiesassuper-wearandcorrosionresistance,anti-oxidationanditcanremainitshighintensityandhighrigidityunderhightemperature.Withsuchgreatproperties,SiAlONceramicsshouldbeappliedtonotonlyhightemperatureandcorrosiveenvironmentsinmetallurgyandchemicalindustries,buttool-cuttingandbearings.
Preliminarystudyshowsthattheusedα-SiAlON-AlN-BNmaterialsinBoron-richSlagisakindofpromisingmaterialwhopossessgreatmechanicalproperty,anti-oxygenicpropertyathightemperature,andthermalshockresistance.However,itsslagcorrosionresistanceandanti-erosionpropertieshavenotbeenstudiedindepth.Thus,thetaskofthisthesisistobuttondownitsapplicationrangebystudyingitscorrosionresistanceandanti-erosionwhichisverysignificantinfuturestudies.
Thisthesisadoptsstaticcruciblemethodtodeterminetheslagresistanceofmaterialconsideringtheexperimentconditionandtheresultshowsthatcorrosionresistancetoslagofmaterialisacomplexprocesswhiletheanalysisoncorrodedmaterialandthecalculatingoftheapparentactivationenergyintheprocessshowsthatitsvalueis6.036×105J/mol.Comparedwithsimilarmaterials,α-SiAlON-AlN-BNcompositespossessgreatcorrosionresistancetoslag.
Throughthestudyoffrictionwearanderosion,theanti-scouringpropertyofmaterialisstudied.Inthisexperimentadoptsanti-scouranalogdevicetodetermineanti-scouringpropertiesofmaterial.Comparesitwithwear-resistantsteel,itshowsthatα-SiAlON-AlN-BNcompositespossesseshigherrigidity,withbetterabrasiveresistance.
Keywords:
composites,Boron-richSlag,α-SiAlON-AlN-BN,slagcorrosionresistance,anti-erosion
目录
毕业设计（论文）任务书i
摘要ii
Abstractiii
目录1
第1章绪论1
1.1引言1
1.2α-SiAlON-AlN-BN复合材料研究1
1.2.1α-SiAlON陶瓷研究现状1
1.2.2BN的性质及其对SiAlON陶瓷性能的影响3
1.2.3AlN材料对SiAlON性能的影响4
1.2.4富硼渣合成α-SiAlON-AlN-BN复合材料5
1.3材料抗渣侵蚀性能研究进展6
1.4材料抗冲刷性能研究进展9
1.5本课题的提出及主要研究内容10
1.5.1课题的提出及意义10
1.5.2主要研究内容11
