磨削工藝對(duì)擋渣滑板用鋯板顯微結(jié)構(gòu)及其性能影響*

孫春陽 曾立民 唐安山 劉利華

(湖南湘鋼瑞泰科技有限公司技術(shù)中心 湖南 湘潭 411100)

轉(zhuǎn)爐煉鋼是當(dāng)前世界范圍內(nèi)運(yùn)用最廣泛的煉鋼方法之一，得益于其冶煉效率高、產(chǎn)鋼鐵耗成本較低，同時(shí)適合各種特種鋼種的冶煉，進(jìn)而成為煉鋼冶煉方式的主流工藝[1]，而滑板擋渣技術(shù)因具有減少鋼水回磷、提高合金收得率、減少鋼中夾雜物、提高鋼水潔凈度等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用。擋渣滑板系統(tǒng)[2]迅速替代了原有的擋渣球、擋渣塞等預(yù)制件，在轉(zhuǎn)爐出鋼中起著非常重要的控流作用，但轉(zhuǎn)爐出鋼溫度較高，普通鋁碳質(zhì)滑板因脫碳氧化導(dǎo)致其使用壽命不長(zhǎng)[3-4]。

氧化鋯材料具有良好的力學(xué)性能、高熔點(diǎn)和化學(xué)穩(wěn)定性好等特性，對(duì)許多金屬熔液和爐渣具有較強(qiáng)抗侵蝕性[5-6]。但是氧化鋯原料價(jià)格昂貴，氧化鋯制品加工工藝復(fù)雜且成品率低，因此整套擋渣滑板不全部采用氧化鋯材料，通常在轉(zhuǎn)爐滑板的工作面鑲嵌尺寸大小合適的鋯板較為普遍；鱗片石墨為天然顯晶質(zhì)石墨，呈層狀結(jié)構(gòu)，具有良好導(dǎo)熱、潤(rùn)滑及耐酸堿等性能，鱗片石墨[7-8]與陶瓷晶須等這些傳統(tǒng)增韌相比較，不僅加工工藝簡(jiǎn)單，成本低廉；另外通過一定工藝處理后，鱗片石墨表面、層間會(huì)產(chǎn)生不同形式的物理化學(xué)變化[9]，產(chǎn)生“類石墨烯”微觀結(jié)構(gòu)[10-11]，對(duì)于改善復(fù)合鋯板材料脆性斷裂[12]、高溫?zé)釋?dǎo)率等綜合性能具有巨大潛力。

本文以擋渣滑板用鋯板(不同含量鱗片石墨復(fù)合含氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯粉末)作為基體材料，通過引入磨削工藝處理，針對(duì)鑲鋯板擋渣滑板致密度、力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能，對(duì)比無磨削工藝處理的鑲鋯板擋渣滑板三者變化趨勢(shì)；并研究了磨削工藝對(duì)鋯板增韌機(jī)理、微觀形貌和導(dǎo)熱性能改善的影響機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

本實(shí)驗(yàn)所用原料主要參數(shù)如表1所示：

表1 原料參數(shù)

本實(shí)驗(yàn)引入鱗片石墨(FG)、氧化釔穩(wěn)定氧化鋯(3Y-TZP)作為復(fù)合鋯板基體；其中二者含量、磨削工藝等參數(shù)如表2。首先鱗片石墨(以木質(zhì)素磺酸鈉(LS)為分散劑)在無水乙醇中超聲20 min，然后加入一定比例3Y-TZP繼續(xù)超聲15 min，將所得漿體球磨6 h，然后110 ℃*24 h干燥，得到復(fù)合粉體；將復(fù)合粉體直接在75 MPa、Ar氣氛熱壓(1 650 ℃鋯板廠家實(shí)際生產(chǎn)溫度)燒結(jié)得到70 mm×25 mm×10 mm條樣，即為復(fù)合鋯板條樣。

表2 鱗片石墨復(fù)合氧化鋯鋯板配方變化參數(shù)Table 2 Formula change parameters regime offlake graphite composite zirconia plate

采用阿基米德排水法測(cè)量復(fù)相鋯板相對(duì)密度、氣孔率；MTS Exceed E43電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)量抗折強(qiáng)度；德國(guó)耐馳LFA467激光導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量?jī)x測(cè)量熱導(dǎo)率；利用XRD進(jìn)行物相分析，通過SEM/TEM對(duì)復(fù)相鋯板進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合鋯板物相分析

