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    不同鋁含量瓷球的燒結及性能比較
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    不同鋁含量瓷球的燒結及性能比較

    2019-06-20      閱讀:
    分別以鋁含量為 50%、60%、70 %、80%并配以等量的燒結助熔劑來制造氧化鋁瓷球。 研究了不同鋁含量對瓷球密度、燒結、以及對瓷球耐磨性的影響。 結果表明, 瓷球的密度隨鋁含量的增加而;Al(60%)瓷球燒結溫度較低, Al (70%)瓷球燒結溫度較高;Al(60%)瓷球磨損率相對較低, Al(80 %)瓷球磨損率高。
     
     
    前言
     
    氧化鋁陶瓷是以氧化鋁為主要原料 , 以 α-Al2O3 (剛玉)為主晶相的一類陶瓷材料 。通常 , 以配料或基體中氧化鋁的質量百分含量對氧化鋁陶瓷進行分類和命名 ,如氧化鋁含量在 75 %左右的氧化鋁陶瓷稱為 75瓷;氧化鋁含量在90%左右的氧化鋁陶瓷稱為90瓷。一般地講 ,瓷體中的氧化鋁含量越高,氧化鋁陶瓷的綜合性能越好,但隨著氧化鋁含量,氧化鋁的燒成溫度也會提高 。筆者以不同鋁含量的瓷球為研究對象,比較它們在等量燒結助熔劑作用下燒結溫度的差別,以及不同鋁含量瓷球之間磨損率的高低。
     
    1 實驗
     
    1 .1  瓷球的及瓷球的制備
     
    分別以輥棒廢料為引入劑, 以碳酸鈣 、硅酸鋯 、鉀長石為助熔劑。為比較不同鋁含量瓷球的燒結溫度,實驗在每個中都使用了等量的燒結助熔劑 ,以輥棒廢料和黑泥的鋁含量之和分別設計了鋁含量為50%、60%、70%、80%的4個 ,其中因輥棒中氧化鋁的質量百分含量78%, 所以, 在鋁含量為70%和80%時的中適量添加 α-Al2O3 粉, 以保證其氧化鋁的含量。不同鋁含量瓷球的化學成分見表 1 
     
    不同鋁含量瓷球的燒結及性能比較
    每種原料都放入剛玉罐中研磨 24 h , 取出烘干備用。根據進行配料, 然后先混料 4 h , 經烘干后再分別采用川西機器廠冷等靜壓成形機(LDJ 100/320 - 500)進行等靜壓成形 ,成形壓力為 65MPa ,保壓時間為180 s 。將成形后的瓷球放入硅鉬爐進行常壓燒結, 達到燒結溫度后保溫 70 min , 然后隨爐冷卻。為確定不同鋁含量瓷球的佳燒結溫度, 以其剛剛燒結成瓷時的溫度(吸水率 <0 .005 %)為基準, 提高 20 ℃再分別燒制 2 個瓷球(即每個鋁含量點燒制 3 個球 ,每球燒結溫度間隔 10 ℃)。
    1 .2  瓷球吸水率的測定
     
    實驗以測定瓷球吸水率來確定瓷球的燒結情況。其公式如下:

    1 .3 瓷球磨損率的測試
    采用滾動方法測試瓷球的磨損率。把用不同鋁含量所制的瓷球一起放入剛玉罐中, 加入適量的水, 調整球磨轉速 ,磨損 T 小時后, 取出瓷球烘干測試。磨損率的計算公式如下:

    另外 , 根據排水法測定瓷球的密度 , 利用德國 BRUKER 公司 D8 ADVANCE 型 X 射線衍射儀對瓷球燒結體進行 XRD 物相分析。
    2 實驗結果與討論
     
    2 .1  不同鋁含量瓷球的燒結溫度
     
    不同鋁含量瓷球的低燒結溫度如圖 1 所示
    不同鋁含量瓷球的燒結及性能比較
    由圖 1 可以看出,鋁含量在50 %~ 80 %時 ,其燒結溫度是先下降后上升然后再下降。其中氧化鋁含量為 60 %時瓷球燒結溫度低(1 410 ℃),鋁含量為 70 %時瓷球的燒結溫度高(1 460 ℃)。不同鋁含量瓷球的燒結溫度及其他性能見表 2 。
    不同鋁含量瓷球的燒結及性能比較

