復(fù)合稀土氧化物對(duì)氧化鋁陶瓷耐磨性能的影響研究＊

付 鵬 王 偉 彭林林 閆邦富 呂瑞富 徐 歡

(山東省聊城大學(xué)材料學(xué)院 山東聊城 252059)

復(fù)合稀土氧化物對(duì)氧化鋁陶瓷耐磨性能的影響研究＊

付 鵬 王 偉 彭林林 閆邦富 呂瑞富 徐 歡

(山東省聊城大學(xué)材料學(xué)院 山東聊城 252059)

討論了不同類型和不同量的六種稀土氧化物L(fēng)a2O3、CeO2、Y2O3、Sm2O3、Nd2O3、Dy2O3對(duì)氧化鋁陶瓷進(jìn)行摻雜的試驗(yàn)過(guò)程,研究表明:某兩種或兩種以上稀土氧化物一起添加到氧化鋁陶瓷中,比單一稀土氧化物添加到氧化鋁陶瓷中對(duì)提高陶瓷耐磨損性能的效果要好。

復(fù)合稀土氧化物 氧化鋁陶瓷 耐磨性能

前言

本世紀(jì)30年代,國(guó)外已將稀土氧化物應(yīng)用到陶瓷工業(yè)中,我國(guó)自70年代開(kāi)始了這方面的工作。研究表明,引入稀土氧化物可改善陶瓷性質(zhì),但其改變并不是稀土氧化物的直接結(jié)果,而是由于稀土元素使組成坯體的結(jié)晶相的種類、形狀、大小、分布狀態(tài)以及所含氣孔等顯微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的緣故。

A l2O3含量在90%左右的高鋁瓷(90瓷),具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和耐磨性,以及較好的高溫?zé)嵝阅?成本也相對(duì)較低,在國(guó)內(nèi)有著廣闊的市場(chǎng),其應(yīng)用于機(jī)械、陶瓷、化工、冶金、建材等領(lǐng)域。將稀土應(yīng)用于高鋁瓷中,以降低燒成溫度,提高瓷質(zhì)性能是目前產(chǎn)業(yè)界的需要[1～3]。研究發(fā)現(xiàn),加入適量的單一稀土氧化物可以促進(jìn)氧化鋁陶瓷的燒結(jié)程度,而且有利于耐磨性能的提高[4～7]。但是對(duì)于多種稀土氧化物的運(yùn)用研究相對(duì)較少,筆者將多種稀土氧化物對(duì)氧化鋁陶瓷耐磨性能的影響狀況進(jìn)行了探討。

1 實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)以90瓷為研究對(duì)象,以傳統(tǒng)的固相法來(lái)制備氧化鋁陶瓷。實(shí)驗(yàn)以α-A l2O3和Si-M g-Ca-Ba系熔劑為基礎(chǔ)原料,分別加入不同類型和不同量的6種稀土氧化物L(fēng)a2O3、CeO2、Y2O3、Sm2O3、Nd2O3、Dy2O3進(jìn)行摻雜。在對(duì)以上6種稀土氧化物對(duì)氧化鋁陶瓷性能的影響較深入地研究基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn),本實(shí)驗(yàn)復(fù)合添加劑正交表設(shè)計(jì)采用L18(2×37)表,通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定較好的實(shí)驗(yàn)配方,然后再通過(guò)優(yōu)化實(shí)驗(yàn),得到優(yōu)化配方。

A l2O3陶瓷的生產(chǎn)工藝要經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)主要工序:原料配料→球磨→加粘結(jié)劑→造?！尚巍稍?素?zé)?→燒結(jié)→檢測(cè)。

耐磨性的測(cè)量步驟如下:將測(cè)定好密度的樣品,放入烘箱中,在150℃下烘干至恒重,置于干燥器內(nèi)冷卻至室溫。稱取試樣質(zhì)量M,然后放入氧化鋁陶瓷罐中,并按照樣品∶水=2∶1的比例注入水,在行星磨100 r/min的轉(zhuǎn)速下研磨8h。然后停磨取出樣品,清洗干凈,再放入烘箱中于150℃干燥至恒重,稱取樣品的質(zhì)量。則:每小時(shí)磨損率η=(M-m)/8M×100%。

本實(shí)驗(yàn)用阿基米德排水法測(cè)量樣品的體積密度和顯氣孔率,采用自動(dòng)X射線衍射儀(D/MAX-Ⅲ型)做陶瓷樣品晶體結(jié)構(gòu)的測(cè)試,利用靶型為Cu,濾波片為Sm。采用掃描電子顯微鏡(XL30-E型)觀察試樣表面的微觀組織結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與討論

