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鋼纖維種類對莫來石-碳化硅澆注料性能的影響 | 技術(shù)前沿
01、前言概述
以純鋁酸鈣水泥為結(jié)合劑，鋼纖維以體積分?jǐn)?shù)為2%外加，按照表1中所示的配方，將鋼纖維與原料混合均勻后澆注成含鋼纖維的莫來石-碳化硅澆注料。研究鋼纖維種類(熔抽彎月型、剪切平直型、壓痕波浪型、冷拔端勾型)對莫來石-碳化硅澆注料性能的影響。不同種類的鋼纖維特性如表3.3所示。
表1 試驗(yàn)配方
表2鋼纖維特性
02、常規(guī)物理性能
圖1鋼纖維種類對材料顯氣孔率的影響，圖2鋼纖維種類對材料體積密度的影響
試樣經(jīng)1000℃熱處理后的顯氣孔率和體積密度如圖1、2所示。可以看出，添加不同種類鋼纖維的試樣顯氣孔率和體積密度各異，冷拔端勾型鋼纖維試樣的體積密度最大，熔抽彎月型鋼纖維試樣次之，其試樣顯氣孔率從大到小的鋼纖維種類依次為：壓痕波浪型>剪切平直型>熔抽彎月型>冷拔端勾型。
這是因?yàn)橥ㄟ^冷拔法制備的冷拔端勾型鋼纖維呈圓柱狀，其橫截面為圓形，對試樣澆注成型過程中的流動性影響最小，其試樣致密度最高;通過熔抽法制備的熔抽彎月型鋼纖維的橫截面為半圓形，對試樣澆注成型過程中的流動性影響略大于冷拔端勾型鋼纖維;而通過剪切法和壓痕法制備的剪切平直型鋼纖維和壓痕波浪型鋼纖維呈癟平狀，尤其壓痕波浪型鋼纖維具有凹凸不平的波浪特征，對試樣澆注成型過程中的流動性影響較大，其試樣顯氣孔率較高。
圖3鋼纖維種類對材料常溫抗折強(qiáng)度的影響，圖4鋼纖維種類對材料常溫耐壓強(qiáng)度的影響
試樣經(jīng)1000℃熱處理后的常溫抗折強(qiáng)度和常溫耐壓強(qiáng)度如圖3、4所示?？梢钥闯?，熔抽彎月型鋼纖維試樣的常溫抗折強(qiáng)度最高，為20.1MPa，冷拔端勾型鋼纖維試樣次之，壓痕波浪型鋼纖維試樣和剪切平直型鋼纖維試樣的常溫抗折強(qiáng)度較小。這是因?yàn)椴捎萌鄢榉ㄖ苽涞娜鄢閺澰滦弯摾w維表面較為粗糙，與澆注料基體有較強(qiáng)的咬合力，其增韌效果最好;雖然采用冷拔法制備的冷拔端勾型鋼纖維表面較為光滑，但其兩端呈勾型，能對澆注料基體呈較好的錨固作用，其增韌效果較好。
試樣常溫耐壓強(qiáng)度從大到小的鋼纖維種類為：冷拔端勾型>熔抽彎月型>壓痕波浪型>剪切平直型。這是因?yàn)槔浒味斯葱弯摾w維澆注料的體積密度最大，能承受的耐壓強(qiáng)度最大。
03、高溫抗折強(qiáng)度
從圖5可以看出，試樣在1000℃的高溫抗折強(qiáng)度從大到小的鋼纖維種類為：熔抽彎月型﹥冷拔端勾型﹥壓痕波浪型﹥剪切平直型。這是因?yàn)槿鄢閺澰滦弯摾w維的耐熱溫度為1400℃，在1000℃時(shí)具有較好的增韌效果;雖然冷拔法、剪切法和壓痕法制備的鋼纖維耐熱溫度只有1000℃，但其試樣的1000℃高溫抗折強(qiáng)度依然較高，尤其是冷拔端勾型鋼纖維試樣的1000℃高溫抗折強(qiáng)度達(dá)13.2MPa，與熔抽彎月型鋼纖維試樣非常接近。
圖5鋼纖維種類對材料高溫抗折強(qiáng)度的影響
04、熱震穩(wěn)定性
從圖6、7可以看出，經(jīng)熱震5次后，熔抽彎月型鋼纖維試樣的殘余抗折強(qiáng)度最高，為14.8MPa;冷拔端勾型鋼纖維試樣的抗折強(qiáng)度保持率最大，為76.5%;剪切平直型和壓痕波浪型鋼纖維試樣的殘余抗折強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度保持率都較低。
圖6 鋼纖維種類對材料殘余抗折強(qiáng)度的影響，圖7 鋼纖維種類對抗折強(qiáng)度保持率的影響
05、耐磨性能
圖8 不同種類鋼纖維對材料耐磨性能的影響
從圖8可以看出，經(jīng)1000℃熱處理后的試樣磨損量從小到大的鋼纖維種類為：熔抽彎月型<冷拔端勾型<剪切平直型<壓痕波浪型。
這說明表面粗糙的熔抽彎月型鋼纖維能緊密地粘結(jié)澆注料基質(zhì)，有效地減少沖刷過程中基質(zhì)的剝落，具有最好的耐磨性能;冷拔端勾型鋼纖維與基體材料具有較強(qiáng)的錨固作用，以及試樣致密度最高，使得其試樣耐磨性能較好;相反，剪切平直型和壓痕波浪型鋼纖維由于表面較光滑，其試樣致密度較低，在磨損介質(zhì)沖刷過程中試樣的基質(zhì)及顆粒容易剝落，耐磨性相對較差。
06、顯微結(jié)構(gòu)分析
(a)熔抽彎月型(b)冷拔端勾型(c)剪切平直型
圖9 不同種類鋼纖維對試樣顯微結(jié)構(gòu)的影響
圖9給出了不同種類鋼纖維試樣在1000℃熱處理后的顯微結(jié)構(gòu)照片?？梢钥闯?，熔抽彎月型鋼纖維的橫截面呈彎月型，與耐火材料的接觸面較大，而且表面凹凸不平的鋼纖維與試樣基質(zhì)存在著機(jī)械咬合作用，鋼纖維與試樣緊密粘結(jié)在一起，這就是熔抽彎月型鋼纖維能顯著提高莫來石-碳化硅澆注料的強(qiáng)度和熱震穩(wěn)定性的原因;冷拔端勾型鋼纖維與剪切平直型鋼纖維的表面較為光滑，但這兩種鋼纖維含有碳元素，經(jīng)1000℃燒后，鋼纖維中碳元素滲透到澆注料基體中，形成較為緊密的結(jié)合層。
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