納米組分優(yōu)化對陶瓷結(jié)合劑耐火度的影響研究

劉鑫鑫，劉世凱，張吉祥

(河南工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

納米組分優(yōu)化對陶瓷結(jié)合劑耐火度的影響研究

劉鑫鑫，劉世凱*，張吉祥

(河南工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南鄭州450001)

以硼鋁硅酸鹽為基礎(chǔ)體系，運(yùn)用正交實(shí)驗(yàn)的方法，不改變原始配方，把結(jié)合劑中Al2O3，SiO2，CaO成分部分替換為納米Al2O3，納米SiO2，納米CaO，以陶瓷結(jié)合劑耐火度為正交試驗(yàn)性能指標(biāo)，研究了納米組分優(yōu)化對陶瓷結(jié)合劑耐火度的影響。結(jié)果表明：納米組分對耐火度的影響由強(qiáng)到弱依次為：納米Al2O3、納米SiO2、納米CaO;第七組配方(即納米Al2O3為2%，納米SiO2為4%，納米CaO為1%)對耐火度的影響最大，相比基礎(chǔ)陶瓷結(jié)合劑降低了100℃，達(dá)到730℃。

組分優(yōu)化；納米材料；陶瓷結(jié)合劑；耐火度

進(jìn)入“十三五”以來，我國對工業(yè)的發(fā)展提出更高的要求，并設(shè)定了中國工業(yè)制造業(yè)發(fā)展大戰(zhàn)略。然而我國制造業(yè)基礎(chǔ)仍然落后的現(xiàn)狀成為其向高端發(fā)展的瓶頸，主要原因是對材料的加工設(shè)備不先進(jìn)以及加工精度水平較低，難以達(dá)到較高的要求，國內(nèi)對高速、高效、高精密加工工具的發(fā)展相對較落后，高精度加工設(shè)備等與國外發(fā)達(dá)國家相差甚遠(yuǎn)[1]。因此，大力發(fā)展材料的加工工具對提升我國材料加工水平及國際競爭力意義深遠(yuǎn)。

加工工具種類繁多，其中陶瓷結(jié)合劑磨具是其中之一。陶瓷結(jié)合劑磨具有高強(qiáng)、耐磨、自銳性好、效率高、壽命長等優(yōu)異的性能[2]。但是，傳統(tǒng)陶瓷結(jié)合劑磨具性能仍不足以滿足現(xiàn)代的加工要求，結(jié)合劑作為陶瓷磨具的重要組成部分，結(jié)合劑的性能對磨具有著關(guān)鍵性影響。而結(jié)合劑耐火度作為其一項(xiàng)重要性能指標(biāo)，因此對結(jié)合劑耐火度的研究勢在必行。耐火度是指結(jié)合劑在高溫軟化時(shí)的溫度。若耐火度過高會導(dǎo)致磨具的硬度和強(qiáng)度降低，影響磨具的使用性能。目前，國內(nèi)外學(xué)者主要研究了納米添加對陶瓷結(jié)合劑耐火度的影響。侯永改等[3]研究了納米氧化鋯對結(jié)合劑耐火度的影響，當(dāng)納米氧化鋯添加量逐漸增大時(shí)，耐火度先下降后上升。王艷輝等[4]研究了納米添對陶瓷結(jié)合劑影響，結(jié)果表明納米添加降低了耐火度。但是，目前對陶瓷結(jié)合劑自身組分優(yōu)化對其耐火度的研究還很少。本實(shí)驗(yàn)不改變原始配方，運(yùn)用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，研究了納米組分優(yōu)化對陶瓷結(jié)合劑耐火度的影響，為得到性能優(yōu)異的陶瓷結(jié)合劑配方。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料及玻璃料的制備

以分析純氧化硅、氧化鋁、氧化鈣、碳酸鉀和碳酸鈉為原料，按照配方混合均勻，在一定壓力下，用8字模具壓成八字塊，經(jīng)投料到坩堝中高溫熔煉，急冷，在干燥箱中進(jìn)行干燥，然后放入球磨罐中進(jìn)行球磨至200目以細(xì)，得到基礎(chǔ)陶瓷結(jié)合劑粉。

1.2 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)為3水平試驗(yàn)，選用Ln(3m)型正交表，本試驗(yàn)共有三個(gè)因素，分別為(A)納米氧化鋁、(B)納米二氧化硅、(C)納米氧化鈣，所以選用L9(34)型正交表來安排試驗(yàn)。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)具體如1所示。

表1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)表1的試驗(yàn)方案，進(jìn)行試驗(yàn)過程。

1.3 試樣制備

把熔煉過的陶瓷結(jié)合劑粉稱量，再和一定量納米氧化硅、納米氧化鋁和納米氧化鈣進(jìn)行混合，考慮到納米材料不易和其它材料混合均勻的特點(diǎn)，用分散劑乙醇進(jìn)行分散，然后經(jīng)過干燥箱干燥，再加入一定比例的PVA，再次混合均勻，經(jīng)一段時(shí)間燜料，用模具壓制成Φ8mm×8mm的圓柱試樣，經(jīng)過在干燥箱干燥，取出試樣以待測定耐火度。

