高寿命金属复合陶瓷滑板高寿命金属复合陶瓷滑板

调研报告调研报告

报告人：乔建房报告人：乔建房

郑州大学材料科学与工程学院郑州大学材料科学与工程学院

22

1 1 研究背景及意义研究背景及意义 目前连铸使用的功能耐火材料以碳复合材料为主，随着优质钢特别是洁净钢技目前连铸使用的功能耐火材料以碳复合材料为主，随着优质钢特别是洁净钢技

术的发展，要求功能耐火材料长寿、无污染。术的发展，要求功能耐火材料长寿、无污染。

碳能溶解于钢水，对钢水有增碳污染。碳能溶解于钢水，对钢水有增碳污染。

碳结合材料的抗氧化性能和力学性能较差。碳结合材料的抗氧化性能和力学性能较差。

为了节约能源，保护环境，希望降低耐火材料的烧成温度。为了节约能源，保护环境，希望降低耐火材料的烧成温度。

氧化物氧化物 -- 非氧化物复合材料具有较高的高温强度和抗氧化性能，优良的抗热震非氧化物复合材料具有较高的高温强度和抗氧化性能，优良的抗热震

性、抗侵蚀性能，是替代碳复合材料、连铸用耐火材料的理想选材。性、抗侵蚀性能，是替代碳复合材料、连铸用耐火材料的理想选材。

氧化物氧化物 -- 非氧化物非氧化物复合材料制备复合材料制备

直接加入法：成本高，需高温烧结，不易致密化直接加入法：成本高，需高温烧结，不易致密化

原位合成法：具有较好的技术经济可行性原位合成法：具有较好的技术经济可行性

33

2020 世纪世纪 8080 年代，在研究碳复合耐火材料抗氧化性的时，发现将年代，在研究碳复合耐火材料抗氧化性的时，发现将 AA

ll 和和 SiSi 加入到碳复合材料中，使其高温时反应生成非氧化物，在防氧加入到碳复合材料中，使其高温时反应生成非氧化物，在防氧化的同时，还可以提高材料的强度。但是，这些研究仅将化的同时，还可以提高材料的强度。但是，这些研究仅将 AlAl 和和 SiSi 作作为添加剂使用，其加入量较少。为添加剂使用，其加入量较少。

增大金属加入量，把其作为一种原料使用，代替碳复合材料中的部增大金属加入量，把其作为一种原料使用，代替碳复合材料中的部分或全部碳材料，经热处理使其原位转变成非氧化物，可望获得具有分或全部碳材料，经热处理使其原位转变成非氧化物，可望获得具有较好高温性能的、低碳含量的氧化物较好高温性能的、低碳含量的氧化物 -- 非氧化物复合材料。材料的制非氧化物复合材料。材料的制备方法、性能和结构都会产生较大的变化，从而开始了金属复合耐火备方法、性能和结构都会产生较大的变化，从而开始了金属复合耐火材料这一新领域的研究。材料这一新领域的研究。

44

各种材质滑板的主要使用性能对比如表各种材质滑板的主要使用性能对比如表 1.41.4 所示。所示。

55

2.1 2.1 金属作为添加剂在耐火材料中应用金属作为添加剂在耐火材料中应用

Al2O3-CAl2O3-C 是广泛应用的耐火材料，它具有较好的抗热震性、抗是广泛应用的耐火材料，它具有较好的抗热震性、抗 (( 渣、渣、铁及钢水铁及钢水 )) 侵蚀性，但碳易氧化是侵蚀性，但碳易氧化是 Al2O3-CAl2O3-C 材料的主要缺点，为了抑材料的主要缺点，为了抑制或降低碳的氧化，一般在材料中加入金属、合金、碳化物等防氧化制或降低碳的氧化，一般在材料中加入金属、合金、碳化物等防氧化剂。剂。

AlAl 和和 SiSi 是是 A12O3-CA12O3-C 材料常用的防氧化剂 材料常用的防氧化剂

2 金属复合耐火材料研究状况

66

AlAl 和和 SiSi 的防氧化原理的防氧化原理

①① 从热力学观点出发，在高温下，从热力学观点出发，在高温下， AlAl 、、 SiSi 及它们与碳反应的生成物与及它们与碳反应的生成物与氧的亲和力比碳与氧的亲和力大，优先于碳被氧化从而起到保护碳的氧的亲和力比碳与氧的亲和力大，优先于碳被氧化从而起到保护碳的作用。作用。

