納米組分優(yōu)化對(duì)陶瓷結(jié)合劑硬度的影響研究

劉鑫鑫+劉世凱+張吉祥

摘 要：通過(guò)對(duì)硼鋁硅酸鹽體系原始配方的組分優(yōu)化，運(yùn)用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，用一定量的納米Al2O3、SiO2和CaO部分替代原有配方中的Al2O3、SiO2和CaO，研究納米組分優(yōu)化對(duì)陶瓷結(jié)合劑硬度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：納米組分優(yōu)化對(duì)陶瓷結(jié)合劑硬度影響的主次關(guān)系為納米氧化鈣大于納米氧化鋁大于納米氧化硅；當(dāng)部分替換納米Al2O3為2wt%，納米SiO2為4wt%，納米CaO為1wt%時(shí)，其硬度最大為68.4HRc。

關(guān)鍵詞：陶瓷結(jié)合劑；組分優(yōu)化；納米材料；硬度

1 引言

陶瓷磨具高強(qiáng)、高速和高效等特點(diǎn)是其在應(yīng)用中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[1]。考慮到陶瓷磨具的使用壽命，其還必須具有一定的硬度；結(jié)合劑作為磨具的重要組成部分，它的硬度在很大程度上代表了磨具的硬度。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要研究了納米添加對(duì)陶瓷結(jié)合劑硬度的影響。侯永改等[2]研究了納米氧化鋯添加對(duì)結(jié)合劑硬度的影響，當(dāng)添加納米氧化鋯為8%時(shí)，其硬度最大為129.8HRc。但是，目前對(duì)陶瓷結(jié)合劑自身組分優(yōu)化對(duì)其硬度的研究還很少。

本研究以硼鋁硅酸鹽為基礎(chǔ)體系，通過(guò)原始配方的組分優(yōu)化，運(yùn)用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，研究了替代部分納米氧化鋁、納米氧化硅和納米氧化鈣的含量對(duì)陶瓷結(jié)合劑硬度的影響，以期得到優(yōu)化的陶瓷結(jié)合劑配方。

2試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)原料及玻璃料的制備

把一定量的分析純?cè)涎趸琛⒀趸X、氧化鈣、碳酸鉀和碳酸鈉按比例混合均勻，松壓成八字塊，經(jīng)1450℃高溫熔煉，水淬，干燥，球磨至200目以細(xì)，得到陶瓷結(jié)合劑粉。

2.2 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)選取三個(gè)因素，即三種納米材料的添加：（A）納米氧化鋁；（B）納米二氧化硅；（C）納米氧化鈣。每個(gè)因素選取三個(gè)水平，均為質(zhì)量百分比；A因素三個(gè)水平：0.5、1和2；B因素三個(gè)水平：0.5、2和4；C因素三個(gè)水平：0.5、1和2。以洛氏硬度為考察指標(biāo)。

因?yàn)楸驹囼?yàn)為3水平試驗(yàn)，選用Ln（3m）型正交表，并且不考慮各因素之間的交互作用，所以選用L9（34）型正交表來(lái)安排試驗(yàn)。根據(jù)前期研究經(jīng)驗(yàn)，正交表中A因素第一列，B因素第二列，C因素第四列，第三列為空列。根據(jù)正交表確定試驗(yàn)方案，一共分九組進(jìn)行試驗(yàn)分別標(biāo)記為1～9#。其中為了對(duì)照，基礎(chǔ)陶瓷結(jié)合劑的試驗(yàn)為0#。

2.3試樣制備

把預(yù)熔好的陶瓷結(jié)合劑粉按配方稱量，再和納米氧化硅、納米氧化鋁和納米氧化鈣進(jìn)行充分混合，再加入一定量的潤(rùn)濕劑和粘結(jié)劑，混合均勻，經(jīng)12h燜料，壓制成35mm×6mm×6mm 和Φ8mm×8mm的樣條，經(jīng)過(guò)干燥，燒結(jié)得到陶瓷結(jié)合劑試樣。

3 結(jié)果與討論

3.1 結(jié)合劑硬度的研究

本試驗(yàn)共有9組正交試驗(yàn)加上對(duì)照組（編號(hào)0）實(shí)驗(yàn)10組試驗(yàn)，分別在680℃，730℃，750℃，810℃，830℃，850℃，870℃七種溫度下進(jìn)行燒結(jié)，在洛氏硬度計(jì)上選擇3個(gè)點(diǎn)測(cè)試，這3個(gè)數(shù)值的平均值即它們的硬度值，考慮到正交實(shí)驗(yàn)，只選用每組配方中最大的硬度值來(lái)分析。具體數(shù)據(jù)如表3-1所示。

3.2 結(jié)合劑硬度的正交分析

如表3-2所示，通過(guò)極差分析法可知：（1）三個(gè)因素的主次關(guān)系為納米氧化鈣、納米氧化鋁 、納米氧化硅，其中空列的極差大于納米氧化硅的，這表明不同因素之間存在較強(qiáng)的交互作用，進(jìn)行相關(guān)研究需進(jìn)一步考慮；（2）最優(yōu)化方案中，納米氧化鋁因素最佳水平為2%，納米氧化硅因素最佳水平為4%，納米氧化鈣因素最佳水平為1%，即第7組配方。

從圖3-1可以看出，隨著納米氧化鋁含量增加，洛氏硬度在一直提高，但在1%以后，升高速度變緩；隨著納米氧化鈣含量增加，洛氏硬度出現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，在1%時(shí)，洛氏硬度值達(dá)到最大；隨著納米氧化硅含量增加，洛氏硬度出現(xiàn)先降后升的現(xiàn)象，由此看出，納米氧化硅低時(shí)，其對(duì)洛氏硬度的影響是不利的，在含量為4%時(shí)，洛氏硬度最大。

4 結(jié)論

（1）結(jié)合劑配方納米組分的優(yōu)化有利于改善其硬度，納米組分對(duì)硬度影響主次因素為納米氧化鈣、納米氧化鋁 、納米氧化硅。

（2）最優(yōu)的結(jié)合劑配方組分優(yōu)化方案為A3C2B3，其中納米Al2O3含量為2%，納米CaO含量為1%，納米SiO2含量為4%，其硬度達(dá)到68.4HRc。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉鑫鑫，劉世凱，鄧士煒.超硬磨具納米陶瓷結(jié)合劑研究進(jìn)展[J].超硬材料工程 ， 2016 ， 28 （6） ：46-49

[2] 侯永改，田久根，馬加加，周青海.納米氧化鋯對(duì)金剛石磨具用陶瓷結(jié)合劑結(jié)構(gòu)與性能的影響研究[J].硅酸鹽通報(bào)， 2015 ， 34 （2） ：530-534