2.1 各因素、水平表及正交實(shí)驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果可知,La2O3、CeO2、Y2O3、Sm2O3、Nd2O3、Dy2O3六種稀土氧化物的添加量均適量,在以前工作的基礎(chǔ)上,再于基礎(chǔ)原料中添加劑CaO(以CaCO3形式加入)和M gO(以M gCO3形式加入)為另外兩個(gè)因素,正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的各因素及其水平數(shù)如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)各因素、水平數(shù)

經(jīng)試驗(yàn)得到密度和磨耗的數(shù)據(jù)分別如表2、表3所示。

表2 1 490℃正交試驗(yàn)樣品密度測(cè)試結(jié)果

表3 1 490℃正交試驗(yàn)樣品磨耗測(cè)試結(jié)果

從表2的極差分析可知,對(duì)密度的影響因素大小順序?yàn)?Sm2O3>La2O3、CeO2、CaCO3>滑石、Y2O3、 Dy2O3、Nd2O3。有幾種添加劑的影響極差相同,且跟最大極差很近。從表3的極差分析得知,對(duì)磨耗的影響大小順序?yàn)?La2O3>滑石>CaCO3>Dy2O3> Nd2O3>Sm2O3>Y2O3>CeO2。

從密度和磨耗極差分析可看出,La2O3對(duì)密度以及磨耗影響大,且La2O3取3水平時(shí),密度和耐磨性能很好。Sm2O3對(duì)密度的影響最大,且在取2水平時(shí)密度最大,添加CeO2對(duì)密度影響較大,且添加3水平時(shí)密度較好,但是它對(duì)耐磨性能影響很小,而且添加各水平CeO2樣品的耐磨性能都不好。CaCO3對(duì)密度、磨耗的影響較大,且在取1水平時(shí)耐磨性較好,在取3水平時(shí)密度較大,這說(shuō)明在一定范圍內(nèi)加入CaCO3可以促進(jìn)燒結(jié),但是太多的CaCO3對(duì)耐磨性能不利。

2.2 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)和分析結(jié)果可知,1 490℃燒結(jié)條件下Sm2O3對(duì)促進(jìn)燒結(jié)提高密度的影響最大,而且效果較好,但是添加稀土氧化物總量過(guò)多,反而降低了氧化鋁陶瓷的密度,但添加單一的Sm2O3對(duì)促進(jìn)燒結(jié)以及對(duì)耐磨性能的效果在各稀土氧化物中都不是最好的。其原因可能是Sm2O3跟其它的稀土氧化物共同作用,使得氧化鋁陶瓷更易燒結(jié),性能更好。所以,在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)中選擇添加兩種或三種對(duì)密度和耐磨性能有利的稀土氧化物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。優(yōu)化實(shí)驗(yàn)以α-A l2O3和Si-M g-Ca-Ba系添加劑為基礎(chǔ)原料,分別加入不同類型和不同量的稀土氧化物進(jìn)行摻雜。如表4所示。經(jīng)1 490℃燒結(jié)的氧化鋁陶瓷制品的密度、磨耗及其氣孔率如表5所示。

表4 加入不同稀土氧化物的質(zhì)量

從測(cè)試結(jié)果來(lái)看,在1 490℃燒結(jié)條件下,Y2O3+ CeO2的樣品促進(jìn)燒結(jié)效果最好,燒結(jié)得到的樣品致密度很高,密度比單一加入Y2O3或CeO2都要大,氣孔率也明顯變小,單一添加CeO2的效果較差,但是添加Y2O3+CeO2的制品密度增大,耐磨性能也變好。這說(shuō)明了Y2O3和CeO2結(jié)合使用更能促進(jìn)燒結(jié)。

表5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

添加Y2O3+La2O3對(duì)燒結(jié)有利,能提高制品致密度,樣品氣孔率低、耐磨性能好。

添加Sm2O3+Y2O3對(duì)低溫?zé)Y(jié)密度不利,但對(duì)高溫?zé)Y(jié)密度影響不大,且制品氣孔率也較高,耐磨性能不好。添加Sm2O3+La2O3能促進(jìn)燒結(jié),能提高制品致密度,同時(shí)氣孔率很低,耐磨性能良好。

添加Sm2O3+La2O3+Dy2O3效果比添加Sm2O3+La2O3的制品效果更好,對(duì)制品的致密度提高效果明顯,這說(shuō)明Dy2O3的加入更能促進(jìn)燒結(jié),但Dy2O3的加入更易生成較多的玻璃相,對(duì)耐磨性能不利,所以產(chǎn)品的耐磨性能提高不明顯。

添加Sm2O3+La2O3+CeO2對(duì)提高燒結(jié)密度的效果較差,這說(shuō)明CeO2和Sm2O3+La2O3共同使用效果差,CeO2的加入影響了Sm2O3+La2O3對(duì)氧化鋁陶瓷的作用效果。從表5可看出,CeO2的加入對(duì)氣孔率有較大提高,耐磨性能較差。