②② 从动力学的角度考虑，从动力学的角度考虑， AlAl 、、 SiSi 与与 O2O2 、、 N2N2 、、 COCO 及及 CC 反应生成的反应生成的化合物改变了碳复合耐火材料的显微结构，增加致密度，堵塞气孔，化合物改变了碳复合耐火材料的显微结构，增加致密度，堵塞气孔，阻碍氧及反应产物的扩散。阻碍氧及反应产物的扩散。

AlAl 、、 SiSi 的氧化反应为：的氧化反应为： 2Al(l) + 3 CO(g) = Al2O3(s) +3C(s)2Al(l) + 3 CO(g) = Al2O3(s) +3C(s)

Si(s) + 2CO(g) = SiO2(s) +2C(s)Si(s) + 2CO(g) = SiO2(s) +2C(s)

77

佐藤康等研究了添加佐藤康等研究了添加 AlAl 的的 Al2O3-SiO2-CAl2O3-SiO2-C 质不烧滑板的使用性能，由质不烧滑板的使用性能，由

于于 AI(g)AI(g) 、、 Al2O(g)Al2O(g) 对对 FeOFeO 或或 SiO2SiO2 的还原作用，使工作面形成了含的还原作用，使工作面形成了含

FeFe 的的 Al2O3Al2O3 致密层，抑制了碳的氧化。致密层，抑制了碳的氧化。

周长东等认为：使用双元素的合金具有分步抑制氧化进行的优点，对周长东等认为：使用双元素的合金具有分步抑制氧化进行的优点，对

Al-SiAl-Si 合金而论，氧化时首先生成合金而论，氧化时首先生成 SiCSiC ，其次生成，其次生成 Al4C3Al4C3 ，第一阶段，，第一阶段，

Al4C3Al4C3 起抑制氧化的作用，起抑制氧化的作用， Al4C3Al4C3 消失后，消失后， SiCSiC 继续起抑制氧化的作继续起抑制氧化的作

用。用。

88

A. WatanabeA. Watanabe 等研究表明，含碳材料中等研究表明，含碳材料中 AlAl 和和 SiSi 在埋碳烧结时，在埋碳烧结时， 800 ~1000℃800 ~1000℃之之间，间， AlAl急速与急速与 CC 反应生成反应生成 Al4C3Al4C3 ，呈六角板状，填充在气孔内，形成多结晶集，呈六角板状，填充在气孔内，形成多结晶集合组织，有助于提高材料的强度。合组织，有助于提高材料的强度。

4AI(l)+3C(s)=Al4C3(s)4AI(l)+3C(s)=Al4C3(s)

Al4C3Al4C3 能将能将 COCO 还原成还原成 CC ，起到了抑制碳氧化的作用，同时该反应产生约，起到了抑制碳氧化的作用，同时该反应产生约 2.42.4倍倍的体积膨胀，使材料组织致密化，进一步抑制碳的氧化。的体积膨胀，使材料组织致密化，进一步抑制碳的氧化。

Al4C3(s)+6CO(g)=2Al2O3(s)+9C(s)Al4C3(s)+6CO(g)=2Al2O3(s)+9C(s)

陈肇友、田守信等指出烧成陈肇友、田守信等指出烧成 Al2O3-CAl2O3-C 材料时各种物质与氧反应趋势的大小顺序为：材料时各种物质与氧反应趋势的大小顺序为：

Al4C3 > Si > C > Si3N4 > AIN > SiCAl4C3 > Si > C > Si3N4 > AIN > SiC

因此，因此， Al4C3Al4C3 和和 SiSi 能保护碳不被氧化，能保护碳不被氧化， Si3N4Si3N4 ，， AINAIN 和和 SiCSiC 对碳起不到防氧对碳起不到防氧化的作用。化的作用。

