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MgO助剂对Al2O3陶瓷烧结的增强机制研究作者：薄睿恬姜宏伟郑友进来源：《佛山陶瓷》2017年第05期摘要：通过添加一定比例的MgO作为烧结助剂，研究常压条件下MgO对Al2O3晶粒烧结过程的变化情况。
本研究工作主要通过两组MgO比例及关键温度点的时间控制实验，来考察Al2O3晶粒的烧结状况。
对样品进行了体积密度、硬度、表面形貌和晶体结构测试。
实验表明，0.8wt% MgO助剂和关键点温度的保持，使MgO助剂烧结生成物MgAlO4在起到钉扎作用的同时，可以填充Al2O3晶粒形成的空隙，MgAlO4小晶粒的钉扎和填充，共同成为Al2O3陶瓷的增强机制。
关健词：Al2O3陶瓷；晶粒控制；空隙填充1 引言氧化铝陶瓷是一种极为常用的陶瓷材料，具有优良的绝缘、透光、耐高温、耐磨、耐腐蚀性能。
一般采用放电等离子烧结、热压烧结、超高压烧结、微波烧结、等离子束熔融法等方法制备，通过这些各有特点的方法，得到了具有各方面优异性能的氧化铝陶瓷，满足了人们对氧化铝性能的需求。
随着技术的发展，氧化铝陶瓷作为重要的功能陶瓷材料，微观结构的样式决定着制品性能的实现程度，因此，通过不同的工艺手段改变其结构样式，是新型氧化铝陶瓷材料的重要研究内容。
Elena A. T等[1]采用5 μm的MgO-Al2O3基复合微粉，并添加了纳米级Ce、Zr粉，通过3种温升曲线，研究了MgO-Al2O3的烧结工艺。
张志林等[2]以MgO-Al2O3为烧结助剂，对微晶Al2O3陶瓷进行了研究。
刘兵等[3]研究了加入Y2O3和Pr6O11混合纳米粉，对Al2O3陶瓷微观组织结构的影响。
夏清等[4]研究了MgO-CaO-Si2O等助剂对95瓷的烧结影响。
单萌等[5]研究了添加微量MgO助剂的亚微米晶氧化铝。
孙阳等[6]研究了MgO烧结助剂对氧化铝多孔陶瓷结构和性能的影响。
可以看出，对于氧化铝陶瓷提升性能的研究，基本是通过添加助剂提高液相动力、通过助剂或中间相提供障碍阻止氧化铝晶粒长大这样的技术途径来实现的。
在95瓷中普遍采用CaO、MgO、SiO2以及过渡金属和稀土金属氧化物为添加剂。
它能在较低温度下烧成，在呈微结构中一般会有10%(体积)的玻璃相和次晶相，在CaO-Al2O3_SiO2系相图中，最低共溶相温度为1495℃，当瓷料组成中SiO2/CaO比<2.16时，与刚玉共存的矿物是钙长石和六铝酸钙；而当SiO2/CaO>2.16时，则刚玉将与莫来石和钙长石共存。
MgO-Al2O3-SiO2系的优点是耐酸性好，结构中晶粒细小，但烧结温度要比CaO-Al2O3-SiO2偏高几度。
引入物Y2O3、La2O3与之复合，可进一步降低烧成温度。
CaO-MgO-Al2O3-SiO2系兼具烧成温度低和晶粒小，组织结构较致密，抗酸碱腐蚀能力较强的特点。
95瓷还可添加BaO、BaO-Al2O-SiO2系具有瓷体表面光洁度好，耐酸碱腐蚀性好，体积电阻率高等优点。
以Cr2O3、MnO2、TiO2等过渡金属氧化物作为添加剂，便生成着色95瓷，具有烧结温度低，机械强度高，耐磨性和金属封接性能好等特点。
75瓷中加入高岭土、膨润土、BaCO3、方解石、滑石、菱镁矿等作为添加物，它有两类，一类是以SiO2为主要添加物的瓷料，其主晶相除刚玉外，尚有一定量的莫来石相；另一类加入少量CaO,MgO,BaO等碱土金属氧化物，这类瓷料中的晶相仍以刚玉为多，莫来石热爱少。
性能优异的黑色氧化铝陶瓷是引入过渡元素Fe、Co、Ni、Cr、Mn、Ti、V等生成的。