圖1 配方5在1 490℃燒結(jié)陶瓷的XRD圖譜

從以上分析可以看出,添加復(fù)合稀土氧化物后的制品密度有所提高,氣孔率降低,耐磨性能也有較大提高。尤其是耐磨性能的提高更加明顯,如添加Y2O3+CeO2、Y2O3+La2O3、Sm2O3+La2O3的效果較好,比單一添加一種稀土氧化物的效果都好。從表5可以看出,加入復(fù)合稀土氧化物后的制品氣孔率有明顯的降低,但是加入CeO2的制品氣孔率都較高。

圖2 沒(méi)有添加稀土氧化物氧化鋁陶瓷制品的XRD圖譜

圖3 配方5在1 490℃燒結(jié)制品的SEM圖

從以上分析可得,添加一種或幾種的復(fù)合稀土氧化物在合適的含量下,比添加單一的稀土氧化物效果要好,原來(lái)添加單一稀土氧化物的氧化鋁陶瓷性能不好的添加劑(如CeO2),在和另一種或幾種別的稀土氧化物共同使用時(shí),效果反而很好。幾種稀土氧化物共同添加到氧化鋁陶瓷內(nèi),對(duì)氧化鋁陶瓷的燒結(jié)共同起作用,這種作用不是單純的加和,應(yīng)該有互相影響的機(jī)理存在。經(jīng)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)5配方制品的X射線分析如圖1所示,與沒(méi)有添加稀土氧化物的燒結(jié)制品的XRD(如圖2所示)相比,兩者的主晶相都是剛玉相,且有鎂鋁尖晶石晶體特征峰,但沒(méi)有Y2O3、CeO2的特征峰,這說(shuō)明Y2O3、CeO2的加入與基體材料生成了固溶體,且沒(méi)有改變晶體的結(jié)構(gòu),但固溶強(qiáng)化作用使得瓷體整體性能較好。配方5在1 490℃燒結(jié)陶瓷SEM圖如圖3所示。從圖3可以看出燒結(jié)生成的晶粒較小且大小均勻,形狀呈六邊形,排列緊密,氣孔較小,瓷體致密,這些結(jié)構(gòu)特征使得瓷體的耐磨性能良好。

3 結(jié)論

研究發(fā)現(xiàn),某兩種或兩種以上稀土氧化物一起混合添加到氧化鋁陶瓷中,比單一稀土氧化物添加到氧化鋁中的效果要好。兩種或多種稀土氧化物的加入,不但繼承了多種稀土氧化物優(yōu)良的性質(zhì),還彌補(bǔ)了一種稀土氧化物帶來(lái)的不足,使得作用效果較好;同時(shí)多種稀土氧化物的相互作用也能夠促進(jìn)氧化鋁陶瓷的燒結(jié),提高瓷體耐磨性能。

經(jīng)優(yōu)化試驗(yàn)得到Y(jié)2O3+CeO2的效果最好,它的加入使氧化鋁瓷致密度提高,相對(duì)密度可達(dá)96.2%,超過(guò)單獨(dú)添加任一種稀土氧化物Y2O3或者CeO2樣品的密度。La2O3+Y2O3、Sm2O3+La2O3促進(jìn)燒結(jié)的效果也比添加單一的要好,且耐磨性能明顯提高。這說(shuō)明兩種稀土氧化物的作用機(jī)理更加復(fù)雜,這種混合不是簡(jiǎn)單的量的加和,這種相互作用對(duì)氧化鋁陶瓷的燒結(jié)和性能提高更有利,但其作用原理尚待研究。

1 穆柏春,等.陶瓷材料的強(qiáng)韌化.北京:冶金工業(yè)出版社,2002

2 蘇雪筠.氧化鋁瓷的顯微結(jié)構(gòu)與斷裂韌性關(guān)系的研究.無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào),1994(6):221～226

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Influence of Multi-rare Earth Oxides on Alum ina Ceram icsWear Performance

Fu Peng,Wang Wei,Peng Linlin,Yan Bangfu,Lv Ruifu,Xu Huan(School of Materials Science and Engineering,Liaocheng University,Liaocheng Shandong Province,Shandong,Liaocheng,252059)

In this paper,different types and quantity of rare earth oxides such as La2O3、CeO2、Y2O3、Sm2O3、Nd2O3、Dy2O3were added in alumina ceramics.Whenmulti-rare earth oxideswere added into alumina ceramics,the wearable performance of multi-rare earth oxides doped alumina ceramicswas better than that of single rare earth oxides doped alumina ceramics.

M ulti-rare earth oxides;A lumina ceramics;Wear perfo rmance

聊城大學(xué)大學(xué)生科技文化創(chuàng)新基金和聊城大學(xué)校級(jí)課題支持。(項(xiàng)目編號(hào):SRT10013和SRT10019CL2)