99

金属添加剂对材料结构和性能的作用金属添加剂对材料结构和性能的作用

B.B. MishraMishra 和和 W. ChenW. Chen 等研究表明：加入的等研究表明：加入的 SiSi 生成晶须状生成晶须状 SiCSiC ，使，使制品的气孔率降低，同时提高了制品的强度和耐磨性。热处理温度对制品的气孔率降低，同时提高了制品的强度和耐磨性。热处理温度对SiCSiC 晶须的生长起主要作用， 晶须的生长起主要作用， SiCSiC 晶须的生成量和大小有一最佳值，晶须的生成量和大小有一最佳值，此时材料的强度也达到最大值。此时材料的强度也达到最大值。

田守信等认为：高温下田守信等认为：高温下 SiSi 与与 CC 反应生成反应生成 0.1~0.30.1~0.3mm 的的 SiCSiC 颗粒，使颗粒，使制品的强度提高，属颗粒增强型；制品的强度提高，属颗粒增强型； AlAl 与与 CC 反应生成纤维状反应生成纤维状 Al4C3Al4C3 ，，使制品的强度提高，属纤维增强型。使制品的强度提高，属纤维增强型。

1010

AIAI 、、 SiSi 添加剂的作用添加剂的作用

TaffinTaffin CC 等总结了等总结了 AlAl 、、 SiSi 的作用如下：的作用如下：

(1) Al(1) Al 主要在液态下起作用，而主要在液态下起作用，而 SiSi 主要在气态下起作用。主要在气态下起作用。(2) Al(2) Al 的影响是局部的的影响是局部的 (( 形成固态网络结构形成固态网络结构 )) ，而，而 SiSi 会给整个材料带来更会给整个材料带来更

大的机械强度。大的机械强度。(3) (3) 加入加入 AlAl 可提高材料的机械强度，但会产生蜂窝结构，因此添加可提高材料的机械强度，但会产生蜂窝结构，因此添加 AlAl 应应

调调 整其总量和颗粒尺寸。整其总量和颗粒尺寸。(4) AI(4) AI 转化产生的铝氧碳化物可提高制品抗侵蚀性和抗渗透性，转化产生的铝氧碳化物可提高制品抗侵蚀性和抗渗透性， SiSi 氧化氧化

生成的生成的 SiO2SiO2 会降低制品的抗侵蚀性。会降低制品的抗侵蚀性。(5)(5) 对对 MgO-CMgO-C 材料应优先选用材料应优先选用 AlAl；对含细颗粒结构的；对含细颗粒结构的 Al4C3-CAl4C3-C 材料优材料优

先选用先选用 SiSi ，对含粗颗粒结构的，对含粗颗粒结构的 Al4C3-CAl4C3-C 材料优先选用材料优先选用 SiSi 或或 AlAl 。。

1111

金属复合耐火材料的优越性能金属复合耐火材料的优越性能 由于金属熔点低于烧成温度，金属将起到助烧剂的作用，可使烧成制品的气孔由于金属熔点低于烧成温度，金属将起到助烧剂的作用，可使烧成制品的气孔率下降，体积密度上升；率下降，体积密度上升；

提高烧成砖的韧性，提高砖的抗热震性。解决了长期以来一直存在于耐火材料提高烧成砖的韧性，提高砖的抗热震性。解决了长期以来一直存在于耐火材料中的一对矛盾：为提高抗热震性必须保留相当高的气孔率，但必然降低材料的中的一对矛盾：为提高抗热震性必须保留相当高的气孔率，但必然降低材料的强度和抗侵蚀的能力。金属塑性相的存在，使此矛盾自然解决；强度和抗侵蚀的能力。金属塑性相的存在，使此矛盾自然解决；

在高炉气氛下原位生成在高炉气氛下原位生成 Si3N4Si3N4 、、 SialonSialon 、、 SiCSiC 结合材料，没有专门氮化的工序，结合材料，没有专门氮化的工序，可节省氮化设备和氮气，降低生产成本；可节省氮化设备和氮气，降低生产成本；

