BaSO4添加劑對澆注料性能的影響

本章研究了BaSO4加入量對澆注料線變化率、顯氣孔率、體積密度、常溫抗折強度、常溫耐壓強度、熱態抗折強度、導熱系數、抗熱震性能、抗侵蝕性能的影響。

經900℃和1200℃燒后，所有試樣均有不同程度的收縮。隨著處理溫度的升高，試樣收縮增加，1200℃處理后的試樣收縮最大。隨著BaSO4加入量的增加，試樣收縮減小，1200℃處理后Ba6試樣收縮最小，為0.1%。

圖1為BaSO4加入量對試樣顯氣孔率(AP)和體積密度(BD)的影響?？梢钥闯?，110℃干燥后試樣的顯氣孔率最小，900℃處理后顯氣孔率增加約2-4%，1200℃燒后顯氣孔率變化不大，稍有增加。即隨著處理溫度的增加，結合水排出，試樣的顯氣孔率增加，但由于處理溫度越高試樣的收縮越大，導致試樣的體積密度先減小后增加。

隨著BaSO4加入量的增加，試樣的顯氣孔率增加，體積密度減小。Ba2試樣的顯氣孔率最小，體積密度最大，900℃處理后分別為17.7%和2.94g/cm3。

圖2為BaSO4加入量對澆注料常溫抗折強度(CMOR)和常溫耐壓強度(CCS)的影響。從圖中可以看出，當BaSO4加入量為0或較低時(1%)，試樣的常溫抗折和耐壓強度均隨處理溫度的升高而增大;但當BaSO4加入量較高時(2-6%)，高溫下BaSO4與耐材中Al2O3和SiO2反應生成鋇長石和富含鋇的液相，導致試樣的常溫強度隨處理溫度的升高先增大后減小。

加入量對110℃干燥后試樣的強度影響較小。但經900℃和1200℃處理后，隨著BaSO4加入量的增加，產生的液相量較多，導致試樣的常溫強度逐漸減小，Ba6試樣的耐壓強度最小，為41-68MPa，Ba1試樣的常溫抗折強度最大，1200℃處理后可達12.1MPa。

為檢測BaSO4加入量對澆注料抗熱震性能的影響，測量經1100℃水冷3次后試樣的殘余抗折強度和抗折強度保持率，結果如圖3所示。整體看來，熱震后所有試樣的殘余抗折強度集中在2.6-5.0MPa之間。隨著BaSO4加入量的增加，高溫下生成富含鋇的液相量增加，試樣的殘余抗折強度減小，Ba4和Ba6試樣的殘余抗折強度最小，為2.6-3.2MPa?？拐蹚姸缺３致孰SBaSO4加入量的增加先減小后增加，Ba1試樣的抗折強度保持率最小，為35%;900℃處理后Ba1、Ba2、Ba4試樣的抗折強度保持率較低，可能是因為經1100℃熱震3次后，試樣中的液相量增加，抗折強度大幅度降低。

圖4為BaSO4加入量對澆注料熱態抗折強度的影響?？梢钥闯?，隨著處理溫度的升高，試樣的熱態抗折強度先增大后減小，當BaSO4加入量超過2%時，1200℃燒后試樣的熱態抗折強度低于干燥后試樣，這可能是因為BaSO4含量較高，高溫下產生的液相較多，熱態抗折強度減小。

隨著BaSO4加入量的增加，干燥后試樣的熱態抗折強度呈增大趨勢，而燒后試樣的熱態抗折強度逐漸減小。經900℃和1200℃處理后的Ba6試樣的熱態抗折強度最小，約為9.5MPa，與未加BaSO4試樣相比(19.5MPa)，熱態抗折強度降低了51.3%?？梢?，BaSO4加入量較多時(4%和6%)，試樣的常溫強度、熱震后殘余抗折強度和熱態強度均大幅度降低。

BaSO4加入量對澆注料導熱系數的影響如圖5所示，可以看出，850℃時試樣的導熱系數約為0.94-1.12W/m·K，1000℃時試樣的導熱系數增大，約為1.04-1.32W/m·K。隨著BaSO4加入量的增加，試樣的導熱系數先增加后減小，與圖1(a)中試樣的顯氣孔率變化趨勢相反，即顯氣孔率較大的試樣導熱系數小。Ba6試樣顯氣孔率最大，導熱系數最小，1000℃時導熱系數為1.041W/m·K。

