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        玻璃相對(duì)剛玉莫來(lái)石質(zhì)陶瓷輥棒性能的影響

        2019-10-08 03:43:17張脈官
        佛山陶瓷 2019年8期

        張脈官

        摘 要:本文介紹了采用冷靜壓工藝制備陶瓷輥棒的過(guò)程,研究陶瓷輥棒中不同玻璃相含量對(duì)陶瓷輥棒的影響。結(jié)果表明玻璃相是剛玉莫來(lái)石質(zhì)陶瓷輥棒中的重要組成部分,它可以促進(jìn)輥棒中莫來(lái)石的發(fā)育,有利于燒結(jié)的進(jìn)行,且在高溫下可以彌補(bǔ)材料的部分缺陷,對(duì)陶瓷輥棒的抗彎強(qiáng)度以及抗蠕變性能都有較大作用。

        關(guān)鍵詞:陶瓷輥棒;剛玉莫來(lái)石;玻璃相

        1 前 言

        剛玉莫來(lái)石質(zhì)陶瓷輥棒,使用時(shí)既要耐受高溫,在長(zhǎng)期轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中又要具備抗高溫蠕變的特性,所以它是一種特殊的高溫結(jié)構(gòu)陶瓷。最近高檔全拋釉大理石瓷磚的興起,磚坯表面的輥棒“印”,備受關(guān)注,行業(yè)內(nèi)有不少知名廠家相繼建立起了輥棒“印”的量化標(biāo)準(zhǔn)。作為承載燒成的關(guān)鍵部件——陶瓷輥棒,對(duì)陶瓷磚的表面平整度有至關(guān)重要的作用,所以也對(duì)陶瓷輥棒的高溫性能提出了更高的要求。本研究通過(guò)考查不同的陶瓷輥棒的配方,在陶瓷輥棒中形成不同含量的玻璃相,通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)來(lái)分析玻璃相對(duì)輥棒各性能的影響。

        2 實(shí) 驗(yàn)

        2.1 剛玉莫來(lái)石質(zhì)陶瓷輥棒的制備

        2.1.1 配方設(shè)計(jì)

        本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了4組目前最常見(jiàn)的輥棒配方,見(jiàn)表1。骨料采用鄭州二砂的白剛玉砂(60 ~ 120目混合砂),基質(zhì)料中的高嶺土采用茂名高嶺土(造紙級(jí)),氧化鋁采用青島安邁 -Al2O3微粉,硅酸鋯采用澳大利亞砂(65度)。

        2.1.2 成型

        成型采用了佛山市陶瓷研究所的冷等靜壓技術(shù),此技術(shù)制備的陶瓷輥棒,具備致密度高,使用壽命長(zhǎng),抗折強(qiáng)度高等特點(diǎn)。

        將配方中的基質(zhì)粉料按照配比加入球磨機(jī)中球磨約5 h,細(xì)度達(dá)到320目篩余小于2%時(shí),倒入漿池?cái)嚢瑁厰嚢柽吋尤氚讋傆裆?,攪拌完成后抽進(jìn)噴霧塔進(jìn)行噴霧干燥。噴霧粉料加水?dāng)嚢?,然后練泥并擠出成型,擠出成型后的坯體經(jīng)過(guò)干燥,再放入等靜壓容器,在100 MPa的壓力下進(jìn)行二次成型,成型后的坯體經(jīng)過(guò)再次干燥,然后進(jìn)入高溫窯爐中進(jìn)行燒成。

        2.1.3 燒成

        燒成采用高溫梭式窯,在1600℃下燒成,燒成時(shí)間控制在24 h,保溫5 h。燒成制度按照?qǐng)D1的燒成曲線進(jìn)行。2.2 輥棒物相分析

        在陶瓷輥棒高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中,高嶺土在1100℃左右的溫度范圍,莫來(lái)石形成量最多,所以在燒成時(shí),在1000 ~ 1200℃燒成要慢一些,讓高嶺土充分分解產(chǎn)生一次莫來(lái)石和方石英,為后來(lái)莫來(lái)石的長(zhǎng)大打下基礎(chǔ)。燒成進(jìn)入第二階段,方石英與氧化鋁進(jìn)一步反應(yīng)生成二次莫來(lái)石。燒成第三階段,加入的硅酸鋯在高溫下分解,生成氧化鋯和石英,石英與氧化鋁反應(yīng)生成三次莫來(lái)石。在整個(gè)物相反應(yīng)過(guò)程中,高嶺土以及其它原料,含有一些K2O、NaO、CaO、MgO以及Fe2O3、TiO2等雜質(zhì),在高溫條件下,會(huì)伴隨生成大量玻璃相。玻璃相的存在,又促進(jìn)了二次莫來(lái)石和三次莫來(lái)石的生成,有利于材料的快速燒結(jié)。用XRD進(jìn)行定量分析,輥棒主要有剛玉和莫來(lái)石以及部分斜鋯石等晶相組成,另外含有大量的玻璃相,各物相含量如表2。