第2章α-SiAlON-AlN-BN复合材料抗渣侵蚀性能研究12
2.1前言12
2.2实验方法12
2.3实验结果13
2.4材料抗渣侵蚀动力学分析19
2.5结论20
第3章α-SiAlON-AlN-BN复合材料抗冲刷性能研究21
3.1实验方法21
3.2实验结果22
3.3结论23
第4章结论24
参考文献25
致谢29
附录30
第1章绪论
1.1引言
近年来，高温新技术，特别是钢铁冶炼新技术的发展对耐火材料提出了更苛刻的要求。
为适应冶金新技术及现代科技发展的需要，在耐火材料发展中，重要用途的优质制品向高技术、高性能乃至高精度方向发展；原料从以天然为主演变到天然、精选和人工合成并重；工艺对精料、精配、高压和高温等的要求更加严格。
其总的趋势是以氧化物和硅酸盐为主向碳化物、氮化物以及氧氮化物的方向发展。
富硼渣是硼铁矿经火法分离后产生的中间产品之一，富硼渣生态化综合利用的研究，为再生资源产业化提供科学和技术依据，对国民经济和科技发展有全面性和战略性意义，具有巨大的经济效益，也有重大的学术价值。
赛隆（SiAlON）材料是一种性能优异的陶瓷材料，是以Si3N4为基，Si-Al-O-N的一种固溶体，它具有良好的机械性能、高温抗氧化性能、耐热冲击性和抗腐蚀性，是一种很有发展前途的材料。
与现有的碳质耐火材料相比，由于材料中不含有碳，因此对钢水造成的污染相对较小，并且可以减少耐火材料的氧化，延长其使用寿命。
所以，SiAlON材料在耐火材料领域具有发展潜能。
富硼渣中含有合成SiAlON材料所必需的成分，拟利用这些矿产资源，合成性能优异的SiAlON材料，从而一方面解决国内规模化生产高品质精细结构陶瓷能力不足、大量优质结构陶瓷仍需进口和价格昂贵等问题，使SiAlON材料的大规模应用成为可能；另一方面旨在解决这些大宗固体废弃物所引发的环境问题和资源再利用问题。
本课题基于前人利用富硼渣合成α-SiAlON-AlN-BN复合材料的研究基础上，深入研究了α-SiAlON-AlN-BN复合材料的抗渣侵蚀和抗冲刷性能，通过严谨的实验和细致的分析，证实了该材料具有优良的抗渣侵蚀和抗冲刷性能，为今后生产和大规模利用提供了丰富的理论依据。
1.2α-SiAlON-AlN-BN复合材料研究
1.2.1α-SiAlON陶瓷研究现状
α-SiAlON是α-Si3N4中m个（Si-N）键被m个（Al-N）键置换，n个（Si-N）键被n个（Al-O）键置换后形成的固溶体，由此造成的电价不平衡通过金属阳离子进入α-SiAlON晶胞中的两个填隙位置得以补偿，其化学式可表示为：
Mv+xSi12-（m+n）Al（m+n）OnN16-n，x≤2，其中：
M是金属阳离子；v为金属阳离子M的化合价；x为金属阳离子M的固溶量，且x=m/v。
常用于填隙的金属阳离子包括：
Li+，Ca2+，Y3+，Mg2+以及一些稀土元素阳离子。
由于金属氧化物作为添加剂形成的α-SiAlON在烧结后期金属离子进入α-SiAlON结构，从而减少了材料中晶界玻璃相的含量，并改善材料的高温性能，α-SiAlON具有很高的硬度和较好的抗热震性、抗氧化性，但其强度和韧性较差。
最近研究发现，利用改变组份和工艺条件可制备出既含有等轴晶粒又有长柱状晶粒的α-SiAlON陶瓷[1]，其中长柱状晶粒对α-SiAlON有明显的自增韧作用，很大程度上改善了α-SiAlON陶瓷的韧性。
由于α-SiAlON的组份富氮给致密化造成困难。
最近的一些研究发现：
用复合掺杂（如Li+Y，Ca+Y）形成的α-SiAlON可降低体系的低共熔点，从而明显改善材料的烧结性能[2]；而（Ca+Y+Sr）三元复合掺杂系统则使原本无法进入α-SiAlON的大离子Sr2+也能固溶进入α-SiAlON结构[3]；对于（Ca+Mg）复合掺杂α-SiAlON，两种阳离子在不同相中具有不同的固溶度，即Ca2+主要进入α-SiAlON，而Mg2+则形成含Mg-AlN多型体，从而为净化晶界提供了一条有效的途径。
利用陶瓷系统相平衡和结晶化学等知识或外加第二相，通过科学剪裁和合理配置，利用不同组成相在结构和性能上的差异进行优势互补与叠加，从而获得综合性能优良的复相α-SiAlON陶瓷，复相陶瓷在强度、韧性等力学性能以及在抗化学侵蚀性能等方面都优于单相材料，可以说复相陶瓷的研究是我国先进陶瓷材料发展的趋向之一[4]。
