BaSO4添加剂对浇注料性能的影响

本章研究了BaSO4加入量对浇注料线变化率、显气孔率、体积密度、常温抗折强度、常温耐压强度、热态抗折强度、导热系数、抗热震性能、抗侵蚀性能的影响。

经900℃和1200℃烧后，所有试样均有不同程度的收缩。随着处理温度的升高，试样收缩增加，1200℃处理后的试样收缩最大。随着BaSO4加入量的增加，试样收缩减小，1200℃处理后Ba6试样收缩最小，为0.1%。

图1为BaSO4加入量对试样显气孔率(AP)和体积密度(BD)的影响。可以看出，110℃干燥后试样的显气孔率最小，900℃处理后显气孔率增加约2-4%，1200℃烧后显气孔率变化不大，稍有增加。即随着处理温度的增加，结合水排出，试样的显气孔率增加，但由于处理温度越高试样的收缩越大，导致试样的体积密度先减小后增加。

随着BaSO4加入量的增加，试样的显气孔率增加，体积密度减小。Ba2试样的显气孔率最小，体积密度最大，900℃处理后分别为17.7%和2.94g/cm3。

图2为BaSO4加入量对浇注料常温抗折强度(CMOR)和常温耐压强度(CCS)的影响。从图中可以看出，当BaSO4加入量为0或较低时(1%)，试样的常温抗折和耐压强度均随处理温度的升高而增大;但当BaSO4加入量较高时(2-6%)，高温下BaSO4与耐材中Al2O3和SiO2反应生成钡长石和富含钡的液相，导致试样的常温强度随处理温度的升高先增大后减小。

加入量对110℃干燥后试样的强度影响较小。但经900℃和1200℃处理后，随着BaSO4加入量的增加，产生的液相量较多，导致试样的常温强度逐渐减小，Ba6试样的耐压强度最小，为41-68MPa，Ba1试样的常温抗折强度最大，1200℃处理后可达12.1MPa。

为检测BaSO4加入量对浇注料抗热震性能的影响，测量经1100℃水冷3次后试样的残余抗折强度和抗折强度保持率，结果如图3所示。整体看来，热震后所有试样的残余抗折强度集中在2.6-5.0MPa之间。随着BaSO4加入量的增加，高温下生成富含钡的液相量增加，试样的残余抗折强度减小，Ba4和Ba6试样的残余抗折强度最小，为2.6-3.2MPa。抗折强度保持率随BaSO4加入量的增加先减小后增加，Ba1试样的抗折强度保持率最小，为35%;900℃处理后Ba1、Ba2、Ba4试样的抗折强度保持率较低，可能是因为经1100℃热震3次后，试样中的液相量增加，抗折强度大幅度降低。

图4为BaSO4加入量对浇注料热态抗折强度的影响。可以看出，随着处理温度的升高，试样的热态抗折强度先增大后减小，当BaSO4加入量超过2%时，1200℃烧后试样的热态抗折强度低于干燥后试样，这可能是因为BaSO4含量较高，高温下产生的液相较多，热态抗折强度减小。

随着BaSO4加入量的增加，干燥后试样的热态抗折强度呈增大趋势，而烧后试样的热态抗折强度逐渐减小。经900℃和1200℃处理后的Ba6试样的热态抗折强度最小，约为9.5MPa，与未加BaSO4试样相比(19.5MPa)，热态抗折强度降低了51.3%。可见，BaSO4加入量较多时(4%和6%)，试样的常温强度、热震后残余抗折强度和热态强度均大幅度降低。

BaSO4加入量对浇注料导热系数的影响如图5所示，可以看出，850℃时试样的导热系数约为0.94-1.12W/m·K，1000℃时试样的导热系数增大，约为1.04-1.32W/m·K。随着BaSO4加入量的增加，试样的导热系数先增加后减小，与图1(a)中试样的显气孔率变化趋势相反，即显气孔率较大的试样导热系数小。Ba6试样显气孔率最大，导热系数最小，1000℃时导热系数为1.041W/m·K。