如在氧化铝瓷料中加入3%-4%上述部分过渡元素的混合物，即可烧制黑色氧化铝陶瓷。
配方实例几种95瓷、75瓷的实用配方：95瓷：1# 煅烧Al2O393.5%、SiO21.28%、CaCO33.25%、1#苏州土1.29％2# 煅烧Al2O394%、烧滑石3％、1#苏州土3%3# 煅烧Al2O394%、烧滑石4%75瓷：1# 煅烧Al2O365%、1#苏州土24%、膨润土2%、BaCO34%、方解石3%、生滑石2%2# 煅烧Al2O365%、1#苏州土25%、BaCO3 4%、方解石3%、生滑石3%3# 煅烧Al2O350%、1#苏州土10%、膨润土7%、BaCO35%、方解石3%、生滑石5%4# 煅烧Al2O370%、1#苏州土10%、膨润土7%、BaCO35%、方解石3%、生滑石氧化铝陶瓷是无机非金属材料氧化铝陶瓷粉-----球磨-----制浆（加入粘结剂、分散机等）----造粒----成型（包括干压成型、注浆成型、热压、注射成型、等静压等等，根据你说的陶瓷片的话，干压就行了）---烧结（1550度以上）氧化铝陶瓷是一种以α-Al2O3为主晶相的陶瓷材料。
特种陶瓷制备工艺采用高度精选的原料，具有能精确控制的化学组成，按照便于进行结构设计及控制制造的方法进行制造、加工，具有优异特性的陶瓷称为特种陶瓷。
由于不同的化学组分和显微结构而决定其具有不同的性质和功能，如高强度、高硬度、耐腐蚀、导电、绝缘、磁性、透光、半导体以及压电、铁电、光电、电光、声光、磁光、超导、生物相容性等。
由于绝缘特殊，这类陶瓷可运用于高温、机械、电子、宇航、医学工程等方面，成为近代尖端科技技术的重要组成部分。
特种陶瓷的生产步骤大致可以分为三步：第一步是陶瓷粉体的制备、第二步是成型、第三步是烧结。
一、陶瓷粉体的制备粉体的制备方法有：固相法、液相法、和气相法等。
1.固相法：化合反应法：化合反应一般具有以下的反应结构式：A(s)+B(s)→C(s)+D(g)两种或两种以上的固态粉末，经混合后在一定的热力学条件和气氛下反应而成为复合物粉末，有时也伴随一些气体逸出。
钛酸钡粉末的合成就是典型的固相化合反应。
等摩尔比的钡盐BaCO3和二氧化钛混合物粉末在一定条件下发生如下反应：BaCO3+TiO2→BaTiO3+CO2↑该固相化学反应在空气中加热进行。
生成用于PTC制作的钛酸钡盐，放出二氧化碳。
但是，该固相化合反应的温度控制必须得当，否则得不到理想的、粉末状钛酸钡。
热分解反应法：用硫酸铝铵在空气中进行热分解，就可以获得性能良好的Al2O3粉末。
氧化物还原法：特种陶瓷SiC、Si3N4的原料粉，在工业上多采用氧化物还原方法制备，或者还原碳化，或者还原氧化。
例如SiC粉末的制备，是将SiO2与粉末混合在1460～1600℃的加热条件下，逐步还原碳化。
其大致历程如下：SiO2+C→SiO+CO↑SiO+2C→SiC+CO↑SiO+C→Si+CO↑Si+C→SiC2.液相法：由液相法制备粉末的基本过程为：金属盐溶液→盐或氢氧化物→氧化物粉末所制得的氧化物粉末的特性取决于沉淀和热分解两个过程。
热分解过程中，分解温度固然是个重要因素，然而气氛的影响也很明显。
氧化铝粉低温烧结工艺生产实践摘要：氧化铝粉具有较高的表面自由，想要达到整体晶格稳定，提高制备质量，低温烧结技术是关键，因此，本文主要分析氧化铝粉低温烧结工艺生产实践。
关键词：氧化铝粉；低温；烧结工艺；生产实践引言氧化铝材料功能在很大程度上由原料与烧制温度硬性，通过分析从而证明低温烧结工艺能够有效提高氧化铝材料质量。
1、概述高品质氧化铝是当今世界快速发展的新材料之一，可制备耐火材料、透明陶瓷、锂电池隔謝料、高性能陶瓷、人造宝石和精密抛光材料及半导体材料等产品。
