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        硬硅鈣石型轉接板材料的試制

        2015-03-28 02:36:04張尚尚齊曉勇劉俊成杜慶洋
        金屬礦山 2015年7期
        關鍵詞:硅鈣硅酸鈣進口產品

        王 前 張尚尚 齊曉勇 劉俊成 杜慶洋

        (山東理工大學材料科學與工程學院,山東 淄博255000)

        硅酸鈣材料[1-2]主要分為2 種結晶相材料,一種為托貝莫來石[3],其最高使用溫度為650 ℃,另一種是20 世紀70 年代日本研制成功的以活性料漿法(動態(tài)水熱合成法)生產的耐高溫硅酸鈣保溫材料,主要結晶相為硬硅鈣石[4-5],其最高使用溫度為1 000 ℃。

        硬硅鈣石材料因具有密度小、導熱系數低、抗壓和抗折強度高、可重復利用、環(huán)保、對人體友好等優(yōu)良性能,被廣泛應用于塑料、橡膠、涂料、染料、建材、環(huán)保及石棉的代用品等領域[6],如張瑞芝[7]、劉力等[8]把硬硅鈣石應用于涂料領域。近年來,硬硅鈣石在宇航、電子技術、生命科學和醫(yī)用材料等新興前沿領域也得到發(fā)展,曾令可[9]、楊海龍等[10]用硬硅鈣石制備了納米孔超級絕熱材料,使納米孔超級絕熱材料有了新突破。

        我國是世界鋁生產和消費大國[11]。在鑄鋁工藝中,熔融鋁液由熔煉爐經導管輸送,在模具中成型,導管與模具間需裝配過渡轉接板,以適應裝配不同規(guī)格的模具,制造不同規(guī)格的鋁制品。該轉接板要求質量輕、強度高、耐高溫、保溫效果好、可精確機械加工。目前,國內不僅不生產轉接板,而且也未見關于轉接板材料研究的報道。試驗將以動態(tài)水熱合成工藝制備的硬硅鈣石為主要原料,開展硬硅鈣石型轉接板材料的試制。

        1 試驗原料與儀器、設備

        1.1 試驗原料

        以石英和氧化鈣為原料動態(tài)水熱合成的硬硅鈣石的XRD 圖譜見圖1,SEM 圖片見圖2。

        從圖1 可以看出,該硬硅鈣石的純度較高,未見其他礦物的衍射峰。

        圖1 硬硅鈣石的XRD 圖譜Fig.1 XRD pattern of xonotlite

        圖2 硬硅鈣石原料的微觀形貌Fig.2 Microstructure morphography of xonotlite

        從圖2可以看出,該硬硅鈣石為纖維狀硬硅鈣石,結晶性良好、長3 ~5 μm、寬約200 nm。

        玻璃纖維為市售品,用剪刀剪至0.6 ~1.2 cm長。

        熟石灰為市售碳酸鈣在960 ℃下煅燒3 h(制備氧化鈣)再加水消化制得。

        1.2 試驗儀器與設備

        大連通達反應釜廠生產的容積為5 L 的CJF-5型高壓反應釜,配有電磁攪拌和溫度及壓力控制系統;虹宇儀器設備有限公司生產的YZF-2A 型壓蒸釜,配有溫度和壓力控制系統;洛陽市西格馬儀器制造有限公司生產的SGM 型人工智能箱氏電阻爐;上海方瑞儀器有限公司生產的FA2204B 型電子分析天平;平湖良升液壓工具廠生產QYL32 型32 t 液壓成型機;上海道京儀器有限公司生產的SHZ-D 型循環(huán)水式真空泵;湘潭華豐儀器有限公司生產的DRX-2型導熱系數測定儀。

        2 試驗方法與性能測試

        2.1 試驗方法

        將0.074 ~0 mm 的硬硅鈣石與玻璃纖維、熟石灰按質量比36 ∶2 ∶1 混勻,加入自來水,水與原材料總質量之比為1 ∶1,在鋼制模具中壓制成60 mm×10 mm×10 mm 的樣品,然后在一定溫度下蒸壓一定時間,蒸壓產品在100 ℃干燥24 h 后進行性能測試。

