熱處理工藝對煤矸石玻璃陶瓷三點抗彎強度的影響

摘 要 本文采用正交試驗法系統考察了煤矸石玻璃陶瓷制備過程中各因素對材料三點抗彎強度的影響，得出了最佳的熱處理工藝條件，為獲得具有實用價值的CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂系統煤矸石玻璃陶瓷提供了有益的參考。

關鍵詞 煤矸石，微晶玻璃，正交試驗，強度

長期以來，我國側重于自然資源(即一次資源)的開發利用，而對廢棄物資源的綜合開發利用一直沒有給予應有的重視。據統計，我國煤矸石已累計堆存達50多億t，且以每年1.3億t的產量繼續排放，是我國年排放量和累計堆存量最大的工業廢棄物之一^[1]。因此， 研究開發以煤矸石為主要原料的微晶玻璃不僅成本低廉，還能充分利用廢物，具有良好的經濟和社會效益。

1試驗

1.1配方化學組成確定

實驗以煤矸石、石灰石、石英砂和純堿等為主要原料，其中煤矸石來自淮南謝一礦。各原料化學成分如表1所示。

主晶相決定材料性能，透輝石的化學穩定性及機械強度較高^[2]，故把組成點選在透輝石［CaMg(SiO₃)₂］相區。為了獲得整體析晶且晶粒微細、分布均勻的玻璃陶瓷，必須選擇合適的晶核劑。CaF₂、TiO₂的引入可降低玻璃的析晶活化能，促進玻璃液分相，并在此基礎上，形成晶核，促進玻璃微晶化。同時，CaF₂又可降低玻璃液的粘度^[3]，所以選擇CaF₂、TiO₂作為成核劑。綜合考慮配料系統的熔制性能和晶化效果確定配料組成，其化學組成如表2所示。

1.2試驗過程及分析方法

根據配方將原料準確稱量，混合均勻，然后在硅鉬棒電阻爐中于1450℃恒溫熔制2h，將熔制好的玻璃液澆鑄于事先預熱到650℃的不銹鋼板上成形，然后迅速置于600℃的硅碳棒電阻爐中進行退火處理1h，隨爐冷卻后取出備用。

用國產WDW-1005型萬能試驗機測三點抗彎強度；用美國Perkins Elmens Pysis-1差熱分析儀進行DTA分析；用siemens公司的D5000型X射線衍射儀進行晶相分析；用日本電子JMS-5600LV型掃描電子顯微鏡觀察顯微結構。

2正交試驗

影響玻璃陶瓷性能的最主要的因素是主晶相的種類及其數量和分布，前者主要決定于配料系統組成，后者則主要決定于試樣的熱處理工藝制度，即核化溫度、核化時間、晶化溫度和晶化時間。從圖1中可以看出，在650℃附近有個明顯的吸熱峰，這是因玻璃到達退火點時輕微吸熱所致。而在820～930℃范圍內有一個很強的放熱峰，說明此時晶核開始長大形成晶體。從圖1中還可以看出，核化峰與晶化峰彼此獨立分開且相距較遠，所以本試驗的熱處理制度宜采用階梯溫度制度。根據文獻^[4]，玻璃陶瓷熱處理過程中的核化時間為0.5～2h，晶化時間一般不少于1h。在此基礎上，根據正交試驗的原理^[5]確定實驗方案，試驗因素水平表及L9(34)正交表分別見表3和表4。

3結果與討論

3.1正交試驗與極差分析

極差越大說明該因素對實驗指標影響越大。從極差分析結果可得出各因素對玻璃陶瓷強度影響的主次順序為：晶化溫度＞核化時間＞核化溫度?垌晶化時間。由于晶化時間的級差僅為1.2，所以，其對強度的影響遠低于其它三個因素。

試樣強度的大小與其熱處理條件有關，可通過測定不同熱處理條件下試樣的強度計算出各指標效應值，根據正交試驗原理來確定適宜的工藝參數。圖2為正交試驗結果的直觀分析，由圖2可知，隨著晶化溫度升高，試樣的強度增大；隨著核化溫度的升高、核化與晶化時間的增大，試樣的強度先升后降，并存在極大值。因此，可確定其最佳熱處理工藝參數為：核化溫度700℃、晶化溫度920℃、核化時間1h、晶化時間1h，依此熱處理條件制備的煤矸石玻璃陶瓷（＃8試樣）的三點抗彎強度為176.02MPa。

3.2XRD分析

選擇抗彎強度低、中、高的第#1、#7、#8三個試樣做XRD測試（如圖3）。根據XRD分析可知煤矸石玻璃陶瓷的主晶相為透輝石，并含有少量的鎂黃長石晶相。從圖3可以看出，#1、#7、#8試樣各晶相的衍射峰的強度逐漸增強，晶相的含量逐漸增多。對多晶材料來說，晶界強度比晶粒內部弱，材料的斷裂破壞多是沿晶界斷裂。材料中晶相含量高，則晶界長，裂紋的擴展要走的路程長，抗彎強度高，所以#8樣的抗彎強度必然最高。

3.3熱處理條件對顯微結構的影響

圖4分別給出了#1、#7、#8試樣的SEM照片，比較可以看出，#1試樣中的透輝石晶體幾乎沒有長大；#7試樣的晶粒比#1試樣有明顯的長大但還沒有發育完全；而#8試樣中透輝石晶粒已經長大成形，為顆粒狀且均勻分布，顆粒大小在1μm左右。以上分析也可以解釋#1、#7、#8試樣抗彎強度逐漸升高的原因。

4結論

（1）本系統的煤矸石玻璃陶瓷，其最佳熱處理工藝參數為：核化溫度700℃、晶化溫度920℃、核化時間1h、晶化時間1h；

（2） 本系統的煤矸石玻璃陶瓷，各熱處理工藝因素對其強度影響的主次順序為：晶化溫度＞核化時間＞核化溫度raquo;晶化時間。

參考文獻

1寧叔凡，何 超等.壓延法礦渣微晶玻璃成分的研究[J].玻璃與搪瓷，1999，28(4):9～14

2趙運才，肖漢寧，譚 偉.耐磨微晶玻璃的組成與晶化特性的研究[J].硅酸鹽學報，2003，31（4），406～409

3王天碩.硅酸鹽巖相學[M].北京:中國建筑工業出版社，19804 P.W.麥克米倫[英].微晶玻璃[M].

5王仞千.北京：中國建筑工業出版社， 1988

6張鐵茂，丁建國.試驗設計與數據處理[M].兵器工業出版社， 1990

Effect of Heat Treatment on Compression Strength of Gangue Glass-ceramics

Zheng Linyi

(Department of Material Science and Engineering Anhui University of Science and TechnologyHuainan232001)

Abstract: Cross experiment was used to investigate the effect of heat treatment on compression strergth of gangue glass-ceramic，and the optimal heat-treatment technics was obtained.The data provided useful reference for the mass production of CaO-MgO-Al2O3-SiO2 gangue glass-ceramics.

Keywords: gangue，glass-ceramic，cross experiment，strength