目前，高品质氧化错的应用前景广阔，发展潜力巨大，但我国生产的高品质氧化错与国外知名公司（例如日本“住友”、日本“大明化学＂和法国“Baikowski”等）相比还存在较大的差距，主要表现在国内产品的纯度、粒度和分散性不能满足市场需求。
利用拜耳法生产的工业氧化错存在同样的问题：颗粒粗大、纯度低、钠含量高，严重制约了氧化钥产品的应用。
氢氧化错产品是拜耳法制备氧化钥的中间原料，氢氧化铝粉体原料的品质（粒度和纯度）直接影响氧化铭产品的品质，因此制备高品质氢氧化错产品是制备高品质氧化错的关键。
氢氧化错中氧化纳含量有３种：①晶格碱，水无法洗去；②挂酸钠结合喊，此部分喊含量极少，主要由精液脱桂指数决定；（SAH附碱，主要由平盘的洗漆效果决定。
夹杂在氢氧化钥水合物中的钠在烧结过程中会形成高铝寧钠（xNa2O*yAI2203），降低a－AI203的转化率和活率，进而影响麟产物氧化钥的物化性能。
因此，除去氢氧化钥中的钠已成为制备高纯氧化错工艺中的重飘节。
目前，制备高纯氧化错除钠主要有以下方法：①4氢氧化错烧结环节中加入除钠剂。
烧结过程中，加入除钠剂与钠反应形成易挥发的化合物，但在此过程中释放氟化物等有害气体，污染环境，工作条件恶化。
②s氢氧化水热电过程添加剂，目前主要年龄耐药是水溶液酸性物质，清洗氢氧化键。
但是在现有文献中，单一酸洗方法一般只能在02%左右的水平上去除裸露，制造的高纯氧化密钥难以获得99%以上的纯度。
陶瓷工艺学试题一．名词术语解释1．触变性：黏土泥浆或可塑泥团受到振动或搅拌时，黏度会降低而流动性增加，静置后逐渐恢复原状，泥料放置一段时间后，维持原有水分下也会出现变稠和固化现象，这种性质统称为触变性。
2．晶界：结晶方向不同的、直接接触的同成分晶粒间的交界处称为晶界。
3．白度：白度指陶瓷坯体表面对白光的漫反射能力，是陶瓷对白光的反射强度与理想的白色标准物体所反射白光强度之比的百分数。
4．等静压成型：等静压成型是装在封闭模具中的粉体在各个方向同时均匀受压成型的方法。
5．快速烧成：烧成时间大幅缩短而产品性能与通常烧成的性能相近得烧成方法称为快速烧成。
6.陶瓷的显微结构：显微结构是指在光学或电子显微镜下分辨出的试样中所含相的种类及各相的数量、颗粒大小、形状、分布取向和它们相互之间的关系。
7.微波干燥：微波干燥是以微波辐射使生坯内极性强的分子，主要是水分子的运动随交变电场的变化而加剧，发生摩擦而转化为热能使生坯干燥的方法。
8.烧成温度：烧成温度是指陶瓷坯体烧成时获得最优性能时的相应温度（即烧成时的止火温度）。
9.一次粘土——母岩经风化、蚀变作用后形成的残留在原生地，与母岩未经分离的粘土。
10.二次粘土——一次粘土从原生地经风化、水力搬运到远地沉积下来的粘土。
11.陶瓷工艺——生产陶瓷制品的方法和过程。
12.粉碎——使固体物料在外力作用下，由大块分裂成小块直至细粉的操作。
13.练泥——用真空练泥机或其他方法对可塑成型的坯料进行捏练，使坯料中气体逸散、水分均匀、提高可塑性的工艺过程。
14.陈腐——将坯料在适宜温度和高湿度环境中存放一段时间，以改善其成型性能的工艺过程。
15.筛余量——指物料过筛后，筛上残留物的重量占干试样总重量的百分数。
16.成型——将坯料制成具有一定形状和规格的坯体的操作。
17.可塑成型——在外力作用下，使可塑坯料发生塑性变形而制成坯体的方法。
18.注浆成型——将泥浆注入多孔模型内，当注件达到所要求的厚度时，排除多余的泥浆而形成空心注件的注浆法。
氧化铝陶瓷介绍来自:中国特种陶瓷网发布时间:2005-8-3 11:51:15氧化铝陶瓷制作工艺简介氧化铝陶瓷目前分为高纯型与普通型两种。
