混合稀土氧化物对镁质耐火材料结构与性能的影响

王周福，徐自伟，张保国，王玺堂
(武汉科技大学高温陶瓷与耐火材料湖北省重点实验室，湖北武汉430081)

摘要：研究了添加Y203，的混合稀土氧化物对镁质耐火材料的烧结性、力学性能和显微结构的影响．结果表明：添加含Y203的混合稀土氧化物可以促进镁质耐火材料的烧结，提高材料的力学性能，同时改善材料的组织结构．含Y203，的混合稀土氧化物的添加，使镁质耐火材料的结合方式由硅酸盐相结台转化为高熔点的稀土硅酸盐相结合。从而导致镁质耐火材料的高温强度得到显著地提高．
关键词：镁质耐火材料；混合稀土氧化物：烧结性能；显微结构；高温强度
中圈法分类号：TB32 文献标识码：A 文章编号：1002．185X（2007)S2-373-03

 

1.前言
　　镁质耐火材料因具有耐火度高，．抗碱性渣和铁渣侵蚀能力强等特点，广泛应用于冶金、水泥等行业。但镁质耐火材料的抗热震性能较差以及高温强度低是其得到更为广泛应用的主要障碍。稀土元素具有未充满的4f电子层结构 (4fX5d0-16s2)，具有电价高，半径大、极化力强，化学性质活泼等特征，其氧化物有着特殊的优良性能，已经广泛应用于高温结构陶瓷、电子陶瓷、光学陶瓷等领域来改善材料的性能。在耐火材料领域，由于稀土氧化物均有极高的熔点(2000℃以上)，容易与其它的金属氧化物作用生成混合氧化物，从而可以有效地改善耐火材料的性能[1～4]。
　　本研究工作通过添加不同的含Y203混合稀土氧化物来改善镁质耐火材料的显微结构，以提高镁质耐火材料的高温强度。 

2实验 
2．1原料 
　　原料为电熔镁砂，其化学成分为(质量分数)MgO 96．02％；Si02 0．29％；A1203 0．10％；F0203 0．72％；CaO 0．96％；灼减1．61％。4种稀土氧化物粉末Y203、 La203、Nd203，和Ce02均为化学纯。2．2试样制备
　　实验用试样的配比如表1所示，结合剂为亚硫酸纸浆废液。泥料在湿碾机中混练好后，以150MPa的压力压制成25mm×25 mm×l25mm的试样。试样经110℃干燥后于1600℃下保温3h进行烧成.

2．3测试 
　　对经烧成后的试样采用阿基米德排水法测定了其体积密度和显气孔率，高温抗折强度是烧后试样用三点弯曲法测定的在1400℃下的抗折强度。采用x’Pert Pro型X射线衍射仪对烧后试样进行物相分析，用PHILIPS XL-30TMP扫描电镜和EDAX-Phoemin能谱仪对试样的显微结构进行分析。

3结果与讨论
3．1材料的烧结性能 
　　表2为1600℃烧后试样的显气孔率和体积密度，从表中可以看出添加不同的台Y203的混合稀土氧化物均能降低试样的显气孔率，提高体积密度，其中以YC试样的显气孔率最小，体积密度最大。这说明添加含Y203的混合稀土氧化物能促进镁质耐火材料的烧结。这是因为化学性质括泼的稀土氧化物与镁砂基质中的杂质成分容易产生反应，生成致密的混合氧化物，进入到氧化镁晶粒之间。充当氧化镁晶粒间的结合物，导致材料基质和氧化镁晶粒间的部分气孔经过各种扩散方式而不断排出，提高了致密程度，从而有助于试样的烧结。

　　3.2高温抗弯强度 
　　表3为烧后试样的1400℃时的高温抗弯强度。从表中可以看出，与未加稀土氧化物的试样相比，添加含Y203的混合稀土氧化物的试样的高温抗弯强度得到大幅度提高。这说明混合稀土氧化物有利于提高镁质耐火材料的热态强度。这可能是因为Y203、La20、Nd203的加入导致了试样致密度的提高，增强了材料高温下的韧性：同时Y203、La20、Nd203与镁砂中的Ca0、Si02：等物质作用生成高熔点化合物[5]，这些结合物进入颗粒与颗粒或颗粒与基质之间，形成类似于颗粒弥散增韧的机制，使得Mg0颗粒间的结合强度增大。

3．3物相及显微结构分析 
　　图1是添加含Y203，的混合稀土氧化物的试样的XRD图谱，图中表明3种试样中主要成分是MgO，还有部分游离态的Y203存在于试样中，添加钇铈混合氧化物的试样中有Ce02存在。

　　烧结试样的sEM照片如图2所示。结合EDS分析可以得出，混合稀土不同程度地进入到颗粒间，镁质耐火材料的结合相由硅酸盐相转变为稀土硅酸盐相，且分布较为均匀。在添加钇铈混合稀土的试样中部分Y203在高温条件下与镁质耐火材料中的CaO、 Si02形成钇硅酸盐相，而Ce02和部分Y203以游离状态存在。在添加钇镧和钇钕混合稀土的试样中分别形成了Y-La-硅酸盐相和Y-Nd-硅酸盐相。

4结论
　　1)添加含Y203的混合稀土氧化物能够促进镁质耐火材料的烧结，使材料的致密程度提高。 
　　2)稀土氧化物与镁质耐火材料中Ca0、Si02形成稀土硅酸盐相，有效改善了镁质耐火材料的显微结构。 
　　3)由于形成了高熔点的稀土硅酸盐相，增强了材料的结合程度，极大程度地提高了镁质耐火材料的高温强度。

 

 

 【中国镁质材料网 采编：zl】