復合稀土氧化物對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

(山東省聊城大學材料學院 山東聊城 252059)

復合稀土氧化物對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

(山東省聊城大學材料學院 山東聊城 252059)

討論了不同類型和不同量的六種稀土氧化物La2O3、CeO2、Y2O3、Sm2O3、Nd2O3、Dy2O3對氧化鋁陶瓷進行摻雜的試驗過程,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提高陶瓷耐磨損性能的效果要好。

復合稀土氧化物 氧化鋁陶瓷 耐磨性能

前言

本世紀30年代,國外已將稀土氧化物應用到陶瓷工業中,我國自70年代開始了這方面的工作。研究表明,引入稀土氧化物可改善陶瓷性質,但其改變并不是稀土氧化物的直接結果,而是由于稀土元素使組成坯體的結晶相的種類、形狀、大小、分布狀態以及所含氣孔等顯微結構發生變化的緣故。

A l2O3含量在90%左右的高鋁瓷(90瓷),具有較高的機械強度和耐磨性,以及較好的高溫熱性能,成本也相對較低,在國內有著廣闊的市場,其應用于機械、陶瓷、化工、冶金、建材等領域。將稀土應用于高鋁瓷中,以降低燒成溫度,提高瓷質性能是目前產業界的需要[1～3]。研究發現,加入適量的單一稀土氧化物可以促進氧化鋁陶瓷的燒結程度,而且有利于耐磨性能的提高[4～7]。但是對于多種稀土氧化物的運用研究相對較少,筆者將多種稀土氧化物對氧化鋁陶瓷耐磨性能的影響狀況進行了探討。

1 實驗

本實驗以90瓷為研究對象,以傳統的固相法來制備氧化鋁陶瓷。實驗以α-A l2O3和Si-M g-Ca-Ba系熔劑為基礎原料,分別加入不同類型和不同量的6種稀土氧化物La2O3、CeO2、Y2O3、Sm2O3、Nd2O3、Dy2O3進行摻雜。在對以上6種稀土氧化物對氧化鋁陶瓷性能的影響較深入地研究基礎上,設計了正交試驗,本實驗復合添加劑正交表設計采用L18(2×37)表,通過實驗確定較好的實驗配方,然后再通過優化實驗,得到優化配方。

A l2O3陶瓷的生產工藝要經過以下幾個主要工序:原料配料→球磨→加粘結劑→造粒→成形→干燥(素燒)→燒結→檢測。

耐磨性的測量步驟如下:將測定好密度的樣品,放入烘箱中,在150℃下烘干至恒重,置于干燥器內冷卻至室溫。稱取試樣質量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,稱取樣品的質量。則:每小時磨損率η=(M-m)/8M×100%。

本實驗用阿基米德排水法測量樣品的體積密度和顯氣孔率,采用自動X射線衍射儀(D/MAX-Ⅲ型)做陶瓷樣品晶體結構的測試,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構。

2 結果與討論

2.1 各因素、水平表及正交實驗

根據單因素試驗結果可知,La2O3、CeO2、Y2O3、Sm2O3、Nd2O3、Dy2O3六種稀土氧化物的添加量均適量,在以前工作的基礎上,再于基礎原料中添加劑CaO(以CaCO3形式加入)和M gO(以M gCO3形式加入)為另外兩個因素,正交實驗設計的各因素及其水平數如表1所示。

表1 正交試驗各因素、水平數

經試驗得到密度和磨耗的數據分別如表2、表3所示。

表2 1 490℃正交試驗樣品密度測試結果

表3 1 490℃正交試驗樣品磨耗測試結果

從表2的極差分析可知,對密度的影響因素大小順序為: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,對磨耗的影響大小順序為:La2O3>滑石>CaCO3>Dy2O3> Nd2O3>Sm2O3>Y2O3>CeO2。