圖1(a),(b),分別為1 650 ℃氣氛熱壓燒結(jié)后有、無磨削工藝處理的復(fù)合鋯板XRD圖譜。理論上穩(wěn)定型氧化鋯原料燒結(jié)不存在二次相變，但是相變的影響因素[13]包含工藝、燒結(jié)溫度和外加劑等，因此需要分別針對(duì)不同含量鱗片石墨復(fù)合氧化鋯鋯板經(jīng)過磨削工藝、Ar氣氛熱壓燒結(jié)后進(jìn)行XRD二次檢測(cè)，進(jìn)一步確定氧化鋯晶體結(jié)構(gòu)是否發(fā)生變化，進(jìn)而影響性能。

(a)

(b)

XRD衍射峰對(duì)比分析表明：引入不同含量鱗片石墨、磨削工藝，鋯板中氧化鋯特征峰沒有變化，仍為四方氧化鋯晶型，說明外加相、新工藝和高溫氣氛燒結(jié)后復(fù)合鋯板沒有發(fā)生二次相變，因此可以直接排除復(fù)合鋯板致密度、力學(xué)和熱學(xué)性能的變化是相變引起的。

2.2 磨削工藝對(duì)鱗片石墨復(fù)合鋯板顯微結(jié)構(gòu)影響

磨削工藝、球磨[14]包覆以及攪拌分離[15]處理過程中均產(chǎn)生機(jī)械剪切力，首先針對(duì)Ar氣氛1 650 ℃熱壓燒結(jié)后復(fù)合鋯板，通過SEM觀察鋯板斷面，如圖2所示，不同含量鱗片石墨(紅圈所示)散布鋯板本體中且氧化鋯晶粒分布均勻致密。

其次繼續(xù)磨削工藝處理熱壓氣氛燒結(jié)的復(fù)合鋯板后，圖3對(duì)比磨削工藝處理后復(fù)合鋯板表面TEM圖片可知：不同含量鱗片石墨復(fù)合鋯板中鱗片石墨存在的形式仍然主要是分布在氧化鋯顆粒間或者表面，并且鱗片石墨片狀層狀結(jié)構(gòu)沒有被破壞、氧化鋯顆粒間局部出現(xiàn)細(xì)微脫落，進(jìn)而鋯板表面產(chǎn)生微氣孔；特別地，對(duì)比圖4為本實(shí)驗(yàn)所用原料鱗片石墨TEM，則磨削工藝處理后復(fù)合鋯板中片狀鱗片石墨大小尺寸、厚度發(fā)生變薄變細(xì)現(xiàn)象(依據(jù)TEM比例尺進(jìn)行換算)，產(chǎn)生了類似石墨烯的微觀結(jié)構(gòu)；

(a)0.6 wt%鱗片石墨

(b)1.2 wt%鱗片石墨

(c)1.8 wt%鱗片石墨

(d)2.4 wt%鱗片石墨

(a) 0.6wt%鱗片石墨

(b)1.2 wt%鱗片石墨

(c)1.8 wt%鱗片石墨

(d)2.4 wt%鱗片石墨

圖4 鱗片石墨(FG) 原料TEM形貌Figure 4 TEM morphology of raw material flake graphite

同時(shí)進(jìn)一步對(duì)比圖5石墨烯復(fù)合氧化鈦[16]TEM照片，可以粗略估算并確定變薄變細(xì)的鱗片石墨厚度和尺寸，同理可以直觀對(duì)比出磨削工藝處理后復(fù)合鋯板表面確定為類似石墨烯的微觀結(jié)構(gòu)。

圖5 石墨烯復(fù)合氧化鈦TEM形貌Fig.5 Graphene composite titanium oxide TEM diagram

2.3 磨削工藝對(duì)復(fù)合鋯板性能影響

相對(duì)密度、氣孔率、抗折性能和導(dǎo)熱性能變化作為衡量擋渣滑板性能優(yōu)劣的重要參數(shù)，圖6(a),(b)分別為熱壓氣氛燒結(jié)后繼續(xù)磨削工藝處理的鱗片石墨復(fù)合鋯板相對(duì)密度(Relative density)、氣孔率(porosity)、抗折強(qiáng)度(Rupture strength)及高溫?zé)釋?dǎo)率變化曲線(High temperature thermal)；

(a)

(b)

由上圖5分別為氣氛燒結(jié)后有、無磨削工藝處理的鱗片石墨復(fù)合鋯板相對(duì)密度、氣孔率、抗折強(qiáng)度和熱導(dǎo)率變化曲線走勢(shì)可以看出：隨著鱗片石墨含量提升，有磨削工藝的鋯板各個(gè)物理性能指標(biāo)相較于純氧化鋯鋯板、無磨削工藝的鋯板均整體有所增加，但達(dá)到峰值后二者均出現(xiàn)拐點(diǎn)，其中有磨削工藝處理、1.2 wt%鱗片石墨復(fù)合鋯板最致密，此處相對(duì)密度、氣孔率改善幅度最大為15%；而復(fù)合鋯板抗折強(qiáng)度、熱導(dǎo)率在1.8 wt%鱗片石墨處出現(xiàn)極值，增加幅度分別為11%、10%。這得益于外加相鱗片石墨含量較少時(shí)，如圖6(a)所示，鱗片石墨顆粒僅僅以孤島的形式分散在氧化鋯基體中，起到填充氣孔的作用；

