本文主要是以氧化鋁陶瓷為基本的研究對象, 通過試驗(yàn)的方法, 對氧化鋁陶瓷不同方面的性能進(jìn)行研究。主要包含了氧化鋁陶瓷的制作工藝流程, 通過氧化鋁制作過程中不同成分的添加劑的數(shù)量和容量、不同的燒結(jié)溫度、不同物料顆粒度等因素對氧化鋁陶瓷耐磨性能的影響進(jìn)行研究, 從而得出不同條件下的氧化鋁陶瓷的性能和耐磨性, 希望能夠?qū)窈蠊I(yè)產(chǎn)品的研發(fā)和相關(guān)耐磨材料的應(yīng)用提供相應(yīng)有價(jià)值的信息。
氧化鋁陶瓷作為一種結(jié)構(gòu)陶瓷, 其性能有一系列的優(yōu)點(diǎn)。熔點(diǎn)高, 其融化溫度可以較高達(dá)到2050℃, 可以在不同的化學(xué)條件下保持其固有的物理性能, 不管是在很酸還是很堿的狀態(tài)下, 都能保持一個(gè)相對穩(wěn)定的狀態(tài)。其中氧化鋁陶瓷根據(jù)其組成的不同的結(jié)晶成分, 其機(jī)械強(qiáng)度也有所不同, 高性能的陶瓷其強(qiáng)度和電阻率水平都很高, 并且可以實(shí)現(xiàn)很高水平的絕緣能力, 不易受到周圍環(huán)境的影響, 物理性能和化學(xué)性能都很佳。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展, 氧化鋁陶瓷已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于化工、機(jī)械制造、生物醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域, 并隨著性能的提升逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍, 對氧化鋁性能的研究在很多行業(yè)的生產(chǎn)活動中都有很高的現(xiàn)實(shí)意義。以下是針對氧化鋁陶瓷的性能研究的具體試驗(yàn)過程。
1 氧化鋁陶瓷的制作
1.1 制作氧化鋁陶瓷所需的設(shè)備
氧化鋁的制作主要采用的材料是三氧化二鋁, 同時(shí)以氧化鎂作為試驗(yàn)的添加劑和催化劑。試驗(yàn)中主要采用的設(shè)備有: (1) 燒結(jié)爐, 由于氧化鋁的熔點(diǎn)很高, 所以本次試驗(yàn)主要采用很高溫電爐。 (2) 球磨機(jī), 主要是將破碎之后的材料再進(jìn)行進(jìn)一步的粉碎工作。 (3) 真空干燥箱, 由于氧化鋁的制作是一個(gè)化學(xué)過程, 其制定過程就是一個(gè)氧化過程, 所以該反應(yīng)的過程需要保證一個(gè)真空的環(huán)境, 干燥箱在工作的同時(shí)可以往內(nèi)部空間注入足量的不含氧的氣體, 保證反應(yīng)中各個(gè)物料可以隨時(shí)保持干燥的狀態(tài)。 (4) 壓力成型設(shè)備。 (5) 在氧化鋁制作完成的后期, 需要進(jìn)行一些磨刃工作, 采用工具磨床, 其性能優(yōu)越, 精度高同時(shí)剛性強(qiáng)有很佳的實(shí)用性。 (6) 摩擦試驗(yàn)機(jī), 用于試驗(yàn)后期對于氧化鋁陶瓷成品的耐磨性進(jìn)行試驗(yàn)。
1.2 氧化鋁陶瓷制作的工藝流程
氧化鋁陶瓷制作的過程, 主要采用氧化鋁粉為主要的原材料同時(shí)采用氧化鎂為添加劑, 運(yùn)用干壓成型的手段燒結(jié)制成試驗(yàn)所需的氧化鋁陶瓷, 具體的工藝流程如圖1所示。