高纯型氧化铝陶瓷系Ａｌ２Ｏ３含量在９９．９％以上的陶瓷材料，由于其烧结温度高达１６５０—１９９０℃，透射波长为１～６μｍ，一般制成熔融玻璃以取代铂坩埚：利用其透光性及可耐碱金属腐蚀性用作钠灯管；在电子工业中可用作集成电路基板与高频绝缘材料。
普通型氧化铝陶瓷系按Ａｌ２Ｏ３含量不同分为９９瓷、９５瓷、９０瓷、８５瓷等品种，有时Ａｌ２Ｏ３含量在８０％或７５％者也划为普通氧化铝陶瓷系列。
其中９９氧化铝瓷材料用于制作高温坩埚、耐火炉管及特殊耐磨材料，如陶瓷轴承、陶瓷密封件及水阀片等；９５氧化铝瓷主要用作耐腐蚀、耐磨部件；８５瓷中由于常掺入部分滑石，提高了电性能与机械强度，可与钼、铌、钽等金属封接，有的用作电真空装置器件。
其制作工艺如下：一粉体制备：将入厂的氧化铝粉按照不同的产品要求与不同成型工艺制备成粉体材料。
粉体粒度在１μｍ?微米?以下，若制造高纯氧化铝陶瓷制品除氧化铝纯度在９９．９９％外，还需超细粉碎且使其粒径分布均匀。
采用挤压成型或注射成型时，粉料中需引入粘结剂与可塑剂，?一般为重量比在１０—３０％的热塑性塑胶或树脂?有机粘结剂应与氧化铝粉体在１５０—２００℃温度下均匀混合，以利于成型操作。
采用热压工艺成型的粉体原料则不需加入粘结剂。
若采用半自动或全自动干压成型，对粉体有特别的工艺要求，需要采用喷雾造粒法对粉体进行处理、使其呈现圆球状，以利于提高粉体流动性便于成型中自动充填模壁。
此外，为减少粉料与模壁的摩擦，还需添加１～２％的润滑剂?如硬脂酸?及粘结剂ＰＶＡ。
欲干压成型时需对粉体喷雾造粒，其中引入聚乙烯醇作为粘结剂。
近年来上海某研究所开发一种水溶性石蜡用作Ａｌ２Ｏ３喷雾造粒的粘结剂，在加热情况下有很好的流动性。
喷雾造粒后的粉体必须具备流动性好、密度松散，流动角摩擦温度小于３０℃。
氧化铝陶瓷的制备及其应用摘要：以Al2O3--SiO2为主要成分，同时含有一定量的Ba、Ca、Zr、Mg等矿化剂的氧化物陶瓷属于高铝瓷。
其中Al2O3的含量应在45%---99%。
本文简要介绍氧化铝陶瓷的制备及其应用。
关键词：氧化铝陶瓷正文（制备，表征，应用）氧化铝陶瓷是一种以氧化铝（Al2O3）为主体的陶瓷材料。
氧化铝陶瓷有较好的传导性、机械强度和耐高温性。
氧化铝陶瓷是一种用途广泛的陶瓷，因为其优越的性能，在现代社会的应用已经越来越广泛，满足于日用和特殊性能的需要。
氧化铝陶瓷分为高纯型与普通型两种。
高纯型氧化铝陶瓷系Al2O3含量在99．9%以上的陶瓷材料，由于其烧结温度高达1650—1990℃，透射波长为1～6μm，一般制成熔融玻璃以取代铂坩埚；利用其透光性及可耐碱金属腐蚀性用作钠灯管；在电子工业中可用作集成电路基板与高频绝缘材料。
普通型氧化铝陶瓷系按Al2O3含量不同分为99瓷、95瓷、90瓷、85瓷等品种，有时Al2O3含量在80%或75%者也划为普通氧化铝陶瓷系列。
其中99氧化铝瓷材料用于制作高温坩埚、耐火炉管及特殊耐磨材料，如陶瓷轴承、陶瓷密封件及水阀片等；95氧化铝瓷主要用作耐腐蚀、耐磨部件；85瓷中由于常掺入部分滑石，提高了电性能与机械强度，可与钼、铌、钽等金属封接，有的用作电真空装置器件。
氧化铝陶瓷制备1粉体制备将入厂的氧化铝粉按照不同的产品要求与不同成型工艺制备成粉体材料。
粉体粒度在1μm 以下，若制造高纯氧化铝陶瓷制品除氧化铝纯度在99．99%外，还需超细粉碎且使其粒径分布均匀。
采用挤压成型或注射成型时，粉料中需引入粘结剂与可塑剂，一般为重量比在10－30%的热塑性塑胶或树脂?有机粘结剂应与氧化铝粉体在150－200温度下均匀混合，以利于成型操作。
采用热压工艺成型的粉体原料则不需加入粘结剂。