塞隆或氮化物、碳化合物在表面层的形成，除了具有相应的氧化物塞隆或氮化物、碳化合物在表面层的形成，除了具有相应的氧化物 -- 非氧化物非氧化物复合材料的性能外，还由于化合物生成时的放热和颗粒的体积膨胀，形成了一复合材料的性能外，还由于化合物生成时的放热和颗粒的体积膨胀，形成了一个非常致密的表面，使其抗渣、抗铁侵蚀的能力可能超过原来的复合材料；个非常致密的表面，使其抗渣、抗铁侵蚀的能力可能超过原来的复合材料；

由于金属始终存在于材料中，一旦材料的表面被侵蚀掉或出现新断口后，这个由于金属始终存在于材料中，一旦材料的表面被侵蚀掉或出现新断口后，这个防腐层能自动生成，材料具有“自修复”的能力，具有智能材料的性能。防腐层能自动生成，材料具有“自修复”的能力，具有智能材料的性能。

2.2 2.2 金属复合耐火材料金属复合耐火材料

1212

为了解决在浇铸高氧钢和钙处理钢时滑板的过度侵蚀问题，日本黑崎为了解决在浇铸高氧钢和钙处理钢时滑板的过度侵蚀问题，日本黑崎株式会社开发了金属基复合材料株式会社开发了金属基复合材料 (MMC)(MMC) 滑板，该材料具有低气孔率、滑板，该材料具有低气孔率、高热导率、高强度和高耐蚀性，用于特种钢浇铸取得了较好的使用效高热导率、高强度和高耐蚀性，用于特种钢浇铸取得了较好的使用效果。金属基复合滑板与普通果。金属基复合滑板与普通 Al2O3-CAl2O3-C （（ AGAG ）材料性能比较如下表。）材料性能比较如下表。

1313

有国外文献指出：有国外文献指出： AlAl 复合的含碳材料，经高温加热后，由于生成复合的含碳材料，经高温加热后，由于生成 Al4Al4C3C3 ，抗水化性较差，加入抗氧剂能降低材料的显气孔率，有助于提，抗水化性较差，加入抗氧剂能降低材料的显气孔率，有助于提高其抗水化性能。加入高其抗水化性能。加入 Na2ONa2O 时，由于时，由于 Na2ONa2O 挥发时产生的氧促进了挥发时产生的氧促进了AlAl 的氧化，抑制了的氧化，抑制了 Al4C3Al4C3 和和 AINAIN 的生成，显著改善了材料的抗水化的生成，显著改善了材料的抗水化性能。性能。

杨丁熬等研究表明，杨丁熬等研究表明， MgMg 与与 AlAl之比为之比为 1:11:1 时材料的水化速度最小；并时材料的水化速度最小；并提出控制水化的措施如下：①采用浸油隔开水汽；②低于提出控制水化的措施如下：①采用浸油隔开水汽；②低于 33℃33℃ 干燥干燥处存放。处存放。

有国外研究者加入有国外研究者加入 Mg-BMg-B 合金时，高温会生成合金时，高温会生成 A-B-CA-B-C 系矿物，提高了系矿物，提高了材料的抗氧化性，同时抑制了材料的抗氧化性，同时抑制了 Al4C3Al4C3 的生成，还有助于其改善抗水化的生成，还有助于其改善抗水化性。高温时若性。高温时若 Al4C3Al4C3 与与 SiCSiC 反应生成反应生成 Al4SiC4Al4SiC4 ，可同时提高材料的，可同时提高材料的抗水化性和抗氧化性。抗水化性和抗氧化性。

1414

金属金属 SiSi 复合耐火材料复合耐火材料

北京科技大学卫文东等人研究了金属北京科技大学卫文东等人研究了金属 SiSi 复合复合 Al2O3-SiCAl2O3-SiC 耐火材料。耐火材料。 提出塑性成型的原理：提出塑性成型的原理： 无机材料颗粒为硬颗粒，金属为软颗粒，在成型压力作用下，金属无机材料颗粒为硬颗粒，金属为软颗粒，在成型压力作用下，金属颗粒发生塑性变形，在相同成型压力下，塑性成型的砖坯的组织结构颗粒发生塑性变形，在相同成型压力下，塑性成型的砖坯的组织结构更为致密，提高了干坯的密度和强度，改善了无机材料的脆性。更为致密，提高了干坯的密度和强度，改善了无机材料的脆性。

