添加Nd2O3對高鋁瓷的耐磨性及結(jié)構(gòu)影響*

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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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?zé)嵝阅芤脖容^好，已經(jīng)在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)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(xì)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(rèn)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(xì)化晶粒的作用，從而改善陶瓷的力學(xué)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(yīng)用；在介電和發(fā)光材料方面的應(yīng)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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)?，F(xiàn)有的場地、器材和師資情況來安排的，教學(xué)過程也處在一個不斷學(xué)習(xí)、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(xué)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?jǐn)?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(fù)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(xué)反應(yīng)，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?jǐn)?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(fù)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?jǐn)?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(fù)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?jǐn)?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?jǐn)?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。