若采用半自动或全自动干压成型，对粉体有特别的工艺要求，需要采用喷雾造粒法对粉体进行处理、使其呈现圆球状，以利于提高粉体流动性便于成型中自动充填模壁。
第一章1、1 溶胶凝胶1、什么是溶胶——凝胶？答：就是用含高化学活性组分的化合物作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。
2、基本原理（了解）3、设备：磁力搅拌器、电力搅拌器4、优点：该方法制备块体材料具有纯度高、材料成分易控制、成分多元化、均匀性好、材料形状多样化、且可在较低的温度下进性合成并致密化等5、工艺过程：自己看6、工艺参数：自己看2、1水热与溶剂热合成1、水热法：是指在特制的密闭反应器（高压釜）中，采用水溶液作为反应体系，通过对反应体系加热、加压(或自生蒸气压），创造一个相对高温、高压的反应环境。
2、溶剂热法：将水热法中的水换成有机溶剂或非水溶媒（例如：有机胺、醇、氨、四氯化碳或苯等），采用类似于水热法的原理，以制备在水溶液中无法长成，易氧化、易水解或对水敏感的材料。
3、优点：a、在有机溶剂中进行的反应能够有效地抑制产物的氧化过程或水中氧的污染；b、非水溶剂的采用使得溶剂热法可选择原料范围大大扩大；c、由于有机溶剂的低沸点，在同样的条件下，它们可以达到比水热合成更高的气压，从而有利于产物的结晶；d、由于较低的反应温度，反应物中结构单元可以保留到产物中，且不受破坏。
同时，有机溶剂官能团和反应物或产物作用，生成某些新型在催化和储能方面有潜在应用的材料4、生产设备：高压釜是进行高温高压水热与溶剂热合成的基本设备；（分类自己看),高压容器一般用特种不锈钢制成,5、合成工艺：选择反应物核反应介质——确定物料配方——优化配料顺序——装釜、封釜——确定反应温度、压力、时间等试验条件——冷却、开釜——液、固分离——物相分析6、水热与溶剂热合成存在的问题：1、无法观察晶体生长和材料合成的过程，不直观。
2、设备要求高耐高温高压的钢材，耐腐蚀的内衬、技术难度大温压控制严格、成本高。
以MnO2-TiO2-MgO为添加剂注浆成型低温烧结Al2O3陶瓷采用注浆成型方法,通过加入MnO2-TiO2-MgO复相添加剂,在1350℃空气气氛中常压烧结,获得了相对密度最大为95.7%的氧化铝陶瓷。
研究了MnO2-TiO2-MgO复相添加剂对氧化铝陶瓷显微结构与力学性能的影响。
在添加质量分数为3%MnO2,0.5%MgO的情况下,比较添加不同质量分数的TiO2（1.0～3.0%）对氧化铝陶瓷烧结性能的影响。
通过对比发现,该复相添加剂能有效降低氧化铝陶瓷的烧结温度,在同一温度下,随着TiO2的增加,烧结体密度也随之增加,强度也有明显差别。
结果表明,1350℃下Al2O3＋0.5%MgO＋3%MnO2＋1.5%TiO2体系烧结效果最好,断口为沿晶断裂,无明显气孔,晶粒分布均匀,平均粒径为2μm,无晶粒异常长大现象。
烧结体密度达到3.80g/cm^3,抗弯强度为243MPa。
结果表明,添加TiO2 5%、在1300oC时的常压烧结密度可达到理论值的97%.固定CuO(0.4%)和TiO2(4%)的添加量、改变TiO2(0--32%)和CuO(0--3.2%)的添加量(质量分数, 下同), 研究了CuO--TiO2复合助剂对氧化铝陶瓷烧结性能、微观结构、物相组成以及烧结激活能的影响, 以揭示复合助剂的低温烧结机理。
