二氧化硅-氧化铝系耐火材料

1、职业教育材料成型与控制技术专业教学资源库铜合金铸件铸造技术课程教案SiO2-Al2O3系耐火材料制作人：刘振华陕西工业职业技术学院SiO2-Al2O3系耐火材料一、绪论 适用于石膏型的填料种类较多，但以SiO2-Al2O3系耐火材料应用较广，其中煅烧高岭土和高铝矾土类材料不但价格较低且能明显改善石膏型的性能。玻璃纤维可提高石膏型抗裂纹能力，锆英石蓄热系数大，石墨热传导率大均可弥补石膏本身热传导率小的缺陷。下面重点介绍常见填料性能特点。 SiO2-Al2O3系耐火材料除SiO2（石英、石英玻璃）、Al2O3（刚玉、工业氧化铝）外，尚有高岭土、硅线石、莫来石、高铝矾土等,如图1所示。这类材料在自然

2、界蕴藏量大，是石膏型填料的主要选择对象。这类材料中含有一定量的碱金属等氧化物及氧化铁等杂质，对石膏型的高温性能有影响。 二、二氧化硅（石英） 二氧化硅是兼有离子键和共价键结合的化合物，存有多种变体，随着温度变化而发生相变，出现各种晶型，同时伴随着体积和密度的变化。在结构上石英的主要晶型有三种：石英、鳞石英及方石英，每种晶型均有高低温转变。这些氧化硅的晶体结构均由Si-O四面体构成，每个氧原子与两个氧原子相连接。 为满足Si:O=1:2的关系，四面体互相占有顶点上的氧原子，形成在三维空间无限连接的立体架状结构。 石英各种变体在结构上的区别即在于Si-O四面体的连接方式和硅氧键键角的不同，随着温度

3、变化，它们可以有石英、鳞石英、方石英等七种晶型转化以及石英玻璃一种非晶型变体。 石英的晶型转化有两类。一是在石英某一主要晶型的各变体间快速转化，如： 此类转变仅需改变硅氧键的角度，故转化速度快。 二是在石英各主要晶型间转化，如： 此类转化晶格要在较大程度内重新组合，速度很慢，引起体积变化较大。 石英晶型转变时伴随体积变化，当-石英转变为-石英时体积增大。石英晶型转化所伴生的膨胀或收缩对石膏型性能影响较明显，尤其是-石英与-石英互相转化，因系快速转变体积突然产生膨胀或收缩，均会导致石膏型裂纹倾向增大，强度下降。 因此，石英类材料由于相变引起的体积突变，很难解决石膏型的裂纹问题，只有与其它填料 共

4、同使用才能取得良好效果。 石英系酸性耐火材料，在石膏浆体中比较稳定，与铝、铜等合计液不起化学反应，能够满足一般铸件的要求。在生产精度和光度要求高的铸件时，应选用其它材料作石膏型填料。 三、石英玻璃 用高纯石英熔融后快速冷却即可制得石英玻璃，如冷却不够快则形成-方石英。石英玻璃是介稳定的过冷熔体，具有各向同性。如表1所示，石英玻璃分透明和不透明两种，前者纯度高，由氢氧焰或电阻炉熔化、快冷而成，价格贵；后者由电极电阻炉或电弧炉熔化快冷而成，纯度低，价格低，是石膏型填料的选用对象。 表1 石英玻璃的机械性能强度种类抗压强度抗拉强度抗弯强度抗冲击性×10（Ncm/cm2）透明石英玻璃7057

5、3.21121.08不透明石英玻璃34522.545.40.85石英玻璃的结构也是由一个三维空间网络构成，如图2所示：网络是由离子多面体构筑起来，凡属于两个多面体的氧离子叫桥氧离子，只属于一个多面体的叫非桥氧离子，多面体的结合程度乃至网络的结合程度均取决于桥氧离子的百分数。另外，处于网络间隙中的离子叫网络变性离子,如Na+等。 石英玻璃最大特点是膨胀系数很小，因此有优良的抗激冷激热能力，用作石膏型填料，能明显减小石膏型的裂纹倾向、热应力及收缩应力，石膏型及铸件的表面光度、尺寸精度均比以石英粉作填料的高。 四、高岭土熟料（高岭土） 高岭土熟料是由高岭石煅烧、破碎而成，高岭石在我国陕西、四川、江苏

