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        添加Nd2O3對高鋁瓷的耐磨性及結(jié)構(gòu)影響*

        2014-10-19 09:04:10畢四龍吳伯麟
        陶瓷 2014年4期

        畢四龍 吳伯麟

        (1 有色金屬材料及其加工新技術(shù)教育部重點實驗室 廣西 桂林 541004) (2 桂林理工大學材料科學與工程學院 廣西 桂林 541004)

        Al2O3含量在90%左右的高鋁瓷,因為其機械強度和耐磨性都比較高,而且高溫熱性能也比較好,已經(jīng)在國內(nèi)外得到廣泛應用[1]。但是Al2O3含量在95%以上的高鋁瓷卻鮮有報道,雖然市面上可見氧化鋁含量在98%~99%的產(chǎn)品,但是磨耗奇高,不能滿足實際生產(chǎn)過程中的需求,目前還做不出性能很好的產(chǎn)品。而不管從成本考慮還是從生產(chǎn)過程的精度控制考慮,氧化鋁含量在95%以上的具有良好耐磨性的高鋁瓷都值得我們研究。

        近年來,人們對稀土金屬氧化物摻入氧化鋁陶瓷,進行了大量研究。穆柏春等[2]發(fā)現(xiàn)添加稀土氧化物Y2O3和La2O3可以使氧化鋁陶瓷的燒結(jié)溫度降低,晶粒細化,并使陶瓷的致密度提高,從而使氧化鋁陶瓷的機械性能提高;A Mukhopadhyay等[3]認為,Y2O3摻入氧化鋁陶瓷后主要存在于氧化鋁晶界上,可以抑制氧化鋁晶體生長,起到細化晶粒的作用,從而改善陶瓷的力學性能。Nd2O3的用途廣泛[4~5],可以使鎂合金和鋁合金的高溫性能、耐腐蝕性得到提高,在航空航天材料中得到應用;在介電和發(fā)光材料方面的應用也很廣泛。最近我們對Nd2O3摻入Al2O3進行了研究,并且討論了摻入Nd2O3對Al2O3陶瓷物相組成、顯微結(jié)構(gòu)和耐磨性能的影響。

        1 實驗過程

        1.1 實驗原料及樣品制備

        實驗以工業(yè)氧化鋁粉為主要原料,MgO、CaCO3和SiO2為燒結(jié)助劑,添加不同量的Nd2O3分別制備出編號為A、B、C的3組不同的氧化鋁瓷球。配料比見表1。

        表1 A、B、C 3組氧化鋁瓷球的配料比(質(zhì)量%)Tab.1 Chemical compositions of the ceramic

        按照上述配料比配料,球磨48 h后在100 ℃烘干,利用冷等靜壓在100 MPa壓力下成形,壓制成球狀生坯,放在硅鉬高溫爐中無壓燒結(jié),隨爐冷卻后得到陶瓷樣品。

        1.2 性能測試

        吸水率可以表征燒成陶瓷樣品的氣孔開口率,體積密度可以表征燒成陶瓷的致密程度。根據(jù)國標GB/T 3810.3-2006的要求,測試陶瓷試樣的吸水率(E)和體積密度(P),公式分別為:

        E=(M3-M1)/M1×100%

        (1)

        P=(M1×D)/(M3-M2)×100%

        (2)

        式中:M1——干樣的質(zhì)量,g;

        M2——樣品浸沒于水中時的質(zhì)量,g;

        M3——吸水飽和試樣在空氣中的質(zhì)量,g;

        D1——樣品直徑,mm。

        所燒成陶瓷試樣的耐磨性能可用磨損率(W)來表征,根據(jù)行業(yè)標準JC/T 848.1-1999計算公式為公式(3)。其耐磨性又與自身材料的機械性能,燒成試樣的成分組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等有關(guān)。

        W=KD(M初-M后)/M初

        (3)

        式中:W——磨損率,%;

        K=4.17×10-4,修正系數(shù);

        D——瓷球的平均直徑,mm;

        南京體育學院休閑體育專業(yè)只要以課程形式出現(xiàn)的民間體育項目都有特定的課程大綱,并且每個課程大綱各不相同。在學時分配、課程內(nèi)容、考核方式方面也存在差異。雖然南京體育學院民間體育課程開發(fā)時間不長,處于初級階段,但是課程大綱也是根據(jù)學?,F(xiàn)有的場地、器材和師資情況來安排的,教學過程也處在一個不斷學習、不斷完善、不斷創(chuàng)新的過程,為了使民間體育課程更加科學化、具體化、現(xiàn)代化,在教材方面,三個項目都沒有固定的教材。

        M初、M后——為磨前和磨后的質(zhì)量,g。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 陶瓷樣品的吸水率、體積密度及磨損率

        表2列出制備的氧化鋁陶瓷樣品的吸水率、體積密度和磨損率。我們通過吸水率來確定樣品的燒成溫度。由表2可以看出:A組試樣在1 400 ℃時吸水率為零;B組試樣在1 425 ℃時吸水率為零;而C組試樣在1 475 ℃時吸水率為零。說明隨著Nd2O3摻入量的增加,樣品的最低燒結(jié)溫度升高。其原因為:

        1)Nd2O3的熔點比Al2O3還要高,摻入陶瓷以后,會使陶瓷樣品的最低共熔點升高,影響燒結(jié)溫度;

        2)摻入Nd2O3后,Nd3+會進入Al2O3晶格,引起晶格畸變[6],阻礙Al2O3晶體的生長,影響燒結(jié)溫度。

        表2 陶瓷樣品性能Tab.2 Properties of the ceramic sample

        14000.29142503.7201.220145003.8540.717B147503.8850.757150003.9050.790152503.8921.100155003.8801.5514500.23147503.5442.198150003.6941.935C152503.7741.591155003.8311.6019157503.8631.8261