        2.2 性能測試

        用阿基米德法測試制品的密度;用長春科新儀器有限公司生產的WDW 型電子萬能試驗機測試彎曲強度,測試采用三點彎曲法,壓頭下降速度為0.5 mm/min,跨距為36 mm,計算5 個樣品的平均值;用游標卡尺記錄干燥前后樣品的長、寬、高,計算其體積收縮率;使用洛陽安特利爾儀器有限公司生產的KRZ-S01 型抗熱震性試驗機測試樣品的抗熱震性,將樣品在900 ℃下保溫10 min,在流動的水中放3 min 后再在空氣中冷卻5 min,觀察樣品狀況,如果沒有裂紋或者破碎,再繼續(xù)放入高溫爐、流動的水和空氣中,直至樣品產生裂紋或破碎,記下循環(huán)試驗次數,以此衡量抗熱震性能。

        3 試驗結果與討論

        3.1 條件試驗

        3.1.1 成型壓力試驗

        成型壓力試驗的蒸壓溫度為180 ℃,蒸壓時間為5 h,試驗結果見表1。

        表1 成型壓力試驗制品的密度與彎曲強度Table 1 Density and bending strength of samples at different forming pressure

        由表1 可以看出,隨著成型壓力的增大,制品的密度和彎曲強度均顯著增大。比照國外某進口產品的密度(0.86 g/cm3)與彎曲強度(7.1 MPa),確定本試驗的成型壓力為20 MPa。

        3.1.2 蒸壓溫度試驗

        由于蒸壓溫度對樣品的密度影響很小,因此僅研究蒸壓溫度對彎曲強度的影響。蒸壓溫度試驗的成型壓力為20 MPa,蒸壓時間為5 h,試驗結果見圖3。

        圖3 蒸壓溫度對制品彎曲強度的影響Fig.3 Influence of autoclaving temperature on bending strength of samples

        由圖3 可以看出,隨著蒸壓溫度的升高,制品的彎曲強度呈先快后慢的上升趨勢。因此,確定蒸壓溫度為180 ℃,對應的彎曲強度為7.8 MPa。

        3.1.3 蒸壓時間試驗

        蒸壓時間試驗的成型壓力為20 MPa,蒸壓溫度為180 ℃,試驗結果見圖4。

        圖4 蒸壓時間對制品彎曲強度的影響Fig.4 Influence of autoclaving time on bending strength of samples

        由圖4 可以看出,隨著蒸壓時間的延長,制品的彎曲強度呈先快后慢的上升趨勢。綜合考慮成本、性能因素,確定蒸壓時間為3 h,對應的彎曲強度為7.75 MPa。

        3.2 制品的性能

        成型壓力為20 MPa、蒸壓溫度為180 ℃、蒸壓時間為3 h 的制品的耐受溫度、收縮率、抗熱震性能和導熱系數與進口產品對比見表2。

        表2 制品與進口產品的性能對比Table 2 Properties comparison of imported products and the sample

        由表2 可以看出,制品的耐受溫度、抗熱震性能和導熱系數與進口產品非常接近,而收縮率明顯低于進口產品,因此,制品的性能指標優(yōu)良。

        結合前面的制品密度和彎曲強度數據,可以看出,試驗制品的總體性能優(yōu)于進口產品。

        4 結 論

        (1)轉接板是鑄鋁工藝中熔煉爐導管與模具間的過渡連接件,必須具備質量輕、強度高、耐高溫、保溫效果好、可精確機械加工等特點。

        (2)試驗用廉價原料和簡單工藝進行了硬硅鈣石型轉接板材料的試制,硬硅鈣石與玻璃纖維、熟石灰按質量比36 ∶2 ∶1 混勻后,加入與原材料總質量之比為1 ∶1 的水,在20 MPa 的壓力下壓制成型,180℃下蒸壓3 h,獲得的制品密度為0.85 g/cm3、彎曲強度為7.75 MPa、收縮率為1.58%、抗熱震次數達35次、導熱系數為0.205 W/(m·K)、耐受溫度可達1 000 ℃、保溫效果良好。與進口產品比較,試驗制品的性能總體更優(yōu)。

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