塑性成型工艺示意图

1515

金属塑性相可以改善材料的断裂韧性，结果如图所示，其原因为金属塑性相可以改善材料的断裂韧性，结果如图所示，其原因为 ::

① ① 金属金属 SiSi 起到颗粒弥散增韧作用起到颗粒弥散增韧作用 ;;

② ② 当裂纹尖端抵达塑性相时，其应力将被吸收，阻止了裂纹继续扩展，当裂纹尖端抵达塑性相时，其应力将被吸收，阻止了裂纹继续扩展，提高了材料的断裂能。提高了材料的断裂能。

Si-Al2O3-SiC 和 Al2O3-SiC 复合材料的载荷 - 变形曲线

1616

金属金属 FeFe 复合复合 Si3N4-MgOSi3N4-MgO 耐火材料耐火材料

北京科技大学林文俊等人研究了“金属北京科技大学林文俊等人研究了“金属 FeFe 复合复合 Si3N4-MgOSi3N4-MgO 耐火材耐火材料”。料”。 FeFe 能够能够 FeFe 在烧结材料中存在形态：在烧结材料中存在形态：

11 ）埋粉烧结试样中，）埋粉烧结试样中， FeFe 以单质存在，对材料起助烧作用。在烧结以单质存在，对材料起助烧作用。在烧结时 时 FeFe 或或 FeOxFeOx 的溶体中溶解氮化硅，然后重结晶为针状晶体，大幅的溶体中溶解氮化硅，然后重结晶为针状晶体，大幅度提高高温抗折强度。度提高高温抗折强度。

22 ）烧结时形成）烧结时形成 Fe2O3Fe2O3 或或 FeOFeO ，在高温下，在高温下 MgOMgO 吸收吸收 FeFe 的氧化物形的氧化物形成铁酸镁，冷却时析出，可以改善镁砂的性能。成铁酸镁，冷却时析出，可以改善镁砂的性能。

FeFe 的作用：提高坯体致密度，增加坯体强度；助烧剂，将难烧结的的作用：提高坯体致密度，增加坯体强度；助烧剂，将难烧结的Si3N4-MgOSi3N4-MgO 系颗粒黏结起来；烧结时液化和氧化，能提高材料体积系颗粒黏结起来；烧结时液化和氧化，能提高材料体积密度，降低气孔率，从而提高耐压强度和高温抗折强度。提高了抗渣密度，降低气孔率，从而提高耐压强度和高温抗折强度。提高了抗渣侵蚀性能。侵蚀性能。