        3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

        3.1 玻璃相的成份分析

        取1 ~ 4#的樣品,在玻璃相處用能譜分析其成分份,含量為:Na2O+K2O:3 ~ 5wt%,CaO+MgO:2 ~ 4wt%,F(xiàn)e2O3+TiO2:1 ~ 3wt%,Al2O3:40 ~ 60wt%,SiO2:30 ~ 40wt%,ZrO2少量。從玻璃相的成分可以看出,陶瓷輥棒中的玻璃相是一種復(fù)雜的相,與單純的玻璃有較大區(qū)別。此種玻璃相經(jīng)過(guò)XRD檢測(cè)是一種類玻璃相的非定型態(tài),是一種介于玻璃和晶體中間的狀態(tài)。Al2O3和ZrO2的融入,起到了補(bǔ)網(wǎng)的作用,使玻璃相在高溫下粘度增大,耐高溫性能增強(qiáng),是能在1350℃以下的高溫下長(zhǎng)期使用的重要因素。

        3.2 玻璃相的含量不同對(duì)陶瓷輥棒高溫強(qiáng)度(1350℃)的影響

        陶瓷輥棒在輥道窯內(nèi)使用時(shí),窯爐溫度表顯示在1200℃左右,但陶瓷輥棒會(huì)接觸噴槍噴出的火焰,陶瓷輥棒實(shí)際的工作溫度經(jīng)常高達(dá)1300 ~ 1400℃,所以我們要在1350℃下測(cè)試陶瓷輥棒的強(qiáng)度,比較符合實(shí)際狀況。各配方的高溫強(qiáng)度測(cè)試如圖2。

        陶瓷輥棒的莫來(lái)石都是在燒成制備過(guò)程中產(chǎn)生的。莫來(lái)石含量的多少,直接表征燒結(jié)是否良好。在高溫下Al2O3和SiO2直接反應(yīng)生成莫來(lái)石,是非常困難和緩慢的。但是玻璃相的出現(xiàn),將反應(yīng)傳質(zhì)從固相傳質(zhì)變成了液相傳質(zhì),從而加速了反應(yīng)的進(jìn)行。但是過(guò)多的玻璃相,在高溫下會(huì)侵蝕莫來(lái)石的晶體,不利于莫來(lái)石的生長(zhǎng)。所以,陶瓷輥棒中的玻璃相含量存在一個(gè)最佳值。從1#到4#配方,隨著玻璃相的不斷減少,輥棒的強(qiáng)度先是增高,然后出現(xiàn)一個(gè)下降現(xiàn)象,過(guò)多的玻璃相不利于莫來(lái)石的生長(zhǎng),但過(guò)少的玻璃相,同樣導(dǎo)致固相反應(yīng)困難,莫來(lái)石生長(zhǎng)緩慢,導(dǎo)致燒結(jié)程度不夠,出現(xiàn)強(qiáng)度的下降情況。所以在剛玉莫來(lái)石輥棒中,適當(dāng)?shù)牟A?,可以增加莫?lái)石形成,形成柱狀莫來(lái)石網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)[1],玻璃相填充其間,這樣有利于材料整體性能的提高。另外,為了提高陶瓷輥棒的抗急冷急熱性能,在制備陶瓷輥棒時(shí),配方中會(huì)引入硅酸鋯,硅酸鋯在高溫下分解產(chǎn)生氧化鋯,在冷卻過(guò)程中,由于氧化鋯從四方相轉(zhuǎn)為斜方相,晶型轉(zhuǎn)化帶來(lái)的體積變化會(huì)在材料的內(nèi)部形成微裂紋。這些微裂紋,雖有利于材料的抗急冷急熱性能的提高,但是微裂紋的存在,也同時(shí)降低了材料的強(qiáng)度。但是高溫下玻璃相的存在,會(huì)彌補(bǔ)部分微裂紋缺陷,是輥棒在高溫下保持較高的強(qiáng)度的重要保證。