        圖1為陶瓷樣品的體積密度與燒結(jié)溫度之間的關(guān)系。由圖1可知,隨著燒結(jié)溫度的升高,A、B、C這3組樣品的體積密度都是呈先升高后趨于穩(wěn)定的趨勢,而B組試樣的體積密度在相同溫度下最高,還發(fā)現(xiàn)B組試樣的體積密度在到達頂點后,有小幅度的降低;A組試樣的體積密度次之;C組試樣的體積密度最低。這說明添加質(zhì)量分數(shù)為0.2%的Nd2O3有助于Al2O3陶瓷致密度的提高,而添加0.8%的Nd2O3卻會使得氧化鋁陶瓷的致密度降低。其主要原因是添加少量Nd2O3對燒結(jié)的溫度影響不大, 相同溫度下與不添加Nd2O3的試樣相比晶粒發(fā)育的程度也差不多;但是隨著添加量的增加燒結(jié)溫度升高了很多,在相同溫度下晶粒發(fā)育的程度受到了很大的影響,所以陶瓷樣品的致密度才會有這樣大的差異。

        圖1 陶瓷樣品體積密度與燒結(jié)溫度的關(guān)系Fig.1 Dependence of bulk density of samples on varies sintering temperature

        圖2是3組樣品的磨損率與燒結(jié)溫度間的關(guān)系。由圖2可知,隨著溫度變化3組樣品的磨損率都是先降低后升高的趨勢,總體都呈馬鞍形。結(jié)合前面體積密度的分析,樣品燒結(jié)溫度升高會使體積密度增大,從而降低磨耗;而溫度升高到一定程度,體積密度漸漸趨于穩(wěn)定,這時體積密度的增大對樣品磨耗帶來的正面作用已經(jīng)不能抵消高溫時晶粒長大對樣品磨耗的負面作用,所以會使樣品的磨耗升高。

        圖2 樣品磨損率與燒結(jié)溫度的關(guān)系Fig2 Dependence of wear of samples on varies sintering temperature

        2.2 陶瓷樣品的物相分析

        圖3是A、B、C 3組樣品的XRD衍射花樣,這3組樣品的主要物相為剛玉(Al2O3,corundum)、六鋁酸鈣(CaAl12O19)和鎂鋁尖晶石(MgAl2O4)。燒結(jié)助劑CaO和MgO在高溫下都能與Al2O3發(fā)生物理化學反應,但是我們并沒有檢測到含有稀土元素的化合物存在。這表明我們添入的Nd3+固溶到了Al2O3的晶格中。少量的Nd3+進入Al2O3晶格,固溶過程引起Al2O3陶瓷的晶格畸變,使晶粒長大過程受阻[6],晶粒沒有過分長大,晶粒大小也相對均勻,使陶瓷的機械性能得到提升,耐磨性提高,磨耗降低。

        圖3 A、B、C 3組陶瓷試樣的XRD衍射花樣Fig.3 XRD patterns of the ceramic samples

        2.3 陶瓷樣品的顯微結(jié)構(gòu)分析

        (a)

        (b)

        (c)

        圖4 A、B、C 3組樣品分別在1 425 ℃、1 475 ℃、1 525 ℃的SEM圖片

        Fig.4 SEM micrograghs of the sintered samples

        圖4為3組樣品的在1 425 ℃、1 475 ℃、1 525 ℃的SEM照片。A組試樣(不添加稀土氧化物Nd2O3)的晶粒多為粒狀,而且大小極不均勻,在磨損實驗過程中,多發(fā)生沿晶斷裂,但是因為燒結(jié)溫度比較低,晶粒尺寸不大;在B組試樣(添加質(zhì)量分數(shù)為0.2%的Nd2O3)中發(fā)現(xiàn)大量片狀晶體,且圖中有穿晶斷裂的晶粒,對陶瓷耐磨性能起到極大的提升的作用,晶粒大小比A組試樣要均勻,因為燒成溫度較A組試樣高,晶粒尺寸稍大,對陶瓷耐磨性能有一定的負面作用,但是2種因素共同作用陶瓷的耐磨性能依然得到了很大的提升,最低磨耗相對于A組試樣降低了約42.5%;C組試樣(添加質(zhì)量分數(shù)為0.8%的Nd2O3)由于燒結(jié)溫度較高,晶粒非常大,雖然能觀察到少量片狀晶粒的穿晶斷裂,但是相對于晶粒過大對耐磨性帶來的負面影響,已經(jīng)不是最主要的因素,所以磨耗升高,最低磨耗相對于A組試樣升高了27.5%。因此,在Al2O3陶瓷中添加少量Nd2O3(如添加質(zhì)量分數(shù)為0.2%的Nd2O3)可以大幅提高其耐磨性,而添加過量Nd2O3(如添加質(zhì)量分數(shù)為0.8%的Nd2O3)會使耐磨性變差。

        3 結(jié)語

        添加少量的Nd2O3對Al2O3陶瓷的燒結(jié)溫度影響不大,還可以使Al2O3陶瓷的耐磨性能得到大幅度提高;而添加過量的Nd2O3會使Al2O3陶瓷的燒結(jié)溫度大幅度的升高,且會使Al2O3陶瓷的耐磨性能變差。所以添加少量Nd2O3可以使Al2O3陶瓷在較低的溫度下磨耗極低,從而節(jié)省成本得到較好的產(chǎn)品。

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