1717

金属塑性过渡相复合耐火材料金属塑性过渡相复合耐火材料

洪彦若等将金属过渡相工艺的思想应用到耐火材料中，认为金属洪彦若等将金属过渡相工艺的思想应用到耐火材料中，认为金属

相在材料中不但起到塑性相作用，诸如塑性成型、助烧、增韧等，而相在材料中不但起到塑性相作用，诸如塑性成型、助烧、增韧等，而

且在烧结时进一步与其中的化合物或周围气体作用，即发生原位反应，且在烧结时进一步与其中的化合物或周围气体作用，即发生原位反应，

生成新的非氧化物增强相，从而提高了材料的性能。生成新的非氧化物增强相，从而提高了材料的性能。

过渡塑性相工艺示意图

1818

近年来，原位反应技术引起耐火材料界的广泛兴趣。近年来，原位反应技术引起耐火材料界的广泛兴趣。 W.E. LeeW.E. Lee 将将

耐火材料中的原位反应分为耐火材料中的原位反应分为 44 种类型：氧化物体系中生成莫来石和尖种类型：氧化物体系中生成莫来石和尖

晶石的反应，氧氮化物体系中生成赛隆的反应及碳结合体系中的反应。晶石的反应，氧氮化物体系中生成赛隆的反应及碳结合体系中的反应。

原位反应生成新的结合相，一般都伴随有体积膨胀，因此合理控制原原位反应生成新的结合相，一般都伴随有体积膨胀，因此合理控制原

位反应，可优化材料的结构和性能。位反应，可优化材料的结构和性能。

涂军波等研究指出：涂军波等研究指出： SiSi 复合刚玉复合刚玉 -- 氮化硅材料经埋碳烧结后，氮化硅材料经埋碳烧结后， SiSi 原原位反应生成位反应生成 SialonSialon 和和 SiCSiC ，使材料结构致密，并提高其抗侵蚀性能。，使材料结构致密，并提高其抗侵蚀性能。AlAl 复合刚玉复合刚玉 -- 氮化硅材料在空气中烧结后氮化硅材料在空气中烧结后 AlAl 原位氧化生成活性较大原位氧化生成活性较大的氧化铝，与氮化硅氧化生成的氧化硅继续反应，生成了针柱状的莫的氧化铝，与氮化硅氧化生成的氧化硅继续反应，生成了针柱状的莫来石晶体，可以起到补强增韧作用。来石晶体，可以起到补强增韧作用。

1919

刘国齐等将刘国齐等将 A1203-Al/Si-CA1203-Al/Si-C 材料在材料在 1200℃1200℃ 氮化热处理后，部分硅粉氮化热处理后，部分硅粉

反应生成纤维状反应生成纤维状 -SiC-SiC 、、 SiSixxNN 和粒状和粒状 Si2N2OSi2N2O ，铝粉转化为粒状的，铝粉转化为粒状的 AA

ININ 和和 Al2OCAl2OC ，材料的常温和高温抗折强度、热膨胀系数、抗氧化性，材料的常温和高温抗折强度、热膨胀系数、抗氧化性

随硅或铝的增加而增加；在添加量相同的情况下，加铝粉的试样比加随硅或铝的增加而增加；在添加量相同的情况下，加铝粉的试样比加

硅粉的试样具有较高的高温强度，较低的常温强度、抗氧化指数和热硅粉的试样具有较高的高温强度，较低的常温强度、抗氧化指数和热

膨胀系数；部分铝粉转化为水化程度较小的膨胀系数；部分铝粉转化为水化程度较小的 AINAIN 和和 Al2OCAl2OC ，减轻了，减轻了

埋碳热处理后因生成大量埋碳热处理后因生成大量 Al4C3Al4C3 而产生严重水化的现象。而产生严重水化的现象。

2020

岳卫东等研究表明： 岳卫东等研究表明： Al2O3-Al-CAl2O3-Al-C 材料在埋碳加热过程中，材料在埋碳加热过程中， AlAl 不仅能不仅能促进烧结，并原位反应生成纤维状促进烧结，并原位反应生成纤维状 Al4C3Al4C3 和和 AINAIN ，提高了材料的高，提高了材料的高温强度。温强度。

阮国志等研究表明：在空气中加热阮国志等研究表明：在空气中加热 Al2O3-SiC-AlAl2O3-SiC-Al 复合材料时，其结复合材料时，其结合方式由物理结合逐渐转变为金属结合为主，高温时合方式由物理结合逐渐转变为金属结合为主，高温时 AlAl 原位反应生原位反应生成成 Al4C3Al4C3 和和 AINAIN ，形成陶瓷结合，从而提高了材料的强度。，形成陶瓷结合，从而提高了材料的强度。

王玺堂等将王玺堂等将 Al2O3-MgO-AlAl2O3-MgO-Al 混合粉在混合粉在 1600℃1600℃ 下氮化烧结，获得了致下氮化烧结，获得了致密的密的 MgAlONMgAlON 材料。材料。

杨道媛等将杨道媛等将 Al2O3-MgAlON-AlAl2O3-MgAlON-Al 材料经材料经 1600℃1600℃ 氮化烧结，制备了具氮化烧结，制备了具有较好高温机械性能的有较好高温机械性能的 Al2O3-MgAIONAl2O3-MgAION 复合材料。复合材料。

2121

Al/SiAl/Si 复合复合 Al2O3-CAl2O3-C 耐火材料耐火材料郑州大学高温所石凯博士系统研究了郑州大学高温所石凯博士系统研究了 Al/SiAl/Si 复合复合 Al2O3-CAl2O3-C 耐火材料，得出以下结论：耐火材料，得出以下结论：1) 8%Al1) 8%Al 复合复合 A12O3-CA12O3-C 材料，在埋碳加热过程可分为以下四个阶段材料，在埋碳加热过程可分为以下四个阶段 ::