為研究BaSO4對澆注料物相組成的影響，對900℃和1200℃處理后試樣進行XRD分析，結果如圖6所示，可以看出，試樣的主晶相為剛玉和莫來石。

隨著BaSO4加入量的增加，圖6(a)和(b)中莫來石的衍射峰逐漸減弱，說明BaSO4的加入減少了材料中莫來石的含量，BaSO4含量6%的試樣經1200℃燒后，其XRD圖譜中已全無莫來石衍射峰。對比圖6(a)和(b)，可知隨著處理溫度的升高，試樣中莫來石含量逐漸減少。出現這種現象的原因是，高溫下BaSO4與耐火材料中的Al2O3和SiO2反應生成鋇長石和富含鋇的液相，從而減少了基質中游離的SiO2和莫來石。

BaSO4試樣經1200℃處理后的SEM照片如圖7所示，圖7(a)中1和2處能譜分析如表2所示，可以看出，材料中含量最多的是不規則粒狀晶體結構的燒結Al2O3，直徑約為2-3μm。1和2處主要成分為Al2O3，其次還含有少量SiO2和CaO。由物相分析(圖6)可知顆粒狀物質為剛玉。整體看來，隨著BaSO4加入量的增加，試樣中主晶相剛玉顆粒有長大趨勢，顆粒之間結合緊密，氣孔尺寸增大。

坩堝試樣經900℃×3h燒后，坩堝內放置6063#鋁合金約120g，放入馬弗爐內在850℃下保溫72h，保溫結束后取出，可見試樣外表面完整，沿坩堝軸線切開后，觀察并對比各試樣的侵蝕情況，如圖8所示，試樣的侵蝕率如表3所示。

從圖8中可以看出，加入BaSO4以后，坩堝試樣的抗侵蝕性能明顯提高，當BaSO4加入量為1%時，侵蝕率由不加BaSO4試樣的5.10%降低到3.75%;當BaSO4加入量≥2%時，坩堝試樣均無肉眼可見的侵蝕。

BaSO4在鋁硅系澆注料中的作用已經被研究過，材料性能的變化主要歸功于鋇長石的形成，高溫下BaSO4與試樣中的Al2O3和SiO2反應生成熔點較低(1150℃±20℃)的鋇長石(BaAl2Si2O8)和富含鋇的液相，減少試樣中SiO2的含量，提高材料的抗侵蝕性能。但當預燒溫度>1000℃時，鋇長石分解，導致材料的抗侵蝕性能降低。

(1)從XRD圖譜可知，隨著BaSO4加入量的增加，試樣中莫來石含量逐漸降低，1200℃處理后Ba6試樣中已經完全沒有莫來石衍射鋒。這是因為，高溫下BaSO4與試樣中的Al2O3和SiO2生成鋇長石(BaAl2Si2O8)和富含鋇的液相，降低了基質中與鋁合金熔液反應的SiO2和莫來石的含量，材料的抗侵蝕性能顯著提高。加入1.0%BaSO4后，坩堝試樣的侵蝕率從5.10%降低到3.75%;BaSO4加入量≥2%時，坩堝試樣均無肉眼可見侵蝕。

(2)隨著BaSO4加入量的增加，試樣的收縮減小、顯氣孔率增加、體積密度減小、導熱系數減小。1200℃處理后Ba6試樣收縮最小、顯氣孔率最大，分別為0.095%、21%，1000℃時導熱系數也最小，為1.041W/m·K。BaSO4加入量較高時，產生的液相較多，對材料的強度影響較大。隨著BaSO4加入量的增加，試樣的常溫強度、熱態抗折強度、熱震后殘余抗折強度均減小，1200℃處理后Ba6試樣的熱態抗折強度比Ba0試樣降低了51.3%。

(3)BaSO4加入量較小時，材料的抗侵蝕性能較差;BaSO4加入量較大時，高溫下產生液相較多，材料的強度減小。此外，當處理溫度>1000℃時，生成的鋇長石會分解，使材料的抗侵蝕性能降低。整體看來，BaSO4最佳加入量為2%，最佳處理溫度為900℃。