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)合劑耐火度的研究

本次試驗(yàn)每組試樣的耐火度具體數(shù)值如表2所示， 其中0組為基礎(chǔ)陶瓷結(jié)合劑對照組，從表2中可以看出，第7組樣品的耐火度最低，為730℃，第1和第3組試樣耐火度最高，相比于對照組試驗(yàn)基本無變化。相比于前面幾組樣品，后面的幾組樣品的耐火度有顯著的降低，對照前面試驗(yàn)設(shè)計(jì)的配方表后面幾組樣品中的納米Al2O3添加量較大，因此可初步推斷納米Al2O3的添加相比于其他兩種納米添加物對于結(jié)合劑耐火度的影響更大，且隨著納米Al2O3添加量的增多，耐火度更低。

表2 耐火度

2.2 結(jié)合劑耐火度的正交分析

2.2.1 耐火度

如表3所示，通過過極差分析法可知：(1)納米組分對耐火度的影響由強(qiáng)到弱依次為：納米Al2O3、納米SiO2、納米CaO，其中空列的極差大于納米氧化鈣的，這表明不同因素之間存在交互作用，進(jìn)行相關(guān)研究需進(jìn)一步考慮；(2)以耐火度為指標(biāo)，最優(yōu)化方案為A3B3C2(納米Al2O32%、納米SiO24%、納米CaO 1%)，即第7組配方。

表3 耐火度的正交表

表3(續(xù))

2.2.2 因素趨勢圖

圖1 耐火度因素趨勢圖

從圖1(a)可以看出，納米氧化鋁可以有效的降低耐火度而且隨著含量增加，耐火度降低速度變緩。圖1(b)圖為納米氧化硅耐火度趨勢圖，圖中隨著納米氧化硅含量增加，耐火度有所提高，把納米氧化硅含量提高為4%時(shí)，反而有明顯下降。圖1(c)圖為納米氧化鈣因素趨勢圖，隨著納米氧化鈣含量增加，耐火度出現(xiàn)先降后升的現(xiàn)象，并且提高的不是很明顯，由此看出，納米氧化鈣為1%時(shí)，其對降低耐火度影響最大。

3 結(jié)論

(1)納米組分對耐火度的影響由強(qiáng)到弱依次為：納米Al2O3、納米SiO2、納米CaO。(2)第七組配方(即納米Al2O3為2%，納米SiO2為4%，納米CaO為1%)對耐火度的影響最大，相比基礎(chǔ)陶瓷結(jié)合劑降低了100℃，達(dá)到730℃。

[1] 袁巨龍, 張飛虎, 戴一帆,等. 超精密加工領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)發(fā)展研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2010, 46(15):161-177.

[2] 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.

[3] 侯永改，田久根，馬加加，周青海.納米氧化鋯對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.

[4] 王艷輝，張向紅，葛恩報(bào)，等．納米陶瓷結(jié)合劑超硬磨具的制造工藝[J]. 超硬材料工程，2009, 21(2):12-15.

(本文文獻(xiàn)格式：劉鑫鑫，劉世凱，張吉祥.納米組分優(yōu)化對陶瓷結(jié)合劑耐火度的影響研究[J].山東化工，2017，46(16)：36-37，43.)

Effect of Nano Component Optimization on Refractoriness of Vitrified Bond

Liu Xinxin, Liu Shikai*, Zhang Jixiang

(School of Materials Science and Engineering, Henan University of Technology, Zhengzhou 450001,China)

Using Boron aluminum silicate as basic system ,the research replaced the part Al2O3, SiO2,CaO of the original formula With nano Al2O3, nano SiO2, nano CaO without changing the composition of the original binder formula,then we instituded effect of nano component optimization on refractoriness of vitrified bond by method of orthogonal experiment. The research results show that the influence of nano composition on refractoriness is from nano to nano Al2O3, nano SiO2and nano CaO. And the content of nano Al2O32% ,nano CaO 1%, nano SiO24% is the optimum scheme of nano component of nano vitrified bond,and the minimum refractoriness 730℃.Mainwhile, its refractoriness is 100 degrees lower than the basic vitrified bond.

component optimization; nano material; vitrified bond ; refractoriness

TQ174.1

：A

：1008-021X(2017)16-0036-02

2017-06-08

河南省科技廳自然科學(xué)項(xiàng)目(152102210271)；河南省教育廳自然科學(xué)項(xiàng)目 (14B430019)

劉鑫鑫(1990—)，河南商水人，河南工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院碩士研究生, 主要從事納米陶瓷結(jié)合劑的制備及應(yīng)用研究；通訊作者: 劉世凱(1979— )，河南登封人，博士，河南工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院副教授，主要從事納米技術(shù)在超硬材料和磨料磨具中的應(yīng)用研究。