(1) 600~800 (℃(1) 600~800 (℃ 低温阶段低温阶段 )) ：金属铝熔化，填充孔隙，显气孔率由：金属铝熔化，填充孔隙，显气孔率由 14.3%14.3% 降低为降低为11.2%11.2% ，常温抗折强度由，常温抗折强度由 9.4MPa9.4MPa 提高到提高到 14.2MPa14.2MPa ，高温抗折强度由，高温抗折强度由 8.3MPa8.3MPa增加到增加到 12.7Mpa12.7Mpa 。。

(2) 800~1200 (℃(2) 800~1200 (℃ 中温阶段中温阶段 )) ：在埋碳条件下，：在埋碳条件下， AlAl 与与 CC 反应生成反应生成 Al4C3Al4C3 ，随着温，随着温度升高度升高 Al4C3Al4C3 含量增多；少量的含量增多；少量的 AlAl 与与 N2N2 反应生成反应生成 AINAIN 。。 Al4C3Al4C3 和和 AINAIN填充填充在刚玉骨架结构中，使显气孔率降低为在刚玉骨架结构中，使显气孔率降低为 9.8%9.8% ，常温抗折强度大幅度提高到，常温抗折强度大幅度提高到 28.28.0MPa0MPa ，高温抗折强度显著增加达，高温抗折强度显著增加达 28.7MPa28.7MPa 。。

(3) 1200~1400(3) 1200~1400ooC(C( 高温阶段高温阶段 )) ：： AIAI消失，部分消失，部分 Al4C3Al4C3 与与 N2N2 反应转化为反应转化为 AINAIN ，， AlAlNN 和和 Al4C3Al4C3填充到刚玉骨架结构中形成非氧化物结合，起强化作用，常温抗折填充到刚玉骨架结构中形成非氧化物结合，起强化作用，常温抗折强度达到强度达到 32.9MPa32.9MPa ，高温抗折强度达到，高温抗折强度达到 30.3MPa30.3MPa 。。

(4) 1400~1600 (℃(4) 1400~1600 (℃ 高温阶段高温阶段 )) ：： AINAIN 和和 Al4C3Al4C3晶体发育长大，使材料保持较高的晶体发育长大，使材料保持较高的常温和高温强度，并观察到少量的常温和高温强度，并观察到少量的 AlAlxxCOCOyyNNzz 。。

2222热处理温度与常温抗折强度的关系

热处理温度与线变化率的关系 热处理温度与体积密度、气孔率关系

试样的 MOR-T曲线

2323

2) AI/Si2) AI/Si 复合复合 Al2O3-CAl2O3-C 材料的抗折强度材料的抗折强度 -- 温度关系特征为：低温阶段随温度关系特征为：低温阶段随温度升高材料的强度降低，中温阶段其强度显著增加，高温阶段材料温度升高材料的强度降低，中温阶段其强度显著增加，高温阶段材料的强度继续增加，只是增加的幅度减小，的强度继续增加，只是增加的幅度减小， 1400℃1400℃ 材料的抗折强度高材料的抗折强度高达达 29.4~39.8MPa29.4~39.8MPa 。它们在不同温度时的应力。它们在不同温度时的应力 -- 应变关系特征为：低应变关系特征为：低温就呈现塑性状态，一直到温就呈现塑性状态，一直到 1400℃1400℃ 仍处于塑性变形范围，未观察到仍处于塑性变形范围，未观察到粘滞流动的出现。粘滞流动的出现。

