ZrSiO4/Al2O3复相耐磨陶瓷材料的制备

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Al2O3陶瓷具有耐高温、耐磨损和耐腐蚀等一系列优良的特征,但其脆性限制了它的应用。所以Al2O3陶瓷的韧化成为近年来陶瓷研究的重要课题之一。本论文研究的主要目的是利用ZrSiO4高温分解产生ZrO2起到复合增韧Al2O3的作用机理来研制复相耐磨陶瓷。本文介绍了Al2O3陶瓷的发展动态及其各种韧化途径,陶瓷材料的磨损机理及影响因素,成型技术和烧结技术的发展现状。采用Al2O3-ZrSiO4高温原位烧结反应原理,制备了ZrO2-SiO2-Al2O3系复相陶瓷。通过不同比例配方和加入不同烧结助剂对样品进行制备、烧结和测试,研究了莫来石(3Al2O3-2SiO2)的生长行为,研究并确立了锆刚玉耐磨材料的组成机理和烧结助剂的助烧机理,利用各种测试手段,对烧成试样的物相组成、显微结构、气孔状况、体积密度及耐磨性进行了测试分析和讨论。为实际的生产应用奠定了可靠的基础。运用X射线衍射(XRD)的θ-2θ扫描对样品进行定性相分析;采用扫描电子显微镜(SEM)观察了样品的表面形貌、断口形貌和磨损面;采用千分尺测量球坯烧结前后的收缩率;采用阿基米德排水法测量了样品的体积密度;采用硬度计测量了样品的硬度;样品的耐磨性通过磨料磨损试验进行了测试。浆料的制备是一个复杂且重要的过程。实验结果表明,当料浆的pH值为8.0,研磨时间为30h时料浆具有最好的粘度和细度。研究了不同组份含量、加入不同烧结助剂以及烧成制度对复相陶瓷力学性能及显微结构的影响。研究结果表明,ZrSiO4在1420℃开始分解为ZrO2和SiO2,其中SiO2在1450℃~1600℃与Al2O3反应生成莫来石。原材料的科学配比、颗粒级配是提高陶瓷材料性能的前提条件,实验得出结论,在Al2O3含量为90%时能得到硬度较高、磨耗最好的烧结体,其硬度为HRA 88,磨耗达到0.14%。当烧结温度为1600℃、保温时间为4h时,ZrSiO4/Al2O3耐磨材料具有最好的耐磨性能,体积密度和压碎强度,分别为磨耗0.14%、体密4.02g/cm3、压碎强度2180N。实验验证了加入0.4(wt)%烧结助剂MgO可有效地降低烧结温度,并且能有效地抑制晶粒生长而得到细晶陶瓷,从而有利于耐磨性的提高。
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