(a)0.6 wt%鱗片石墨

(b) 1.8wt%鱗片石墨

(c) 2.4wt%鱗片石墨

隨著鱗片石墨用量進(jìn)一步增加，如圖6(b)所示，鱗片石墨開始相互橋聯(lián)，甚至局部形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步提高抗折和導(dǎo)熱性能；然而相對(duì)密度與抗折、導(dǎo)熱性能峰值出現(xiàn)在鱗片石墨不同含量處，原因在于磨削工藝作用下鱗片石墨產(chǎn)生類石墨烯結(jié)構(gòu)，不僅可以改善了復(fù)合鋯板的致密度；同時(shí)還提升了復(fù)合鋯板抗折強(qiáng)度、高溫?zé)釋?dǎo)率[17]，如圖7所示，磨削工藝處理后復(fù)合鋯板呈現(xiàn)波浪狀斷裂，緩解了脆性斷裂[18]，進(jìn)一步提高了擋渣滑板的使用壽命；然而鱗片石墨含量相對(duì)較多至2.4%時(shí)，如圖6(c)所示，會(huì)由于兩種不同材料界面不相容性，存在鱗片石墨團(tuán)聚現(xiàn)象，導(dǎo)致燒結(jié)過程中會(huì)產(chǎn)生更多氣孔，所以復(fù)合鋯板在性能最優(yōu)值之后均出現(xiàn)了急劇惡化。

圖7 鱗片石墨1.8 wt%復(fù)合鋯板斷裂曲線Fig.7 shows fracture curve of flake graphite 1.8 wt% composite zirconium plate

3 結(jié)論

1)熱壓1 650 ℃氣氛燒結(jié)后，無論有無磨削工藝處理，復(fù)合鋯板綜合物理性能均優(yōu)于純氧化鋯鋯板，尤其是擋渣滑板在高溫使用過程中，抗折性能、高溫?zé)釋?dǎo)率的提升意味著使用壽命進(jìn)一步提升；

2)引入磨削工藝?yán)^續(xù)作用于鱗片石墨復(fù)合鋯板，XRD分析顯示：外加相鱗片石墨及磨削工藝不影響氧化鋯穩(wěn)定相變化，所以影響復(fù)合材料性能變化可以排除氧化鋯晶型轉(zhuǎn)變的因素；SEM/TEM顯示：鱗片石墨層狀結(jié)構(gòu)在磨削剪切力作用下變薄變細(xì)，產(chǎn)生了類石墨烯微觀結(jié)構(gòu)，得益于石墨烯優(yōu)異的熱導(dǎo)率、高的斷裂韌性，使得磨削工藝處理的復(fù)合鋯板在相同鱗片石墨含量下綜合性能最優(yōu)；

3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：其中鱗片石墨1.2 wt%FG經(jīng)過熱壓1 650 ℃燒結(jié)后最致密，致密度達(dá)到99.8%，復(fù)合鋯板綜合性能改善機(jī)理為復(fù)合材料自身燒結(jié)致密化、外加相鱗片石墨填充氣孔；而抗折強(qiáng)度、高溫?zé)釋?dǎo)率在鱗片石墨含量1.8 wt%FG經(jīng)過熱壓1 650 ℃燒結(jié)后達(dá)到峰值，提升幅度分別達(dá)到60%和30%；磨削工藝處理后變薄變細(xì)的類石墨烯自身的優(yōu)良韌性對(duì)斷裂能量抵消、微裂紋偏轉(zhuǎn)和拔出所消耗外界更多的能量，從而延緩鋯質(zhì)材料脆性斷裂，另一方面隨著鱗片石墨含量的提升，從孤島狀逐漸形成網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)，加上碳材料的高熱導(dǎo)率，因此復(fù)合鋯板綜合性能均得到不同程度的提高；而隨著鱗片石墨含量過高至2.4%時(shí)，由于兩種材料界面不相容性，從而使得復(fù)合鋯板綜合性能急劇下降；

4)相對(duì)密度、氣孔率與抗折、導(dǎo)熱性能峰值出現(xiàn)在鱗片石墨1.2%、1.8%含量處，原因在于磨削工藝作用下鱗片石墨產(chǎn)生類石墨烯結(jié)構(gòu)，除了填充氣孔，還進(jìn)一步改善了復(fù)合鋯板的脆性斷裂、高溫?zé)釋?dǎo)率。