蔡伏玲 韓兵強(qiáng) 陳俊峰 苗正 王義龍

1）武漢科技大學(xué)省部共建耐火材料與冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖北武漢430081

2）唐山國亮特殊耐火材料有限公司 河北唐山063000

隨著潔凈鋼冶煉技術(shù)的不斷發(fā)展，碳復(fù)合耐火材料低碳化成必然趨勢(shì)。但低碳化后，材料的性能會(huì)顯著降低［1-4］。添加高性能的新材料，或者使碳復(fù)合耐火材料基質(zhì)結(jié)構(gòu)微納米化，是目前制備低碳耐火材料的主要研究方向［5-7］。Ti3AlC2是一種新型的高性能高溫結(jié)構(gòu)材料，兼具金屬和陶瓷材料的綜合特性［8］?；赥i3AlC2在碳復(fù)合耐火材料中應(yīng)用的基礎(chǔ)［9-10］，本研究中采用Ti3AlC2部分取代MgO-C耐火材料中的鱗片石墨制備低碳MgO-C材料，探究了添加Ti3AlC2對(duì)MgO-C耐火材料力學(xué)性能和抗氧化性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣制備

試驗(yàn)原料有粒度3～1和≤1 mm的燒結(jié)鎂砂顆粒，粒度≤0.074 mm的燒結(jié)鎂砂細(xì)粉，粒度≤0.044 mm的Si粉，粒度≤0.15 mm的鱗片石墨，粒度≤0.021 mm的Ti3AlC2粉，以及結(jié)合劑熱固性酚醛樹脂。

試樣配比見表1。按表1配料，在愛立許混料機(jī)內(nèi)混練均勻后，置于30℃真空干燥箱內(nèi)困料12 h，再以150 MPa壓力壓制成25 mm×25 mm×140 mm和φ50 mm×50 mm的樣坯，在110℃干燥12 h，在220℃固化24 h，然后在埋碳（鱗片石墨）條件下分別于1 100、1 400和1 600℃保溫3 h熱處理，隨爐冷卻至室溫。

表1 試樣配比Table 1 Formulations of specimens

1.2 性能檢測(cè)及表征

按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)固化后及不同溫度埋碳熱處理后試樣的顯氣孔率（GB／T 2997—2004）、常溫抗折強(qiáng)度（GB／T 3001—2007）。

取1 100℃埋碳熱處理后的φ50 mm×50 mm試樣，按照GB／T 13244—1991，在空氣氣氛中分別于1 100、1 300、1 500℃保溫3 h，然后從試樣半高處垂直于中心軸切開，測(cè)量并計(jì)算試樣的脫碳層面積，以其表征抗氧化性。

采用脈沖激振法（IET）彈性模量測(cè)試儀（RFDAHTVP1600）檢測(cè)試樣的彈性模量。

采用X射線衍射儀（X'pert Pro，Philips，Netherlands）檢測(cè)試樣的物相組成。運(yùn)用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（Nova 400 Nano-SEM）觀察試樣的顯微結(jié)構(gòu)，并用自帶的能譜分析儀（INCA IE 350 PentaFETX-3）分析微區(qū)成分。

2 結(jié)果與討論

2.1 試樣的顯氣孔率、強(qiáng)度、彈性模量和抗氧化性

不同溫度埋碳熱處理后試樣的顯氣孔率、常溫抗折強(qiáng)度和彈性模量見圖1。

圖1 不同溫度埋碳熱處理后試樣的顯氣孔率、常溫抗折強(qiáng)度和彈性模量Fig.1 Apparent porosity，cold modulus of rupture and modulus of elasticity of specimens heat treated at different temperatures

從圖1可以看出：

（1）220℃固化后以及不同溫度埋碳熱處理后，試樣MC-3AC的顯氣孔率均小于試樣MC的，常溫抗折強(qiáng)度和彈性模量均大于試樣MC的。分析認(rèn)為：試驗(yàn)用Ti3AlC2粉的粒度（≤0.021 mm）小于鱗片石墨的（≤0.15 mm），Ti3AlC2部分取代石墨后能增大試樣的顆粒堆積密度和成型密度；此外，Ti3AlC2的抗折強(qiáng)度和彈性模量（分別為375 MPa和297 GPa）都比鱗片石墨的（分別為25.1 MPa和8.8 GPa）大。因此，Ti3AlC2部分取代石墨后，即使試樣的致密度不增大，其常溫抗折強(qiáng)度和彈性模量也會(huì)增大。