复相α-SiAlON陶瓷大致可分为两类：
第一：
利用Si-Al-O-N系相平衡关系制备的复相α-SiAlON：
如（α+β）-SiAlON，该复相陶瓷是利用α-SiAlON的高硬度和β-SiAlON的高强度、韧性相互补强，使其性能提高。
通过改变原料的组成，可以制得不同α/β比的（α+β）-SiAlON，其性质与各相的含量有关。
Jiang等[5]开发了一种在β-SiAlON表面原位形成α-SiAlON层的技术。
通过改变烧结条件可以控制α-SiAlON层的厚度。
α-SiAlON层的引入提高了材料硬度、耐磨性和抗氧化性，但抗弯强度略有下降。
人们尝试用Dy2O3、Sm2O3、Yb2O3代替Y2O3作为烧结助剂以进一步改善材料的室温性质，但效果不明显。
第二：
通过外加第二相制备的复相α-SiAlON：
根据化学相容、物理匹配和制备科学等原则，人们通过向SiAlON主晶相中加入第二相，利用晶须（或纤维）补强、相变增韧和颗粒弥散强化等原理制得了多种复相α-SiAlON陶瓷。
目前应用于复相SiAlON陶瓷的第二相颗粒主要有SiC、BN、Al2O3、TiB2等，如SiC/Ca-α-SiAlON[6]，MoSi2/α-SiAlON，MoSi2颗粒增强的α-SiAlON复相陶瓷，由于MoSi2和α-SiAlON基相热膨胀系数不同而使增韧效果大大加强，并且当加入MoSi2时形成的纤维柱状的α-SiAlON（长径比为5）为SiAlON材料原位增韧提供了新的可能性。
1.2.2BN的性质及其对SiAlON陶瓷性能的影响
氮化硼（BN）是典型的Ⅲ－Ⅴ族化合物，它具有许多重要的物理性质与化学性质。
BN一种重要的非氧化物材料，其性能和晶型结构与石墨相似。
由于具有良好的稳定性、耐腐蚀性以及高吸收中子的能力等，BN越来越受到人们的重视，得到了不断地开发和利用。
BN与陶瓷、金属、树脂基材料复合而制成的各种复合材料，可用于冶金、电子、航空等科技领域。
又由于BN在微结构上具有的片状叠层结晶构造及较大的各向异性热膨胀特性使它作为第二相改性材料在复相陶瓷材料系统中得到越来越广泛的应用。
BN晶体结构具有4种不同的变体：
六方氮化硼（h-BN）、菱方氮化硼（r-BN）、立方氮化硼（c-BN）和纤锌矿氮化硼（w-BN），常见的为六方晶型（h-BN）和立方晶型（c-BN）。
与石墨一样，BN的立方型（c-BN）为超硬材料且合成条件苛刻。
在BN材料中，h-BN是目前研究得比较多的晶型。
h-BN呈微细的薄片状结晶，具有热导率高、热膨胀系数小、抗热震性好、耐高温、耐腐蚀、受金属熔融体浸润性差，可机械加工等优点。
尤其是对钢水的不润湿和耐熔蚀性以及优良的耐高温及抗热震性，可作为高级耐火材料（如连铸用的分离环等）[7]。
h-BN为共价键化合物，其固相扩散系数低，是一种难以烧结的材料，一般采用热压烧结工艺制备。
而无压烧结BN陶瓷，通常是加入AlN、Al2O3等其它组分，并添加能在烧结过程中产生液相的组分以提高BN的扩散速率，促进BN的烧结。
h-BN颗粒的尺寸和分布是BN/SiAlON复合材料机械性能的决定性因素，h-BN粗颗粒将导致强度增大而硬度的降低，然而拥有h-BN细颗粒的复合陶瓷与片状α-SiAlON的强度相近[8]。
隋万美等[9]的研究发现，BN/SiAlON复相陶瓷的优良的抗热震性和其它高温性能归因于该种材料的特殊显微结构。
在BN/SiAlON复相陶瓷中六方柱状的β-SiAlON晶粒和作为添加相的圆形和层状结构的BN晶粒愈合形成统一体的细小晶粒的显微结构。
BN和SiAlON界面非常清晰，并且在界面没有化学反应。
由扫描电子显微镜观察可知，纤维结构的主要特征是网状微裂纹结构，这种结构促使BN/SiAlON复相陶瓷具有优良的抗热震性能。
表1.1和表1.2是BN-SiAlON复相材料的热膨胀性能及机械性能[10]。
表1.1BN-SiAlON复合材料的热膨胀性能
Α（×10-6/℃）
温度（℃）
100
300
500
700
900
1100
1300
平行于热压方向
