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煤矸石制备耐磨氧化铝陶瓷实验

发布日期:2014年4月21日

实验

 

材料准备

工业纯高温煅烧α-氧化铝,其它辅料均为工业级。

本实验采用铝质煤矸石取代氧化铝的量作为 变量,分别为0.3wt%、50wt%和100wt%来研究氧化铝陶瓷的各种性能。

工艺流程及参数

将原料按照配方配成混合料,装入罐磨机,依 照料∶球∶水的比例=1∶2∶0.5,球磨24h,获 得料浆,过120目筛,在温度为90℃的烘箱烘干 后,手工造粒,粒径大约在250~590μm。再将粉 料放入YS双向液压机干压成形,在常压空气气 氛下分别在1370℃,1400℃和1490℃烧结。

性能测试

通过阿基米德法测样品的密度。磨耗的测 定:样品称重后,将球和水按照1∶1装入球磨罐 中,球磨时间为24h,然后将样品取出再称重。按 照下列公式计算磨耗。

秒速快3η=1000×(W0-W1)/W0g/kg·h (1)

(1)式中W0 是样品磨前的质量(g),W1 是样 品磨后的质量(g)。

样品的硬度采用硬度测试仪测定。断裂韧性 主要是通过压痕法测定。金刚石压头产生的正方 形压痕会在四个角的位置诱发裂纹延伸,通过测 量该裂纹延伸的长度,代入下式中即可计算得到 断裂韧性值:

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

(2)式中,KIC 为断裂韧性值(MPa·m1/2),Hv 为维氏硬度值(MPa),a为压痕对角线的半长 (mm),c为充分伸展的裂纹长度,即对角线裂纹 的半长,并取四个角裂纹的平均值。计算6个压 痕点的计算结果并取平均值做为试样的断裂韧性 值。

结果与讨论

煤矸石添加量对成品密度的影响

煤矸石取代量为0时,92氧化铝陶瓷 密度为3.6cm3/g,瓷烧结温度约1490℃。当煤 矸石取代氧化铝含量为30wt%,烧结温度降到 1400℃,密度为3.4cm3/g。随着取代量增加,密 度逐渐降低。煤矸石取代氧化铝,虽然降低了烧 成温度,但是降低了氧化铝的含量,势必影响产品 的密度。综上可知,取代量为30wt%时,烧结温 度为1400℃,密度为3.4cm3/g,产品致密度达到 最佳。

煤矸石添加量对产品断裂韧性的影响

煤矸石取代量为30wt%, 烧结温度为1400℃时,产品的断裂韧性可达3. 62MPa·m1/2,而92氧化铝陶瓷烧结温度为 1490℃,其断裂韧性为3.74MPa·m1/2。取代量 为30wt%,烧结温度1400℃时的产品的断裂韧 性优于取代量为50wt%,100wt%的原因是取代 量为30wt.%的产品的氧化铝含量最高,高达 83.84%。详见取代量为30wt%,烧成温度为1400 ℃时产品化学成分全分析表。其它取代量的 氧化铝含量为79.39%和64.55%。适量的添加剂如 MgO等,能够降低烧成温度的同时,还能阻止氧化 铝晶粒的长大。晶粒细小,晶界增多,能够吸收裂纹 的断裂能,提高断裂韧性。

煤矸石添加量对成品硬度的影响

为了进一步研究产品的性能,对不同煤矸石 取代量的样品进行了洛氏硬度测试,对每种含量 的产品做3个,取平均值,列入表中,从表中可以看到,92氧化铝在烧结温度为1490℃,硬度 最高,高达86。其次是取代量为30wt%时,烧结 温度1400℃时的产品的硬度高,达82。取代量 为50wt%和100wt%,依次减少。同样,氧化铝 含量高是其高硬度的主要因素。降低烧成温度的 同时,也要保证产品的硬度。硬度的大小在一定 程度上决定产品的耐磨性。从硬度指标上将 30%的煤矸石取代量为佳。

产品的外观形貌分析

观察烧结 温度为1490℃时,取代量为30wt%,50wt%和 100wt%的样品外观形貌。可以看出,此三样品, 都存在过烧现象,都有点变形。随着取代量的增 加,白度降低并且逐渐出现斑点,最后呈现出较大 面积着色区域。其原因可能是由于煤矸石的添加 量变大,着色剂Fe2O3 和TiO2 的含量也相应增加 所致。观察烧成温度1400℃,取代量 为30wt%,50wt%和100wt%的样品外观形 貌。 可以看出,取代量 为30wt%的样品烧结较好,无斑 点,外型美观。图E存在少量斑点。取代量 为100wt%的样品外观形 貌发生炸 裂现象。可能是由于氧化硅含量相对较高或成形 时存在微裂纹所致。观察烧成温度 1370℃,取代量30wt%,50wt%和100wt%的 样品外观形貌。可以发现,取代量30wt%的样品,烧结较差,断面较粗糙。 其余两个样品,烧结性能变好,外观也变 好。可见煤矸石的含量增加,能够降低烧成温度。

煤矸石添加量对成品耐磨性能的影响

分别观察烧结温度为1490℃时,取 代量为30wt%,50wt%和100wt%的样品、烧成温度1400 ℃,取代量为30wt%,50 wt%和100wt%的样品及烧成温度 1370℃,取代量30wt%,50wt%和100wt%的样 品。可以发现,烧成温度1400 ℃、取代量为30wt%的样品的磨耗0.247g/kg·h,其耐磨性能最 好,这是由于此样品的密度 相对较大,晶粒细小,气孔率低,耐磨性好。

结论

通过上述实验结果分析得到下列结论:

1、随着煤矸石取代量增加,产品着色程度增 大,甚至发生炸裂现象。

2、煤矸石取代量为30wt%,烧结温度为1400 ℃时,烧结完好,样品外形美观,无斑点。其密度为 3.4cm3/g,洛氏硬度为82,断裂韧性可达3.62 MPa·m1/2,磨耗为0.247g/kg·h,耐磨性能最佳。

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