如圖1所示, 氧化鋁陶瓷的制作首先要取料, 實(shí)驗(yàn)所需的三氧化二鋁、二氧化鋅和氧化鎂, 分別計(jì)算出不同的克數(shù)重量, 用天平進(jìn)行詳細(xì)的稱重取料。第二步, 將PVA溶液按照不同的材料配比進(jìn)行配置。第三步, 將、二步中所配置好的原材料的PVA溶液進(jìn)行混料、球磨, 這個(gè)過程的時(shí)間一般為12h左右, 保證球磨的轉(zhuǎn)速在900r/min, 并采用蒸餾水進(jìn)行球磨工作。第四步, 利用真空干燥箱將準(zhǔn)備好的原材進(jìn)行脫水干燥, 其工作溫度保持在80~90℃。第五步, 先造粒再成型。將上一步干燥過的原材料于油壓千斤頂進(jìn)行壓制。第六步, 對氧化鋁產(chǎn)品進(jìn)行燒結(jié)固定、成型。較后就是對氧化鋁陶瓷產(chǎn)品的拋光打磨, 這一步分為兩個(gè)過程, 首先采用砂輪機(jī)將陶瓷產(chǎn)品的大部分多余的大顆粒物質(zhì)磨除, 再使用細(xì)砂紙對陶瓷產(chǎn)品的部分區(qū)域進(jìn)行細(xì)微的磨擦和修飾, 較后在對整個(gè)氧化鋁陶瓷產(chǎn)品進(jìn)行拋光, 至此氧化鋁陶瓷產(chǎn)品制作完成, 圖2為配方煅燒升溫曲線。
圖1 氧化鋁陶瓷制作的工藝流程
圖2 配方煅燒升溫曲線
2 氧化鋁陶瓷耐磨性的實(shí)驗(yàn)
首先, 保證實(shí)驗(yàn)的對比性, 要設(shè)立不同的分組和參照組。將不同配比材料的實(shí)驗(yàn)樣品分別進(jìn)行編號, 同時(shí)放入同等物質(zhì)條件的燒杯中, 將所有實(shí)驗(yàn)樣品在清洗器中采用很聲波清洗機(jī), 之后將所有實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行干燥處理。注意在每次實(shí)驗(yàn)開始之前, 都要將容器中的實(shí)驗(yàn)溶液倒掉更新, 防止容器中出現(xiàn)鐵銹進(jìn)而影響實(shí)驗(yàn)的效果。
上述工作都準(zhǔn)備完成之后, 將氧化鋁陶瓷的實(shí)驗(yàn)樣品安裝在磨損試驗(yàn)機(jī)上, 其中磨損試驗(yàn)機(jī)需安裝磨擦環(huán)以固定實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行磨擦, 按照設(shè)備的操作程序, 開始關(guān)于氧化鋁陶瓷耐磨性的實(shí)驗(yàn)過程。在樣品保持不變的情況下, 對實(shí)驗(yàn)機(jī)器的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié), 一般觀察三個(gè)不同轉(zhuǎn)速的磨擦系數(shù)。觀察在不同轉(zhuǎn)速的條件下實(shí)驗(yàn)樣品與摩擦環(huán)的接觸, 在實(shí)驗(yàn)樣品與磨擦環(huán)接觸的過程中, 機(jī)器自帶的傳感器會將摩擦換與實(shí)驗(yàn)樣品的磨擦數(shù)據(jù)傳到終端, 不同條件下的樣品摩擦系數(shù)都會得到相應(yīng)的結(jié)果, 隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長, 可以得到不同時(shí)間不同轉(zhuǎn)速條件下的磨擦系數(shù)曲線。
3 氧化鋁陶瓷耐磨性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
3.1 不同含量的添加劑的影響
通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析, 研究了不同添加劑含量的氧化鋁陶瓷的耐磨性能。圖3是根據(jù)不同含量的氧化鎂, 其氧化鋁陶瓷所呈現(xiàn)出的磨擦性能的對比。
圖3 不同氧化鎂含量的氧化鋁陶瓷產(chǎn)品的磨擦系數(shù)對比