        3.3 玻璃相含量對(duì)陶瓷輥棒高溫蠕變性能的影響

        由于陶瓷輥棒在高溫下轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中,不斷受到一個(gè)重力和扭力的雙重合力,長(zhǎng)期使用后會(huì)疲勞斷裂。所以,衡量陶瓷輥棒質(zhì)量?jī)?yōu)劣的一個(gè)重要參數(shù)是高溫下的抗蠕變性能(見(jiàn)圖3)。蠕變小,使用壽命就會(huì)長(zhǎng)。一般情況下,高溫耐火材料中,玻璃相的增加,會(huì)降低材料在高溫下抗蠕變性能,但是在陶瓷輥棒中有所不同。玻璃相的增加,促進(jìn)了莫來(lái)石相的生成,使莫來(lái)石緊密結(jié)合剛玉骨架,這樣材料的強(qiáng)度得到了增強(qiáng),另外高溫下玻璃相又起到填充縫隙作用,彌合了部分微裂紋,增加了材料的韌性,彎曲強(qiáng)度有所增強(qiáng)。但過(guò)多的玻璃相,高溫下容易軟化,且過(guò)多的玻璃相也緩慢融化部分莫來(lái)石,會(huì)加速材料在高溫下的蠕變速率。相反,材料中的玻璃相過(guò)少,莫來(lái)石相對(duì)發(fā)育不完全,莫來(lái)石與剛玉相結(jié)合不緊密,在受力過(guò)程中,容易疲勞失效,抗高溫蠕變能力也會(huì)變?nèi)酢?/p>

        4 微觀結(jié)構(gòu)分析和研究

        陶瓷輥棒取樣做SEM分析,由圖4可以看出,1#樣品,基質(zhì)料玻璃化嚴(yán)重,燒結(jié)程度高,但莫來(lái)石晶體粗大,輥棒的抗急冷急熱性能會(huì)變差,由于玻璃相太多,高溫下容易軟化,抗高溫蠕變能力也不強(qiáng)。2#配方,莫來(lái)石發(fā)育比較好,但周圍仍然存在較多數(shù)量的玻璃相,莫來(lái)石晶體在高溫下部分溶解。莫來(lái)石晶體的長(zhǎng)度分布在5 ~ 10 μm,具備一定的高溫性能,但由于莫來(lái)石周圍大量玻璃相的存在,在高溫下抗高溫蠕變能力依然不強(qiáng)。3#配方,從圖上來(lái)看,莫來(lái)石發(fā)育良好,晶體長(zhǎng)度達(dá)到10 ~ 20 μm,且交叉排列,形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),周圍的玻璃相也較少,具備較強(qiáng)的高溫荷載性能,由于莫來(lái)石的晶體發(fā)育良好,且具備網(wǎng)狀交叉增強(qiáng)結(jié)構(gòu),所以具備優(yōu)良的抗高溫蠕變性能,從圖3的測(cè)試結(jié)果,證實(shí)了3#配方的抗蠕變性能最強(qiáng)。4#配方,雖然玻璃相較少,但是莫來(lái)石發(fā)育不夠充分,晶體長(zhǎng)度8 ~ 12 μm左右,且沒(méi)有交叉網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),高溫強(qiáng)度不高,抗蠕變能力也不強(qiáng)。

        5 結(jié) 論

        本文研究的配方,是目前陶瓷輥棒的主流配方,因?yàn)闊珊蟛A嗪康牟煌?,?dǎo)致陶瓷輥棒的高溫性能差異巨大,從上面分析可以得出以下結(jié)論:

        (1)剛玉莫來(lái)石質(zhì)陶瓷輥棒,玻璃相是一個(gè)重要的組成部分,它是介于玻璃和晶體之間的一種中間態(tài),在高溫下具備較高的粘度,能起到填縫和彌合微裂紋的作用,增加輥棒的強(qiáng)度。

        (2)存在一定量的玻璃相,陶瓷輥棒在燒結(jié)過(guò)程中,莫來(lái)石的發(fā)育更加完整,且可以形成交叉網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),提高了材料在高溫下的抗蠕變性能,從而可以起到延長(zhǎng)陶瓷輥棒使用壽命的作用。

        參考文獻(xiàn)

        [1] 衛(wèi)曉輝. 剛玉-莫來(lái)石材料高溫?cái)嗔研阅躘J].稀有金屬材料與工程,2009,12.

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