试样在不同温度下的抗折强度

2424

3) AI3) AI粉的加入量从粉的加入量从 5%5% 增加到增加到 11%11% ，材料，材料 1400℃1400℃ 的抗折强度从的抗折强度从 21.521.5MPaMPa 提高到提高到 30.3MPa30.3MPa ，△，△ T=1200℃T=1200℃ 热震后的残余强度保持率由热震后的残余强度保持率由 5555%% 增加到增加到 71%71% ，抗氧化性随着，抗氧化性随着 AlAl 含量的增加而改善。在含量的增加而改善。在 8%Al8%Al 的基的基础上加入础上加入 1.5~3%1.5~3% 的的 SiSi粉，材料粉，材料 1400℃1400℃ 的抗折强度进一步明显提高，的抗折强度进一步明显提高，最高达到近最高达到近 40MPa40MPa ；△；△ T=1200℃T=1200℃ 的抗热震性基本没有变化，其残的抗热震性基本没有变化，其残余强度保持率为余强度保持率为 66~68%66~68% ；加入；加入 SiSi 形成致密的氧化层结构，明显提形成致密的氧化层结构，明显提高了抗氧化性。高了抗氧化性。

试样在不同温度下的抗折强度 试样的残余强度及强度保持率

2525

4) AI/Si4) AI/Si 复合复合 Al2O3-CAl2O3-C 材料的显微结构特征为：常温时材料的结合方式材料的显微结构特征为：常温时材料的结合方式

是碳结合，低温阶段以金属结合为主，中温阶段由金属结合逐渐向非是碳结合，低温阶段以金属结合为主，中温阶段由金属结合逐渐向非

氧化物结合转变，高温时形成非氧化物结合。在加热过程中氧化物结合转变，高温时形成非氧化物结合。在加热过程中 AI/SiAI/Si 与与

CC 、、 N2N2 原位反应生成非氧化物，填充在刚玉骨架结构中，起到增强原位反应生成非氧化物，填充在刚玉骨架结构中，起到增强

增韧作用，使材料具有较好的高温机械性能。增韧作用，使材料具有较好的高温机械性能。

2626

5) 5) 采用低温烧成工艺，研制了低碳采用低温烧成工艺，研制了低碳 Al/SiAl/Si 结合结合 Al2O3-CAl2O3-C （（ MASMAS）滑板制品。）滑板制品。该滑板与高温烧成的该滑板与高温烧成的 Al2O3-CAl2O3-C （（ ACAC ）和）和 Al2O3-ZrO2-CAl2O3-ZrO2-C （（ AZCAZC ）质滑）质滑板相比，碳含量由板相比，碳含量由 8~11%8~11% 降到了降到了 3~5%3~5% ；； 1400℃1400℃ 的高温抗折强度提高的高温抗折强度提高了了 50%50% ，达到，达到 43MPa43MPa ；△；△ T=1200℃T=1200℃ 热震热震 33 次后的强度保持率由次后的强度保持率由 47~547~5

6%6% 提高到提高到 69%69%；具有较好的抗氧化性能。；具有较好的抗氧化性能。 AI/SiAI/Si 结合结合 Al2O3-CAl2O3-C 滑板连续使用次数高于烧成的滑板连续使用次数高于烧成的 Al2O3-CAl2O3-C 滑板，与滑板，与

Al2O3-ZrO2-CAl2O3-ZrO2-C 滑板相当。用后滑板的扩孔均匀，拉毛较少，裂纹微细。滑板相当。用后滑板的扩孔均匀，拉毛较少，裂纹微细。

滑板在不同温度下的抗折强度 滑板的残余强度保持率

2727

6) 6) 对用后残砖进行剖析，结果表明，滑板在使用时的损毁过程为：表对用后残砖进行剖析，结果表明，滑板在使用时的损毁过程为：表

面工作层中的非氧化物首先被氧化，导致结构疏松，强度降低，在铸面工作层中的非氧化物首先被氧化，导致结构疏松，强度降低，在铸

孔处由于高温钢水冲刷引起铸孔扩大，在滑动面处因机械摩擦造成滑孔处由于高温钢水冲刷引起铸孔扩大，在滑动面处因机械摩擦造成滑

动面拉毛。动面拉毛。

用有限元模拟分析了滑板在使用条件下的温度场和应力场，结果表用有限元模拟分析了滑板在使用条件下的温度场和应力场，结果表

明明 :: 滑板在使用过程中产生的热应力主要决定于其初始温度，根据应滑板在使用过程中产生的热应力主要决定于其初始温度，根据应

力分布情况可以优化滑板结构。力分布情况可以优化滑板结构。

2828