结果表明, 在1150--1200℃TiO2固溶入Al2O3生成Al2Ti7O15相, 并生成大量正离子空位提高了扩散系数, 从而以固相反应烧结的作用机理促进了氧化铝陶瓷的致密化; TiO2在Al2O3中的极限固溶度为2%--4%, 超过固溶极限的TiO2对陶瓷烧结没有促进作用; 添加适量的CuO(0.4%)可将TiO2在Al2O3中的固溶温度降低到1100℃以下, 并以液相润湿作用促进氧化铝陶瓷的致密烧结。
陶瓷烧结激活能的计算结果定量地印证了上述烧结机理; 当在Al2O3中添加4%的TiO2和2.4%的CuO,可将烧结激活能降低到54.15 kJ ? mol-1。
以MnO2-TiO2-MgO为添加剂注浆成型低温烧结Al2O3陶瓷采用注浆成型方法,通过加入MnO2-TiO2-MgO复相添加剂,在1350℃空气气氛中常压烧结,获得了相对密度最大为95.7%的氧化铝陶瓷。
研究了MnO2-TiO2-MgO复相添加剂对氧化铝陶瓷显微结构与力学性能的影响。
在添加质量分数为3%MnO2,0.5%MgO的情况下,比较添加不同质量分数的TiO2（1.0～3.0%）对氧化铝陶瓷烧结性能的影响。
通过对比发现,该复相添加剂能有效降低氧化铝陶瓷的烧结温度,在同一温度下,随着TiO2的增加,烧结体密度也随之增加,强度也有明显差别。
结果表明,1350℃下Al2O3＋0.5%MgO＋3%MnO2＋1.5%TiO2体系烧结效果最好,断口为沿晶断裂,无明显气孔,晶粒分布均匀,平均粒径为2μm,无晶粒异常长大现象。
烧结体密度达到3.80g/cm^3,抗弯强度为243MPa。
结果表明,添加TiO2 5%、在1300oC时的常压烧结密度可达到理论值的97%.固定CuO(0.4%)和TiO2(4%)的添加量、改变TiO2(0--32%)和CuO(0--3.2%)的添加量(质量分数, 下同), 研究了CuO--TiO2复合助剂对氧化铝陶瓷烧结性能、微观结构、物相组成以及烧结激活能的影响, 以揭示复合助剂的低温烧结机理。
结果表明, 在1150--1200℃TiO2固溶入Al2O3生成Al2Ti7O15相, 并生成大量正离子空位提高了扩散系数, 从而以固相反应烧结的作用机理促进了氧化铝陶瓷的致密化; TiO2在Al2O3中的极限固溶度为2%--4%, 超过固溶极限的TiO2对陶瓷烧结没有促进作用; 添加适量的CuO(0.4%)可将TiO2在Al2O3中的固溶温度降低到1100℃以下, 并以液相润湿作用促进氧化铝陶瓷的致密烧结。
陶瓷烧结激活能的计算结果定量地印证了上述烧结机理; 当在Al2O3中添加4%的TiO2和2.4%的CuO,可将烧结激活能降低到54.15 kJ ? mol-1。
研究了单独引入TiO2、CAS（CaO-Al2O3-SiO2）及协同引入TiO2和CAS时3种情形对氧化铝材料显微结构影响。
实验表明,单独引入TiO2时,随添加量从0.15%（质量分数,下同）增加到0.60%,Al2O3样品的晶粒形貌由正常生长逐渐向异向生长和异常长大转变;而单独引入CAS,即使添加量达到2.0%,Al2O3晶粒也没有出现异向生长和异常长大;实验还表明,在添加TiO2,同时引入CAS时,可以有效抑制TiO2添加所引起的Al2O3晶粒异常长大和异向生长。
对CAS添加剂抑制晶粒异常长大和异向生长的原因进行了讨论。
高温球阀喷涂 Al2O3-TiO2 和 WC-Co 涂层的耐磨粒磨损性能研究上海沪工阀门厂 2010-07-19摘要：采用激光等离子喷涂技术在已失效的高温球阀基体材料上制备 Al2O3-TiO2与WC-Co 金属陶瓷涂层，在摩擦磨损试验机上时涂层的耐磨粒磨损性能进行研究，利用扫描电镜、光学显微镜对涂层的显微组织结构、磨损表面及其相组进行分析，并采用维氏显微硬度计、WE-50 型液压拉伸验机和箱式电热炉对涂层的显微硬度、结合强度及杭热震性进行测试。