（2）對(duì)于同一種試樣，埋碳熱處理后的顯氣孔率均顯著大于固化后的，常溫抗折強(qiáng)度和彈性模量基本上都小于固化后的（試樣MC的常溫抗折強(qiáng)度除外）。分析認(rèn)為：固化后試樣中由酚醛樹脂形成的膠結(jié)結(jié)構(gòu)在高溫埋碳熱處理過程中逐漸分解，因此埋碳熱處理后試樣的致密度和強(qiáng)度均小于固化后試樣的。

（3）對(duì)于同一種試樣，隨著埋碳熱處理溫度的升高，試樣的顯氣孔率變化不大；常溫抗折強(qiáng)度和彈性模量呈逐漸增大的變化趨勢(shì)。這可能是因?yàn)?，熱處理溫度升高，試樣的燒結(jié)程度提高。

觀察不同溫度下氧化后試樣剖面發(fā)現(xiàn)，試樣剖面從外到內(nèi)可分為脫碳層和原質(zhì)層。經(jīng)測(cè)量和計(jì)算，不同溫度氧化后試樣的脫碳層面積見表2?？梢钥闯觯?）在1 100和1 300℃氧化后，試樣MC-3AC的脫碳層面積大于試樣MC的，表明其抗氧化性比試樣MC的差；但1 500℃氧化后，試樣MC-3AC的脫碳層面積則顯著小于試樣MC的，表明其抗氧化性比試樣MC的好。2）隨著氧化溫度從1 100℃升高到1 300℃，試樣MC-3AC的脫碳層面積略有增大；但當(dāng)氧化溫度升高到1 500℃時(shí)，其脫碳層面積又顯著減小。3）隨著氧化溫度的升高，試樣MC的脫碳層面積呈逐漸增大的趨勢(shì)。

表2 不同溫度氧化后試樣的脫碳層面積Table 2 Decarbonization layer area of specimens oxidized at different temperatures

分析認(rèn)為：試樣MC的石墨含量比試樣MC-3AC的高，在氧化溫度同為1 100或1 300℃的情況下，試樣MC更耐氧化，因此試樣MC的抗氧化性比試樣MC-3AC的強(qiáng)。但是，當(dāng)氧化溫度升至1 500℃時(shí)，可能因?yàn)樵嚇覯C-3AC表層的Ti3AlC2氧化生成TiO2和Al2O3并發(fā)生體積膨脹，Al2O3進(jìn)一步與MgO反應(yīng)生成尖晶石也發(fā)生體積膨脹，使試樣表層變得更加致密，抑制O2的進(jìn)入和CO的排出，提高試樣的抗氧化性。因此，1 500℃時(shí)試樣MC-3AC的抗氧化性比試樣MC的好。

2.2 試樣的物相組成

不同溫度埋碳熱處理后試樣的XRD圖譜見圖2?？梢钥闯?，不同溫度埋碳熱處理后兩種試樣的主要組成物相均為方鎂石和石墨。比較不同溫度埋碳熱處理后兩種試樣中的次要物相可知：試樣MC-3AC中有TiO2（板鈦礦型）、TiN、Al2TiO5、鎂鋁尖晶石（MgAl2O4）等，而試樣MC中沒有。

圖2 不同溫度埋碳熱處理后試樣的XRD圖譜Fig.2 XRD patterns of specimens fired at different temperatures

2.3 試樣的顯微結(jié)構(gòu)

試樣MC-3AC經(jīng)過不同溫度埋碳熱處理后的顯微結(jié)構(gòu)見圖3?？梢钥吹剑涸? 100℃燒后試樣內(nèi)部有TiN生成。1 600℃燒后試樣內(nèi)部有TiO2生成，填充在試樣的氣孔內(nèi)部；同時(shí)，Ti3AlC2顆粒外部有Al2TiO5生成。

圖3 不同溫度埋碳熱處理后試樣MC-3AC的顯微結(jié)構(gòu)照片F(xiàn)ig.3 Morphology of specimen MC-3AC fired at different temperatures

3 結(jié)論

（1）在220℃固化后，試樣MC-3AC的顯氣孔率比試樣MC的小，常溫抗折強(qiáng)度和彈性模量比試樣MC的大得多。

（2）在1 100～1 600℃埋碳熱處理后，試樣MC-3AC的顯氣孔率比試樣MC的小，常溫抗折強(qiáng)度和彈性模量均比試樣MC的大。

（3）在1 100和1 300℃氧化時(shí)，試樣MC-3AC的抗氧化性比試樣MC的差，也比1 500℃時(shí)試樣MC-3AC的差；但在1 500℃氧化時(shí)，試樣MC-3AC的抗氧化性比試樣MC的好。