通過對圖3的分析可以看出, 不同含量的氧化鎂對于氧化鋁陶瓷的磨擦性能的影響也是不同的。在氧化鋁產(chǎn)品進(jìn)入一個(gè)相對平衡的階段時(shí), 隨著氧化鎂含量的增加, 其磨擦系數(shù)呈現(xiàn)了一個(gè)先減小然后然后逐步增加的趨勢, 在含量為0.4%時(shí)陶瓷產(chǎn)品的磨擦系數(shù)較小。也就是說, 氧化劑的添加是有一個(gè)較佳的配比, 過多或者過少, 都會影響陶瓷產(chǎn)品的耐磨性。在分子的組成之間, 各個(gè)晶體通過自身的彈性和擴(kuò)散性能, 在磨擦的過程中彼此都產(chǎn)生了微弱的阻力, 當(dāng)晶體之間的強(qiáng)度比較弱時(shí), 晶體與晶體之間容易出現(xiàn)斷裂, 那么產(chǎn)品表面就會形成相應(yīng)的磨損顆粒。隨著氧化鎂這種添加劑的進(jìn)入, 可以有效的調(diào)節(jié)各個(gè)晶體之間的異性, 有效的降低因?yàn)閿嗔旬a(chǎn)生的磨損, 提高陶瓷產(chǎn)品的耐磨性, 從而降低磨擦系數(shù)。但是如果原材料中出現(xiàn)了過多的氧化鎂添加劑, 就會造成氧化鋁陶瓷產(chǎn)品表面過多的鋁鎂晶石, 影響晶體晶粒的相互擴(kuò)散, 從而使實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品表面出現(xiàn)磨損顆粒, 產(chǎn)品的磨擦系數(shù)也會隨之增大。
3.2 不同燒結(jié)溫度的影響
在產(chǎn)品制作后期的燒結(jié)溫度, 可以影響氧化鋁陶瓷很多方面的性能, 圖4是根據(jù)不同溫度條件下的氧化鋁陶瓷產(chǎn)品的磨擦系數(shù)的對比。
圖4 不同燒結(jié)溫度條件下的陶瓷產(chǎn)品的磨擦系數(shù)對比
通過對圖4的分析可以得出, 在陶瓷產(chǎn)品進(jìn)入一個(gè)穩(wěn)定的階段之后, 在其它條件保持相同的情況下, 陶瓷產(chǎn)品的磨擦系數(shù)會隨著溫度的升高而逐漸降低。
在陶瓷產(chǎn)品燒結(jié)的過程中, 隨著溫度的升高, 其液相的量會增多, 液相狀態(tài)下物體表面可以保有很大的張力, 使各個(gè)顆粒和分子可以實(shí)現(xiàn)緊密結(jié)合, 并實(shí)現(xiàn)對各個(gè)細(xì)小氣孔的填充, 從而延緩三氧化二鋁顆粒的變大, 加上每個(gè)細(xì)小分子之間的顆粒作用, 在物體表面會到處填充, 減少陶瓷產(chǎn)品表面的氣孔, 使陶瓷產(chǎn)品表面形成一個(gè)相對緊致、飽滿的狀態(tài), 大大的降低磨擦系數(shù)。
3.3 不同物料顆粒粒度及其分布對性能的影響
本次對比試驗(yàn)的漿料細(xì)度基本達(dá)到2000目, 漿料細(xì)度越細(xì), 顆粒表面積越大, 比表面能也越大, 燒結(jié)反應(yīng)速率快, 燒結(jié)溫度也會有所降低。同時(shí), 因細(xì)度越細(xì), 成核結(jié)晶排列致密, 在急冷階段使液相包裹成核結(jié)晶時(shí)內(nèi)部結(jié)構(gòu)形成孔洞幾率越小, 這也會大大降低了瓷球的磨耗。因此, 在投入生產(chǎn)中必須注重漿料細(xì)度的控制。
4 結(jié)語
通過上述實(shí)驗(yàn)可以得知, 不同的組成材料對于陶瓷產(chǎn)品的物理性能和磨擦系數(shù)的影響是不同的。本文通過對不同劑量的添加劑、不同的燒結(jié)溫度和不同物料顆粒粒度三個(gè)方面對氧化鋁陶瓷材料的耐磨性進(jìn)行研究, 分析各個(gè)因素對陶瓷產(chǎn)品不同的影響, 從而得出氧化鋁陶瓷產(chǎn)品的優(yōu)越耐磨性的結(jié)論。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步, 氧化鋁陶瓷在未來還可以有更多方向的應(yīng)用和發(fā)展。