结果表明 Al2O3-TiO2金属陶瓷涂层的综合性能最好，可以用于失效高温球阀的再制造。
关键词：高温球阀；激光等离子喷涂；金属陶瓷涂层；磨杜磨损近年来，激光等离子喷涂技术应用于机械零部件再制造研究已引起了广泛的关注。
采用激光等离子喷涂耐磨材料覆盖磨蚀表面，不仅可以恢复使用失效的零件，而且可以提高材料的使用寿命，具有重要的应用价值和较好的经济效益。
金属硬密封球阀能适用于高温、高压工况，具有流动阻力小、启闭迅速、使用压力、温度范围广等特点。
但是，当通过球阀介质为液固或气固混合物料且固体颗粒硬度又很高时，阀门球阀球体和阀体密封面对耐磨性能要求较高，特别是气固混合介质引起的球体与阀座间的干摩擦，极易造成密封面的过度磨损或拉伤而最终导致失效。
某企业重整催化剂再生系统采用美国某公司的高温球阀，其寿命短则几天，长则不到 1 个月。
目前，解决的办法是更换球阀或对球体和阀座密封面进行研磨后重新投入使用，但如此频繁地更换或维修，不仅增加了生产成本和维护人员的劳动强度，且每年因阀门频繁失效，造成停工、检修所带来的经济损失达数百万元。
为此，笔者采用激光等离子喷涂技术，在高温球阀阀芯材料表面制备出 Al2O3-TiO2与 WC-Co 金属陶瓷涂层，并对涂层的耐磨损性能机理和高温综合性能进行了研究。
1 试样制备及试验方法1.1 涂层试样制备试验采用阀芯球体材料 40Cr13 马氏体不锈钢作为喷涂基体材料，尺寸为Φ60mm×15mm；其化学成分（以质量分数计，下同）为：0.38% C、0.62% Si、0.80% Mn、0.050% P、0.030% S、12.87% Cr。
经检测，阀芯球体已经过淬火及低温回火处理，其组织为回火马氏体，硬度 512~545HV0.2。
等离子喷涂喂料分别为纳米 Al2O3-13% TiO2与 WC-12% Co 粉末，其粉末粒度为50~500nm。
采用美国 Sulzer2MetCo 大气等离子喷涂系统及 F42MB 型喷枪制备涂层，2 种涂层的厚度均约为 50µm。
1.2 涂层性能测试采用维氏显微硬度汁测量涂层试样表面的维氏硬度，试样经打磨，抛光。
根据ISO-4516-2002 《金属涂层维氏与努氏硬度测量方法》规定，加载时间 5s，饱载时间 10s，何个试样连续测定 5 个点，取算术平均值，两压痕中心距离或任一压痕中心距试样边缘的距离不小于 3mm。
采用日本 JEOL 公司 JSM-5900 型扫描电子显微镜（SEM）观察涂层横截面形貌。
摩擦磨损试验采用 MM-Wl 型万能摩擦磨损试验机进行，根据 ASTM-G99-2004 《销盘式摩擦磨损试验标准》规定，上试样为采用电刷镀处刷镀高速镍钨镀层的阀座材料 CY5SnBiM 镍基合金（ASME 标准材料）销（Φ5mm×12.7mm)，下试样为喷涂有 Al2O3-TiO2与 WC-Co 金属陶瓷涂层的 40Crl3 钢盘（Φ60mm×15mm)，在试验前试样均经过精磨，使其表面粗糙度 R a 为 0.2~0.3µm。
试验在大气条件和干摩擦条件下进行，试验温度为室温，载荷 20N，滑动速度 4.6m/s，滑动总行程为 1920m。
在试验前后，将试样放人盛有丙酮溶液的烧杯中，在超声波清洗仪中清洗 3~5min，干燥后用精度为 0.1mg 的赛多利斯 BS224S 电子天平称觉销试样磨损前后的质量损失；用精度为 2µm 的 AF-LI 型接触与非接触式表面轮廓测量仪测量盘试样磨损表面凹坑宽度和深度，通过计算得到销和盘的磨损体积损失。
选用稳定阶段的平均摩擦系数作为试验结果，所有磨损量取 3 次试验结果的算术平均值。