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

2.2 優化實驗

根據正交實驗經驗和分析結果可知,1 490℃燒結條件下Sm2O3對促進燒結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多,反而降低了氧化鋁陶瓷的密度,但添加單一的Sm2O3對促進燒結以及對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,性能更好。所以,在優化實驗中選擇添加兩種或三種對密度和耐磨性能有利的稀土氧化物進行實驗。優化實驗以α-A l2O3和Si-M g-Ca-Ba系添加劑為基礎原料,分別加入不同類型和不同量的稀土氧化物進行摻雜。如表4所示。經1 490℃燒結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量

從測試結果來看,在1 490℃燒結條件下,Y2O3+ CeO2的樣品促進燒結效果最好,燒結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。這說明了Y2O3和CeO2結合使用更能促進燒結。

表5 實驗測試結果

添加Y2O3+La2O3對燒結有利,能提高制品致密度,樣品氣孔率低、耐磨性能好。

添加Sm2O3+Y2O3對低溫燒結密度不利,但對高溫燒結密度影響不大,且制品氣孔率也較高,耐磨性能不好。添加Sm2O3+La2O3能促進燒結,能提高制品致密度,同時氣孔率很低,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,對制品的致密度提高效果明顯,這說明Dy2O3的加入更能促進燒結,但Dy2O3的加入更易生成較多的玻璃相,對耐磨性能不利,所以產品的耐磨性能提高不明顯。

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

圖1 配方5在1 490℃燒結陶瓷的XRD圖譜

從以上分析可以看出,添加復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℃燒結制品的SEM圖

從以上分析可得,添加一種或幾種的復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,效果反而很好。幾種稀土氧化物共同添加到氧化鋁陶瓷內,對氧化鋁陶瓷的燒結共同起作用,這種作用不是單純的加和,應該有互相影響的機理存在。經優化實驗5配方制品的X射線分析如圖1所示,與沒有添加稀土氧化物的燒結制品的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,但沒有Y2O3、CeO2的特征峰,這說明Y2O3、CeO2的加入與基體材料生成了固溶體,且沒有改變晶體的結構,但固溶強化作用使得瓷體整體性能較好。配方5在1 490℃燒結陶瓷SEM圖如圖3所示。從圖3可以看出燒結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,這些結構特征使得瓷體的耐磨性能良好。

3 結論

研究發現,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良的性質,還彌補了一種稀土氧化物帶來的不足,使得作用效果較好;同時多種稀土氧化物的相互作用也能夠促進氧化鋁陶瓷的燒結,提高瓷體耐磨性能。

經優化試驗得到Y2O3+CeO2的效果最好,它的加入使氧化鋁瓷致密度提高,相對密度可達96.2%,超過單獨添加任一種稀土氧化物Y2O3或者CeO2樣品的密度。La2O3+Y2O3、Sm2O3+La2O3促進燒結的效果也比添加單一的要好,且耐磨性能明顯提高。這說明兩種稀土氧化物的作用機理更加復雜,這種混合不是簡單的量的加和,這種相互作用對氧化鋁陶瓷的燒結和性能提高更有利,但其作用原理尚待研究。

1 穆柏春,等.陶瓷材料的強韌化.北京:冶金工業出版社,2002

2 蘇雪筠.氧化鋁瓷的顯微結構與斷裂韌性關系的研究.無機材料學報,1994(6):221～226

3 穆柏春,孫旭東.稀土對A l2O3陶瓷燒結溫度、顯微組織和力學性能的影響.中國稀土學報,2002(12):104～107

4 郭瑞松,郭多力.添加稀土氧化物對氧化鋁復相陶瓷性能的影響.硅酸鹽學報,2002(2):112～116

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7 Amiya P,Goswami,Sukumar Roy,Manoj K,M itra. Gopes C.D as influence of pow der.chemistry and intergranular phase on the wear resistance of Liquid-phase-sinered Al2O3, Wear,2001,244:1～14

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

聊城大學大學生科技文化創新基金和聊城大學校級課題支持。(項目編號:SRT10013和SRT10019CL2)