材料、熔融金属或高温气液体的过滤材料和航空航天材料等[2]。陶瓷纤维及其制品性能的损坏或失效与一般陶瓷制品不同:一般陶瓷制品的损坏主要表现为开裂或脆性断裂,而陶瓷纤维及其制品的损坏主要体现在陶瓷纤维的粉化脱落,使用温度过高时,陶瓷纤维内部晶相转变会导致制品的收缩加剧,并使其逐渐断裂。
随着工业文明的不断进步,工程材料的需求在不断提升,对材料性能的要求也在不断提高。普通陶瓷纤维制品已经不能满足特定场合的应用条件,含锆陶瓷纤维制品作为从陶瓷纤维制品中发展出来的新型纤维制品,具有耐火度高、使用温度高、使用寿命长等优点,被广泛用于钢铁、铜及其合金冶炼中的配件、碱液过滤器、焦化厂保温部件等较高温的生产环境中[3,4]。
2锆纤维制品的制备工艺
2.1 制备工艺流程
锆纤维制品(如浇口杯、转接管、堵套、流槽、分流盘等)的制备,较为普遍的是采用湿法挤压成形工艺,成形机采用自动加压成形机,模具一般采用多孔石墨质模具。图1为锆纤维制品制备的具体工艺流程。
2.2 关键工艺介绍
现将几个关键工序作逐一介绍。
(1) 配 料
锆纤维制品中采用的主原料为含锆10%～17%的硅酸铝陶瓷纤维棉,一般纤维棉中都含有一定量的渣球,而渣球含量直接影响耐火纤维制品的整体强度、体积密度和使用温度,故使用前需经过除渣处理,常采用湿法沉淀分离或干法悬浮分离将渣球清除。本工艺采用的是湿法沉淀分离法,操作简单且分离效果较好。
除主原料锆纤维外,配料中还加入了一定量的凝固剂和无机粘结剂,再配以水,调成棉质浆料。在水泥池中用真空搅拌机打浆,使浆料混合均匀。
(2) 挤压成形
将水泥池中陈腐好的浆料抽出,注入石墨多孔模具并加压,加压时棉浆中多余的水从孔中排出,成形后产品的含水率在18%～22%。
对同一配方而言,产品最后的比重取决于棉浆的加入量和加压的压力大小,棉浆加入量越大、加压力越大,产品比重就越大。为保证产品比重的均匀性,成形时用同一容积的容器取出棉浆,压力设定为一固定值,这样得到的产品比重均匀性较好,产品强度也较均一。
(3) 浸渍粘结剂
将烘干后具有一定强度的产品,浸渍在无机粘结剂中,浸渍时间约30min,以保证浸渍充分。
浸渍粘结剂是一个非常重要的工序,由于采用湿法加压工艺,粘结剂在成形过程中往往随着水分一同从孔中排出,产品中只留有少量的粘结剂。而粘结剂是保证产品强度的一个重要组分,同时还能起到填充压制产品中的部分空隙、易后续机加工及使产品表面光滑的作用,因此制品成形后需再浸渍粘结剂。如对产品强度和产品表面性能有特殊要求,还需反复浸渍、烘干几次。
(4) 培 烧
将浸渍、干燥后的产品放入培烧窑内煅烧,培烧温度为600～800℃,烧成周期10～12h。
由普通含锆陶瓷纤维制成的产品,其内部均为玻璃态相,具有较高的内能,培烧可适当降低其内部势能。经培烧后配方中的各原料发生物理化学反应,从而使制品结合紧密。
3锆纤维制品应用技术及其失效机理
锆纤维制品内部的特殊晶相,使得其应用技术较为特殊,应用领域也更加广泛。由于锆纤维制品显微组织中ZrO2弥散在纤维基体内,起到抑制陶瓷纤维在加热过程中析晶和晶粒长大的作用,从而提高了制品的使用温度,延长了制品的使用寿命。一般硅酸铝陶瓷纤维最高使用温度为1260℃,连续使用温度为1100℃;而锆纤维制品最高使用温度为1400℃,连续使用温度1300℃,因而锆纤维制品被较多地运用在高温环境下,如铝合金熔液及钢铁水铸造行业、航天零部件、高温炉内保温件等。
虽然锆纤维具有良好的高温性能,但也存在使用损坏失效的情况。由于其内部为纤维状玻璃相,其抗剪切性能远不如抗拉伸性能。制品的损坏基本是由纤维缩短、粉碎、脱落造成的,其耐磨性能较普通陶瓷差,所以制品除了在使用过程中会出现断裂外,最易出现的问题就是锆纤维制品磨损严重,导致尺寸不能匹配使用。
根据张克铭提出的陶瓷纤维失效的主要机理[5],即基于一个原因造成的两个方面的破坏。一个原因指的是陶瓷纤维的失效永远是与使用温度和使用时间成正比关系。使用温度超过制品最高使用温度时,制品损坏具有骤然性;在使用温度范围内,其失效情况伴随着时间延长而严重,一般具有可评估性。两个方面是指:一是指制品在长时间高温加热下,纤维内部发生晶体析晶、晶粒长大和晶相转变而导致制品收缩,造成纤维杆自身断裂粉化;二是指制品收缩导致制品间隙扩大,火焰窜入后烧损炉壁、锚固件而使结构破坏。晶体态纤维主要是晶粒长大和晶相转变造成纤维制品损坏失效。
4结论
(1) 含锆陶瓷纤维与普通陶瓷纤维一样,具有耐高温、比强度高、比重小、耐腐蚀性能好等特点,同时具有比普遍陶瓷纤维更高的使用温度,能满足更苛刻的使用条件。
(2) 锆纤维制品制备工艺较普通陶瓷纤维制品制备工艺差异不大,生产操作简单。利用锆废渣制备含锆陶瓷纤维制品,可大大节约原料成本。
(3) 锆纤维制品的失效机理为内部晶体析晶、晶粒长大和晶相转变,制品内部的单斜锆晶相在持续高温中变为四方相;莫来石晶体在高温中不断析出并且晶粒也慢慢长大;石英晶相富集并转变为方石英晶相,这些都导致制品收缩加剧、纤维变短,同时粉化脱落,致使制品失效。
参考文献
[1] 张克铭.耐火纤维应用技术[M].北京:冶金工业出版社,
2007.
[2] 傅正义,李建保.先进陶瓷及无机非金属材料[M].北京:
科学出版社,2007:91～93.
[3] 王英姿,候宪钦,陶文宏.氧化锆陶瓷纤维特点及制备方
法[J].河南建材,2005(1).
[4] 李建军.氧化锆基连续陶瓷纤维关键制备技术[J].无机化
学,2007,25(2).
[5] 张克铭.陶瓷纤维衰变及损坏机理[J].工业炉,
2006,28(2):44.
