溶胶—凝胶法制备陶瓷刚玉磨料工艺及性能优化

发布时间：2020-05-27 06:20

【摘要】：陶瓷刚玉磨料自问世以来,由于其在强度、韧性、自锐性等方面与传统刚玉磨料相比有着显著提升,并且价格远低于金刚石、立方氮化硼等超硬磨料,所以一直备受加工领域的青睐。本文系统研究了碱性和酸性两种溶胶-凝胶制备工艺,针对陶瓷刚玉磨料的结构与性能,讨论了晶种、添加剂、烧结制度、前躯体制备工艺等因素的影响。研究结果表明,晶种晶粒比表面积越大,对θ-Al_2O_3→α-Al_2O_3相变促进作用越显著,1100°C烧制的α-Al_2O_3晶种平均粒径在150 nm以下,当添加量为3 wt%时,能将相变温度降低至1117°C。采用碱性溶胶-凝胶法制备陶瓷刚玉磨料时,不同添加剂体系的最佳工艺参数不同:在(NH4)_3AlF_6-TiO_2-La_2O_3复相添加的体系中,当三元添加剂摩尔比为6:10:5,添加量为3 wt%时,在1350°C下保温1 h,获得的试样微观结构均匀致密,晶粒平均粒径小于450 nm,对应的抗压强度为44N。在La_2O_3-TiO_2-SiO_2复相添加的体系中,La_2O_3可以和TiO_2以及Al_2O_3形成LaAl_(11)O_(18)和La_4Ti_3O_(12)晶界第二相,通过降低晶界迁移速率来抑制晶粒长大,进而改善试样抗压强度。当La_2O_3-TiO_2-SiO_2三元添加剂摩尔比为3:6:5,添加量为2.5 wt%时,在1400°C下保温1 h,磨料试样相对密度达96.5%,晶粒平均粒径为400 nm左右,此时试样单颗粒抗压强度取得最大值50.3 N。通过碱性溶胶-凝胶制备工艺可以制得稳定的t-ZrO_2与α-Al_2O_3复合陶瓷磨料,其中ZrO_2在基体中以ZrO_2/Al_2O_3的复合形式存在。不同组试样单颗粒抗压强度波动较小,均高于35 N,当ZrO_2含量为20 wt%,TiO_2/SiO_2(摩尔比为6:5)添加量为3 wt%时,第二相晶粒弥散分布,磨粒内部粒径分布非常窄。以拟薄水铝石为原料,HNO_3为胶溶剂,可以通过简单高效的工艺制得陶瓷刚玉磨料。当SiO_2单独添加和La_2O_3/SiO_2二元添加时,试样内部晶粒呈片状发育;当MgO/SiO_2二元添加时,晶粒呈等轴状;当La_2O_3-TiO_2-SiO_2(摩尔比为3:6:5)添加量为2 wt%时,试样内部晶粒为等轴状,粒径分布窄,微观结构致密,抗压强度为48.9 N,与采用碱性溶胶-凝胶法制备的陶瓷刚玉磨料相比,在工艺更加高效的同时,试样依然保持优秀的性能。
【图文】：

3图 1-1 磨料的分类Fig. 1-1 Classification of abrasives1.2 刚玉的晶体结构及性质Al2O3有多种晶型，其中包括单斜相的θ-Al2O3，斜方相κ-Al2O3，四方l2O3，立方相的γ-Al2O3，，立方相的χ-Al2O3、立方相的η-Al2O3等[3]，其中α-A唯一的热力学稳定相。α-Al2O3，矿物学名称为刚玉，属于三方晶系，对称元素 L33L23PC，R3群。晶格常数:a0=0.512 nm，轴角α=55o17′，Z=2。晶体结构如图 1-2 所示沿垂直于三次轴方向作 ABAB...型的六方紧密堆积，Al3+填充在氧离子组

图 1-2 α-Al2O3晶体结构[4]Fig. 1-2 Crystal structure of α-Al2O3[4]表 1-1 α-Al2O3各项性质参数Table 1-1 The Property parameters of α-Al2O3物理性能 参密度(g/cm-3) 3熔点(oC) 2050氏硬度(GPa) 21性模量(GPa) 366压强度(MPa) 280弯强度(MPa) 300韧性(MPa·m1/2) 2.8系数(W·m-1·K-1) 1.57介电常数 10
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG73

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本文编号：2683096