0.5
1.69
2.12
2.47
2.73
2.91
3.05
垂直于热压方向
1.87
1.60
2.19
2.59
2.80
2.96
3.14
表1.2BN-SiAlON复合材料的机械性能
密度
3.14g/cm3
室温抗弯强度
1200℃抗弯强度
610MPa
347MPa
韦伯系数
11
平行于热压方向抗压强度（室温）
垂直于热压方向抗压强度（室温）
676MPa
760MPa
断裂韧性
4.1MPa
杨氏模量
泊松比
270GPa
0.26
碳钢润湿角
不锈钢润湿角
>120℃
>110℃
以上的结果表明：
（1）添加BN后，复合材料的强度虽低于SiAlON陶瓷。
但足以满足水平连铸的要求。
（2）BN-SiAlON复合材料的导热系数比SiAlON陶瓷低得多。
导热系数小，能抑制凝固壳的生成，钢水流动通畅，铸件表面平滑。
（3）热膨胀系数很小，且在平行和垂直热压方向的热膨胀非常接近，这对材料的抗热震性是有益的。
此外，经研究表明BN的加入降低了SiAlON基体的室温强度、弹性模量和显微硬度，并且极大地提高了BN-SiAlON复相陶瓷的抗热震性，抗热震性的提高主要是由于复合体内适量微裂纹的形成以及热膨胀系数和弹性模量的降低。
BN-SiAlON复相陶瓷在升至900℃时，其高温强度是室温强度的1.4~1.7倍[11]。
1.2.3AlN材料对SiAlON性能的影响
在AlN角的附近，β-SiAlON和AlN之间存在六种具有一定Me/X（Me为金属原子,即Si或Al,X为非金属原子,即N或O）并沿相同方向有一定固溶度的AlN多型体。
它们是由SiO2固溶进入AIN晶格形成的固溶体，其组成可表示为MemXm+1，m为整数。
六种AlN多型体按照Ramsdell符号[12]分别命名为8H,15R,12H,21R,27R和2Hδ。
以H命名的为六方结构，每个晶饱中有两个结构基块，每个基块中含有n/2层AI（Si）-N（O）层；以R命名的为斜方结构，每个基块中含有n/3层Al（Si）-N（O）层。
δ表示在MX2层发生了错排。
还有AlN多型体的晶胞大小及其组份[13]。
多型体在结构上很相似，都是以母体AlN相的纤锌矿结构为基础。
与2H的AlN相比，由于SiO2固溶进入AlN，在结构上也发生了一些变化。
第一，对于六方结构的多型体，在每个结构基块中增加了一个MeX2层。
与AlN的MeX层不同，MeX2层中所有的四面体都被填充，这样相邻的顶点向上和顶点向下的两个四面体就必须共用一个原子面。
在斜方结构的15R,21R等多型体中,Me2X3代替MeX2,它在结构上与MeX2相似，因此可等价看作（MeX+MeX2）。
第二,在每个结构块中有一MeO层，固溶的O原子与Al为六配位，形成Al-O六面体层。
AlN-多型体的晶粒呈纤维状的形貌，不同的AlN-多型体在晶粒形貌上稍有差别。
与α-SiAlON和β-SiAlON相比，AlN-多型体的力学性能较差[14]。
但与一般陶瓷材料所不同的是，AIN-多型体的高温强度比室温强度高[15.16]所以，有可能利用它们作为SiAlON陶瓷的补强相。
Chen等人的研究进一步发现，α-SiAlON-AlN-多型体复相陶瓷材料中，晶粒容易发育成长为长柱状的形貌[17]从而提供了一种新的增韧材料体系。
1.2.4富硼渣合成α-SiAlON-AlN-BN复合材料
硼铁矿经火法铁硼分离之后，硼在渣中得到富集，称之为富硼渣。
经XRD分析和岩相分析表明：
富硼渣中主要物相是遂安石（2MgO·B2O3）和镁橄榄石（2MgO·SiO2）以及少量的钙黄长石（Ca2Al2SiO7）[18]。
其化学组成为B2O314%~17%，SiO220%~23%，MgO43%~46%，Al2O36%~8%，CaO4%~6%。
富硼渣中的B2O3品位要高于硼铁矿中的品位，最高含量可达到17%，远高于一级硼矿品位12%的标准[19]。
富硼渣的粘度（η）随温度（t）的降低逐渐增大，在熔点附近变化显著，呈“短渣”特性。
粘度与温度之间符合以下指数函数关系，
l
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