6、等地均有分布。各地产的高岭土因杂质含量不同，性能亦有差别，但均可作为石膏型填料。 高岭石的化学分子式为Al2O32SiO2，其中SiO2含量为50%左右，Al2O3含量为40%左右,其余为CaO、K2O、Na2O等杂质。 高岭石在煅烧过程中要发生一系列变化，属于不可逆反应。从450-520起至550-580止，高岭石脱除结晶水，生成非晶型偏高岭石。Al2O32SiO22H2O Al2O3SiO2+2H2O从930起至980-1010止，偏高岭石分解为游离的无定型的Al2O3和SiO2，前者又转变为-Al2O3。 Al2O32SiO2 Al2O3+SiO2当温度为1100-1200之间，生成莫来

7、石。温度高于1200，无定型SiO2可转变成方石英。 3Al2O3+SiO2 3Al2O3SiO2+4SiO2高岭土熟料具有优良的热物理性能、热化学稳定性，良好的高温抗变形能力，在加热过程中线膨胀率较小，变化较平稳，且价格低，取材方便，是理想的石膏型填料。 五、莫来石 莫来石（3Al2O32SiO2）是SiO2-Al2O3二元状态图中唯一稳定的化合物，其理论成分为Al2O3 71.8%；SiO2-Al2O3系耐火填料在高温下均可向莫来石转化。莫来石一般通过煅烧高岭石及高铝矾土来制取。 莫来石熔点高、化学稳定性好、线膨胀系数较小，抗激冷激热能力强，为合适的石膏型填料，但价格较高岭土贵。 六、硅线

8、石 硅线石有三种变体即硅线石、蓝晶石、红柱石。硅线石中Al2O3的理论含量为62.88%。煅烧过程中，加热至1500-1550时，硅线石迅速分解，生成莫来石及二氧化硅；红柱石及蓝晶石也分别在1350-1400和1300-1350分解成莫来石与二氧化硅。硅线石的熔点高，线膨胀率较小，抗激冷激热能力强，高温化学稳定性好。但产量不如高岭土，价格高，不是理想的石膏型填料。 七、高铝矾土熟料 我国河南、贵州、山西等地含有丰富的铝矾土。按Al2O3含量不同，矾土矿可分为四级：特级（88%）、一、二级（Al2O3为60-88%）、三级（Al2O3为50%-60%）。Al2O3含量大于70-80%的铝矾土叫高

9、铝矾土，其主要矿物组成为含水氧化铝及高岭石。 高铝矾土在煅烧过程中加热至450-480时，含水氧化铝脱水形成-Al2O3。加热至930-1200时，-Al2O3转变成-Al2O3，在1100-1200之间发生莫来石化。经煅烧的高铝矾土其主要组成为刚玉、莫来石及玻璃相。 高铝矾土的热膨胀系数较小、有良好的热化学稳定性，高温抗变形能力较好，价格不贵，是合适的石膏型填料。 八、氧化铝氧化铝有多种同质异晶体，最常见的有-Al2O3（工业氧化铝）和-Al2O3（刚玉）两种。刚玉为最稳定的结构，属中性氧化物，化学稳定性高，高温下不与合金液及其氧化物起反应。加热过程中线膨胀率较大，抗激冷激热能力不强。因比重

10、较大、结构致密，用作石膏型填料易导致沉淀，一般不选用。 -Al2O3结构较疏松，呈多孔性，在浆体中悬浮性较好，可选作石膏型填料。 九、玻璃纤维玻璃纤维是由熔融玻璃拉制而成，其主要成分为SiO2。根据玻璃纤维中碱性氧化物的含量，可把玻璃纤维分成中碱（Na2O、K2O含量为2-12%）和无碱（2%Na2O、K2O）两种。其化学成分见表1。 表1 玻璃纤维的化学成分类别SiO2Al2O3CaOMgONa2OK2OB2O3CaF2BaO中碱67.379.54.212无碱53.513.516.34.50.5102中碱64.54.113.40.37.91.74.70.9无碱54.515.217.34.70.680.1池窑无碱53.214.821.10.