姚 爽 趙 亮 薛群虎 徐 亮 李 翔

1）長江師范學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院 重慶408100

2）西安建筑科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 陜西西安710055

3）浙江自立高溫科技股份有限公司 浙江上虞312300

4）青島賽萊歐高溫陶瓷有限公司 山東青島266000

部分穩(wěn)定氧化鋯（PSZ）具有耐高溫、耐磨損、耐化學(xué)腐蝕、抗氧化等優(yōu)良性能，被廣泛應(yīng)用于軍工、機械、催化、冶金、能源和生物等領(lǐng)域［1-3］。此外，部分穩(wěn)定氧化鋯的比熱和熱導(dǎo)率也較低，非常適用于制造熱損失小的耐火材料元件，但低熱導(dǎo)率會導(dǎo)致連鑄過程中氧化鋯質(zhì)定徑水口內(nèi)部產(chǎn)生較大的溫度梯度。在一些研究中，通常將氧化鋯質(zhì)定徑水口的損毀因素分為物理損毀和化學(xué)損毀兩大類［4-5］，卻忽略了溫度梯度對定徑水口損毀產(chǎn)生的影響。由于連鑄過程中定徑水口被水口座磚和鋁碳磚包裹，其所處溫度難以直接測出，文獻［6］結(jié)合用后定徑水口原磚層、過渡層和變質(zhì)層的厚度及其他相關(guān)參數(shù)，通過熱力學(xué)分析軟件ANSYS求解出連鑄過程中水口的三維溫度場分布規(guī)律，得出原磚層、過渡層和變質(zhì)層在連鑄過程中所處的溫度分別在1 300、1 410和1 540℃左右。本研究中，分別以這3個溫度對Mg-PSZ和（Mg，Y）-PSZ質(zhì)定徑水口原樣進行熱處理，模擬定徑水口在連鑄過程中所處的溫度環(huán)境，分析連鑄過程中溫度梯度對定徑水口原磚層、過渡層和變質(zhì)層相組成和顯微結(jié)構(gòu)的作用規(guī)律，得出溫度梯度對氧化鋯質(zhì)定徑水口損毀的誘導(dǎo)作用。0*

1 試驗

試樣A為河南某公司生產(chǎn)的Mg-PSZ質(zhì)定徑水口原樣，試樣B為上海某公司生產(chǎn)的（Mg，Y）-PSZ質(zhì)定徑水口原樣，其化學(xué)組成和物理性能如表1和表2所示，類型均為細顆粒型。

表1 氧化鋯質(zhì)定徑水口的化學(xué)組成Table 1 Chemical composition of ZrO2 metering nozzle

采用HRY-01型高溫蠕變爐對φ20 mm×75 mm的試樣進行1 300、1 410和1 540℃下保溫5 h熱處理后水淬冷卻。采用D／MAX 220型X射線衍射儀（XRD）分析試樣的相組成，采用JXA-8100型電子探針（EPMA）觀察試樣的顯微結(jié)構(gòu)。

表2 氧化鋯質(zhì)定徑水口的物理性能Table 2 Physical properties of ZrO2 metering nozzle

2 結(jié)果與討論

2．1 相組成

在1 300、1 410和1 540℃保溫5 h熱處理再水淬冷卻后試樣A和B的XRD圖譜如圖1所示。

圖1 經(jīng)不同溫度處理后試樣A和B的XRD圖譜Fig．1 XRD patterns of the samples A and B heat-treated atdifferent temperatures

由圖1可看出，溫度對試樣A和B的相組成影響明顯。試樣A和B均由單斜相（m-ZrO2）和立方相（c-ZrO2）組成，隨著溫度的升高，立方相（111）晶面的相對強度Ic升高，單斜相（111）晶面的相對強度Im降低，單斜相（-111）晶面的相對強度Im也降低。單斜相的體積分?jǐn)?shù)可由式（1）獲得［7］，立方相的體積分?jǐn)?shù)為：100%-φ（m-ZrO2）。試樣中單斜相和立方相的體積分?jǐn)?shù)計算結(jié)果如圖2所示。

式中：Im為單斜相的相對強度；Ic為立方相的相對強度。

圖2 試樣中單斜相和立方相的體積分?jǐn)?shù)Fig．2 Volume fractions of monoclinic and cubic zirconia phases in samples

由圖2可知，隨著熱處理溫度的提高，試樣A和B中m-ZrO2相含量均減少，相應(yīng)地，c-ZrO2相含量增加。

2．2 顯微結(jié)構(gòu)

圖3給出了在1 300、1 410及1 540℃熱處理后試樣A和B的SEM照片。

圖3 各試樣的SEM照片F(xiàn)ig．3 SEM photos of samples

由圖3可以看出，隨著熱處理溫度的提高，試樣A和B的晶粒均發(fā)生長大。在連鑄過程中，定徑水口的原磚層、過渡層和變質(zhì)層顆粒尺寸會因為所處溫度區(qū)域不同而發(fā)生變化，越接近鋼水區(qū)域的PSZ晶粒尺寸會越大。

2．3 討論分析

在連鑄過程中產(chǎn)生的溫度梯度會造成氧化鋯質(zhì)定徑水口物相隨著溫度的升高由m-ZrO2向c-ZrO2轉(zhuǎn)變，從而導(dǎo)致1 540℃時（此溫度對應(yīng)變質(zhì)層）的c-ZrO2含量最高，1 310℃時（此溫度對應(yīng)原磚層）c-ZrO2含量最低，而且PSZ晶粒從原磚層到變質(zhì)層發(fā)生了生長。由于在連鑄過程中定徑水口還會受到鋼渣的侵蝕作用，造成變質(zhì)層c-ZrO2向m-ZrO2轉(zhuǎn)變和晶粒破裂，并逐漸向過渡層和原磚層發(fā)展［8］，于是在溫度梯度和鋼渣侵蝕的協(xié)同作用下（見圖4），會造成定徑水口中m-ZrO2c-ZrO2相變的持續(xù)發(fā)生。因為m-ZrO2和c-ZrO2相具有不同的熱膨脹系數(shù)，相變引起的晶粒膨脹和收縮會加速PSZ顆粒破裂，并降低顆粒間結(jié)合力。同時定徑水口由于各層間溫差和鋼渣侵蝕引起的持續(xù)晶粒生長和破裂，亦會產(chǎn)生應(yīng)力作用，加速定徑水口的損毀，因此溫度梯度對氧化鋯質(zhì)定徑水口損毀具有明顯的誘導(dǎo)作用。

圖4 協(xié)同作用示意圖Fig．4 Schematic of comprehensive action

3 結(jié)論

定徑水口原樣分別在1 300、1 410和1 540℃保溫5 h后水淬冷卻，試樣中的c-ZrO2、m-ZrO2礦物相含量和晶粒尺寸均發(fā)生了顯著變化。隨著熱處理溫度的提高，c-ZrO2相含量增加，m-ZrO2相含量減少，晶粒尺寸增大，說明連鑄過程中定徑水口中產(chǎn)生的溫度梯度會對其相組成和顯微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，并通過與鋼渣侵蝕的協(xié)同作用，誘導(dǎo)定徑水口損毀加速，從而降低其性能和使用壽命。