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    煤矸石制備耐磨氧化鋁陶瓷實驗

    發布日期:2014年4月21日

    實驗

     

    材料準備

    工業純高溫煅燒α-氧化鋁,其它輔料均為工業級。

    本實驗采用鋁質煤矸石取代氧化鋁的量作為 變量,分別為0.3wt%、50wt%和100wt%來研究氧化鋁陶瓷的各種性能。

    工藝流程及參數

    將原料按照配方配成混合料,裝入罐磨機,依 照料∶球∶水的比例=1∶2∶0.5,球磨24h,獲 得料漿,過120目篩,在溫度為90℃的烘箱烘干 后,手工造粒,粒徑大約在250~590μm。再將粉 料放入YS雙向液壓機干壓成形,在常壓空氣氣 氛下分別在1370℃,1400℃和1490℃燒結。

    性能測試

    通過阿基米德法測樣品的密度。磨耗的測 定:樣品稱重后,將球和水按照1∶1裝入球磨罐 中,球磨時間為24h,然后將樣品取出再稱重。按 照下列公式計算磨耗。

    η=1000×(W0-W1)/W0g/kg·h (1)

    (1)式中W0 是樣品磨前的質量(g),W1 是樣 品磨后的質量(g)。

    樣品的硬度采用硬度測試儀測定。斷裂韌性 主要是通過壓痕法測定。金剛石壓頭產生的正方 形壓痕會在四個角的位置誘發裂紋延伸,通過測 量該裂紋延伸的長度,代入下式中即可計算得到 斷裂韌性值:

    KIC=0.203Hva12(ca)-32 (2)

    (2)式中,KIC 為斷裂韌性值(MPa·m1/2),Hv 為維氏硬度值(MPa),a為壓痕對角線的半長 (mm),c為充分伸展的裂紋長度,即對角線裂紋 的半長,并取四個角裂紋的平均值。計算6個壓 痕點的計算結果并取平均值做為試樣的斷裂韌性 值。

    結果與討論

    煤矸石添加量對成品密度的影響

    煤矸石取代量為0時,92氧化鋁陶瓷 密度為3.6cm3/g,瓷燒結溫度約1490℃。當煤 矸石取代氧化鋁含量為30wt%,燒結溫度降到 1400℃,密度為3.4cm3/g。隨著取代量增加,密 度逐漸降低。煤矸石取代氧化鋁,雖然降低了燒 成溫度,但是降低了氧化鋁的含量,勢必影響產品 的密度。綜上可知,取代量為30wt%時,燒結溫 度為1400℃,密度為3.4cm3/g,產品致密度達到 最佳。

    煤矸石添加量對產品斷裂韌性的影響

    煤矸石取代量為30wt%, 燒結溫度為1400℃時,產品的斷裂韌性可達3. 62MPa·m1/2,而92氧化鋁陶瓷燒結溫度為 1490℃,其斷裂韌性為3.74MPa·m1/2。取代量 為30wt%,燒結溫度1400℃時的產品的斷裂韌 性優于取代量為50wt%,100wt%的原因是取代 量為30wt.%的產品的氧化鋁含量最高,高達 83.84%。詳見取代量為30wt%,燒成溫度為1400 ℃時產品化學成分全分析表。其它取代量的 氧化鋁含量為79.39%和64.55%。適量的添加劑如 MgO等,能夠降低燒成溫度的同時,還能阻止氧化 鋁晶粒的長大。晶粒細小,晶界增多,能夠吸收裂紋 的斷裂能,提高斷裂韌性。

    煤矸石添加量對成品硬度的影響

    為了進一步研究產品的性能,對不同煤矸石 取代量的樣品進行了洛氏硬度測試,對每種含量 的產品做3個,取平均值,列入表中,從表中可以看到,92氧化鋁在燒結溫度為1490℃,硬度 最高,高達86。其次是取代量為30wt%時,燒結 溫度1400℃時的產品的硬度高,達82。取代量 為50wt%和100wt%,依次減少。同樣,氧化鋁 含量高是其高硬度的主要因素。降低燒成溫度的 同時,也要保證產品的硬度。硬度的大小在一定 程度上決定產品的耐磨性。從硬度指標上將 30%的煤矸石取代量為佳。

    產品的外觀形貌分析

    觀察燒結 溫度為1490℃時,取代量為30wt%,50wt%和 100wt%的樣品外觀形貌。可以看出,此三樣品, 都存在過燒現象,都有點變形。隨著取代量的增 加,白度降低并且逐漸出現斑點,最后呈現出較大 面積著色區域。其原因可能是由于煤矸石的添加 量變大,著色劑Fe2O3 和TiO2 的含量也相應增加 所致。觀察燒成溫度1400℃,取代量 為30wt%,50wt%和100wt%的樣品外觀形 貌。 可以看出,取代量 為30wt%的樣品燒結較好,無斑 點,外型美觀。圖E存在少量斑點。取代量 為100wt%的樣品外觀形 貌發生炸 裂現象。可能是由于氧化硅含量相對較高或成形 時存在微裂紋所致。觀察燒成溫度 1370℃,取代量30wt%,50wt%和100wt%的 樣品外觀形貌。可以發現,取代量30wt%的樣品,燒結較差,斷面較粗糙。 其余兩個樣品,燒結性能變好,外觀也變 好。可見煤矸石的含量增加,能夠降低燒成溫度。

    煤矸石添加量對成品耐磨性能的影響

    分別觀察燒結溫度為1490℃時,取 代量為30wt%,50wt%和100wt%的樣品、燒成溫度1400 ℃,取代量為30wt%,50 wt%和100wt%的樣品及燒成溫度 1370℃,取代量30wt%,50wt%和100wt%的樣 品。可以發現,燒成溫度1400 ℃、取代量為30wt%的樣品的磨耗0.247g/kg·h,其耐磨性能最 好,這是由于此樣品的密度 相對較大,晶粒細小,氣孔率低,耐磨性好。

    結論

    通過上述實驗結果分析得到下列結論:

    1、隨著煤矸石取代量增加,產品著色程度增 大,甚至發生炸裂現象。

    2、煤矸石取代量為30wt%,燒結溫度為1400 ℃時,燒結完好,樣品外形美觀,無斑點。其密度為 3.4cm3/g,洛氏硬度為82,斷裂韌性可達3.62 MPa·m1/2,磨耗為0.247g/kg·h,耐磨性能最佳。

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