为研究BaSO4对浇注料物相组成的影响，对900℃和1200℃处理后试样进行XRD分析，结果如图6所示，可以看出，试样的主晶相为刚玉和莫来石。

随着BaSO4加入量的增加，图6(a)和(b)中莫来石的衍射峰逐渐减弱，说明BaSO4的加入减少了材料中莫来石的含量，BaSO4含量6%的试样经1200℃烧后，其XRD图谱中已全无莫来石衍射峰。对比图6(a)和(b)，可知随着处理温度的升高，试样中莫来石含量逐渐减少。出现这种现象的原因是，高温下BaSO4与耐火材料中的Al2O3和SiO2反应生成钡长石和富含钡的液相，从而减少了基质中游离的SiO2和莫来石。

BaSO4试样经1200℃处理后的SEM照片如图7所示，图7(a)中1和2处能谱分析如表2所示，可以看出，材料中含量最多的是不规则粒状晶体结构的烧结Al2O3，直径约为2-3μm。1和2处主要成分为Al2O3，其次还含有少量SiO2和CaO。由物相分析(图6)可知颗粒状物质为刚玉。整体看来，随着BaSO4加入量的增加，试样中主晶相刚玉颗粒有长大趋势，颗粒之间结合紧密，气孔尺寸增大。

坩埚试样经900℃×3h烧后，坩埚内放置6063#铝合金约120g，放入马弗炉内在850℃下保温72h，保温结束后取出，可见试样外表面完整，沿坩埚轴线切开后，观察并对比各试样的侵蚀情况，如图8所示，试样的侵蚀率如表3所示。

从图8中可以看出，加入BaSO4以后，坩埚试样的抗侵蚀性能明显提高，当BaSO4加入量为1%时，侵蚀率由不加BaSO4试样的5.10%降低到3.75%;当BaSO4加入量≥2%时，坩埚试样均无肉眼可见的侵蚀。

BaSO4在铝硅系浇注料中的作用已经被研究过，材料性能的变化主要归功于钡长石的形成，高温下BaSO4与试样中的Al2O3和SiO2反应生成熔点较低(1150℃±20℃)的钡长石(BaAl2Si2O8)和富含钡的液相，减少试样中SiO2的含量，提高材料的抗侵蚀性能。但当预烧温度>1000℃时，钡长石分解，导致材料的抗侵蚀性能降低。

(1)从XRD图谱可知，随着BaSO4加入量的增加，试样中莫来石含量逐渐降低，1200℃处理后Ba6试样中已经完全没有莫来石衍射锋。这是因为，高温下BaSO4与试样中的Al2O3和SiO2生成钡长石(BaAl2Si2O8)和富含钡的液相，降低了基质中与铝合金熔液反应的SiO2和莫来石的含量，材料的抗侵蚀性能显著提高。加入1.0%BaSO4后，坩埚试样的侵蚀率从5.10%降低到3.75%;BaSO4加入量≥2%时，坩埚试样均无肉眼可见侵蚀。

(2)随着BaSO4加入量的增加，试样的收缩减小、显气孔率增加、体积密度减小、导热系数减小。1200℃处理后Ba6试样收缩最小、显气孔率最大，分别为0.095%、21%，1000℃时导热系数也最小，为1.041W/m·K。BaSO4加入量较高时，产生的液相较多，对材料的强度影响较大。随着BaSO4加入量的增加，试样的常温强度、热态抗折强度、热震后残余抗折强度均减小，1200℃处理后Ba6试样的热态抗折强度比Ba0试样降低了51.3%。

(3)BaSO4加入量较小时，材料的抗侵蚀性能较差;BaSO4加入量较大时，高温下产生液相较多，材料的强度减小。此外，当处理温度>1000℃时，生成的钡长石会分解，使材料的抗侵蚀性能降低。整体看来，BaSO4最佳加入量为2%，最佳处理温度为900℃。