耐磨铝硅酸盐微晶玻璃的制备及其摩擦学特性研究

【摘要】： 铝硅酸盐微晶玻璃具有机械强度高、耐磨损、化学稳定性好等特性，它在航天航空、机械、建筑和化学工程上具有广阔的应用前景，且组成该系统的氧化物原料资源丰富，因此，近年来该系统微晶玻璃的开发研究十分活跃。有关该系统玻璃的组成与性能、分相与析晶方面已开展了一定的研究，但在如何提高其耐磨性能，进一步扩大其在耐磨、耐腐蚀结构件上的使用范围，目前尚缺乏深入研究。本文旨在开发一种新型耐磨、耐腐蚀微晶玻璃材料，以更好地满足工程领域对高性能结构材料应用的需求。 本文对微晶玻璃的发展历史、制备技术及其失效特性作了较系统的综述。以石英、长石、白云石、方解石和滑石等天然矿物为主要原料，CaF_2、Cr_2O_3和ZrO_2作为复合晶核剂，采用熔融法制备了一种新型耐磨、耐蚀材料——耐磨铝硅酸盐微晶玻璃(简称为耐磨微晶玻璃)。用X射线衍射仪测定了材料的物相组成，其主晶相为透辉石，并含有少量硅灰石；用扫描电子显微镜观察了材料的显微结构，其中大部分晶粒尺寸在100nm左右。 实验表明：晶核剂CaF_2有利于降低玻璃系统的晶化温度和析晶活化能，当加入4wt％(以下简写为％)的CaF_2时，晶化温度和析晶活化能分别为936℃和172.75KJ／mol，而加入6％的CaF_2时，晶化温度和析晶活化能为890℃和88.81KJ／mol。复合晶核剂(CaF_2、Cr_2O_3和ZrO_2)可以进一步降低界面能，使成核活化能降低，有利于玻璃的分相和析晶，从而易得到组织致密、晶粒细小的耐磨微晶玻璃。经正交实验优化，复合晶核剂中CaF_2、Cr_2O_3和ZrO_2含量分别为6％、1.2％和6％时材料耐磨性能最佳。 稀土氧化物CeO_2的引入有利于改善玻璃液的澄清效果，消除气泡，使微晶玻璃材料晶体颗粒更细小，组织更致密，性能有所改善，同时微晶玻璃的耐碱性得到明显的改善，其含量以1.5％为好。系统中MgO含量的变化对微晶玻璃的性能有较大的影响，当MgO含量在6～15％时，随着MgO含量的增加，微晶玻璃的抗弯强度逐渐增加。当MgO含量为15％时，抗弯强度达到最大值，为275MPa。当MgO含量超过15％时，由于组织中玻璃相的增加，导致材料性能有所下降。同时随着MgO含量的增加，微晶玻璃的显微硬度逐渐增加，MgO含量为15％的试样硬度最高，达到7.98GPa。 微晶玻璃晶化工艺参数对材料的耐磨性和抗弯强度影响显著，对于受多种因 湖南大学博士学位论文 素影响的玻璃晶化过程，采用正交试验方法可较快找出各因素对微晶玻璃性能的 影响规律，并使工艺参数得到优化。所得工艺参数为:T。二790℃、:。=l .sh;T 晶=930℃、T晶=o.sh和升温速率小于5℃/min。所制得耐磨微晶玻璃的性能指标为: 抗弯强度为278MPa;显微硬度为7.98GPa;相对耐磨性为90%A12O3瓷球的 (l/0 .665)1 .5倍。 摩擦与磨损是工程材料的重要服役性能之一。在制备耐磨微晶玻璃的基础 上，对该材料的摩擦学特性进行了评价，特别探讨了载荷、转速对耐磨微晶玻璃 摩擦磨损性能的影响，应用现代微观表面测试分析技术和摩擦学原理研究了该材 料的磨损机理。结果表明:耐磨微晶玻璃在摩擦过程中，表层产生晶粒滑移和犁 沟，出现疲劳脆性断裂和微裂纹，并发现有对偶件材料的转移和表面膜的形成。 载荷和转速的变化对材料磨损特性影响显著，随着载荷的增加耐磨微晶玻璃的磨 损量明显的增大，当载荷在20~40N时，磨损量随载荷增加较快，40N时的磨损 量大约为20N时的1 .8倍。当载荷继续增加时，磨损量增长较缓慢。耐磨微晶玻 璃的磨损量在转速为400印m时最大，其值为1.2一1.4mg，转速增大或减小，磨损 量有所降低，当转速为100印m时，材料的磨损量最小，其值为0.8一1.Omg。 耐磨微晶玻璃的磨损率随温度的变化规律如下:从室温至500℃，磨损率随 温度升高而增加，在500℃时达到最大。在500一800℃之间，磨损率显著降低， 降幅可接近两个数量级，表明该材料具有良好的高温自润滑性。