根据 ASTM-C633一2001 《热喷涂涂层结合强度试验标准》规定，用 WE-50 型液压拉伸验机测定涂层与基体的结合强度。
涂层热震试验是将试样放入 800℃温度条件下的箱式电热炉中，保温 20min，然后取出，放入室温冷水中迅速冷却至室温，如此反复循环，进行100 次循环试验或直到涂层出现脱落现象。
观察每 1 个热循环后涂层的变化情况，记录第 1 次出现裂纹和第 1 次出现脱落现象所经历的热循环次数。
2 结果与讨论2.1 涂层的组织和性能Al2O3-TiO2与 WC-Co 金属陶瓷涂层由粒子相互搭接而成，涂层组织致密，无明显裂纹和粗大孔隙。
其由 Al2O3、TiO2等物相组成，同时还含有少量的 Fe3O4，这是由于电弧喷涂过程中弧区温度较高、材料被氧化的结果。
2.2 摩擦磨损性能和表面显微硬度金属陶瓷涂层的显微硬度明显高于基体的显微硬度，其中 Al2O3-TiO2涂层的显微硬度（维氏硬度）最高，达到了 1463，而基体的显微硬度（维氏硬度）仅有 524。
由于表面沉积形成 Al2O3、TiO2、WC 和 Co2O3等硬质金属间化合物，使得等离子涂层的表面硬度明显高于基体。
以等离子喷涂工艺制备的 Al2O3-TiO2与 WC-Co 金属陶瓷涂层摩擦副配对的耐磨性能较未处理过的摩擦副配对均有明显提高，其中 WC-Co 金属陶瓷涂层的耐磨性能要稍好于Al2O3-TiO2金属陶瓷涂层，等离子喷涂涂层之所以具有高的耐磨性是因为其在具有高显微硬度的同时涂层中弥散分布着纳米晶颗粒，高硬度的涂层难以发生塑性变形，在接触下不能产生明显的脆性剥落，弥散分布的纳米晶颗粒对涂层具有很好的弥散强化作用，两者共同提高了摩擦副的耐磨性能。
激光等离子喷涂涂层和未处理过的基体的表面形貌有明显的区别，说明占主导地位的磨损机理并不相同。
磨痕表层呈现明显的犁沟特征，即微观切削过程明显，同时在载荷作用下磨粒压人摩擦表面而产生压痕，将塑性材料表面挤压出层状或鳞状的剥落碎削。
因此，用等离子喷涂工艺制备的涂层主要磨粒磨损为主。
出现的片状剥落和塑性变形特性，表明基体存在粘着磨损，说明磨粒磨损已不再是主要的磨损方式，这可能是基体在循环变化的接触应力作用下，基体材料疲劳剥落而成凹坑，原摩擦副配对时粘着磨损和疲劳磨损的综合作用，而以疲劳磨损为主。
2.3 涂层结合强度和热震性能涂层与基体的结合强度和热震性能对于球阀在高温工况条件工作具有重要的影响。
Al2O3-TiO2金属陶瓷涂层与基体的结合强度最高，达到了 60.40MPa，WC-Co 金属陶瓷涂层的结合强度仅有 39.45MPa。
涂层内孔隙率以及涂层与基体的线膨胀系数是否匹配是影响涂层结合性的主要原因。
由试验结果可知，Al2O3-TiO2金属陶瓷涂层与阀芯球体的结合性能最好。
经过 100 次冷热循环，Al2O3-TiO2金属陶瓷涂层未产生任何明显可见裂纹和剥离现象，而 WC-Co 金属陶瓷涂层 6 次就出现了明显裂纹，8 次就开始了脱落。
Al2O3-TiO2金属陶瓷涂层由于具有较 WC-Co 金属陶瓷涂层与基体更加匹配的线膨胀系数，因此其抗热震性能远远大于 WC-Co 金属陶瓷涂层。
3 结论1) 2 种金属陶瓷涂层均具有较高的显微硬度和较小的孔隙率，组织致密，无明显裂纹，呈典型的层状结构。
2) 由金属陶瓷涂层组成的摩擦副配对的耐磨性较原摩擦副配对有明显提高。
涂层摩擦副磨损机理是以磨粒磨损为主；原摩擦副配对是以疲劳磨损为主。
3) 通过激光等离子喷涂涂层的耐磨性、显微硬度、结合强度和抗热震性性能试验研究表明，Al2O3-TiO2金属陶瓷涂层的综合性能要优于 WC-Co 金属陶瓷涂层，可采用 Al2O3-TiO2金属陶瓷涂层作为高温球阀再制造的喷涂涂层。