    不同鋁含量瓷球的密度如圖 2 所示。

    由圖 2 可以看出 ,橫向方面 ,在每個鋁含量點的瓷球都隨燒結溫度的增加其密度減小 。一般來說 ,陶瓷材料在燒結之前隨著燒結溫度的增加其氣孔率不斷減小 ,密度逐漸提高 , 但若進一步升高溫度 , 材料密度減小而氣孔率 。主要原因是在燒成過程中 ,一方面小氣孔向大氣孔遷移或通過晶界擴散排出 ;另一方面晶粒迅速長大而局部收縮形成閉口氣孔。在達到燒結溫度后,繼續升高溫度,原來存在于材料閉口氣孔中氣體的壓強迅速, 使得氣孔擴大 , 發生膨脹現象, 所以達到燒結致密后繼續升高溫度, 密度下降, 氣孔率?v向方面, 隨著氧化鋁含量的提高 ,瓷球的密度也在。這是由于氧化鋁在所有添加的原料中密度是大的,隨著氧化鋁含量的增加,瓷球的密度也。
     
    2 .3  不同鋁含量瓷球的磨損率
     
    3 為不同鋁含量瓷球磨損率的對比關系 。

    由圖 3 可以看出, 橫向方面, 隨著燒成溫度的提高,每個鋁含量點的瓷球磨損率都在不斷上升 。這是由于晶粒尺寸對瓷球的耐磨性有著大的影響 ,隨著燒成溫度的提高 ,瓷球的晶粒不斷 ,從而影響其耐磨性。另外 ,由于燒結溫度升高, 瓷球的氣孔率,密度下降 ,也是造成其瓷球強度下降,磨損率上升的原因之一 ?v向方面 ,Al(50 %)磨損率到 Al(60 %)是下降的, 從Al(60 %)磨損率到 Al(80 %)又是上升的。其中Al(60 %)的磨損率低(0 .051 3 %),Al(80 %)的磨損率高(0 .081 8 %)。由不同鋁含量瓷球的 X 衍射圖(圖 4 、圖 5 、圖 6 、圖 7)可以看出,它們的主晶相都為剛玉相,并隨著鋁含量的增加主晶相的成分也在增多。
     

    研究結果認為:氧化鋁瓷球的磨損過程與其力學性能(彈性模量 、硬度 、斷裂韌性等)、顯微結構(晶粒的尺寸 、孔洞 、次晶相、裂紋 、晶界等)和工況條件(瓷球的運動狀態、磨料的硬度 、磨機的轉速等)密切相關。Al(60 %)瓷球由于燒結溫度低使其在微觀結構方面可能得到佳狀態。另外 ,Al(60 %)瓷球的密度適中 ,在球磨罐中受碰撞的力量相對于密度較大的 Al(70 %)和Al(80 %)的瓷球要小些 ,這也是其磨損率較低的原因之一。
     
    4)扭曲。該種缺陷亦稱為燕形磚(如圖 4 所示),長邊如展翅的燕子一般, 且短邊也變形, 全窯坯體一致,有規律性。產生的原因是燒成溫度過高, 窯內壓力不合理,燒成帶至少有 2 節以上 ,上下溫差過大 。

    解決措施:①在尺寸允許的情況下 ,盡可能降低燒成溫度,調整窯內的上下溫差 ,使之趨于平衡 ;②調整各燒嘴的氣壓, 使之合理 ;③若坯體尺寸偏大無法降低
    溫度 ,可先降低成形壓力再降低溫度,確保尺寸在允許的范圍內。

    5)不規則變形 。無法分類的不規則變形 ,發生位置不固定或是不連續, 變形也各不相同 ,無規律可循。該缺陷產生的原因可能是入窯時不整齊 、混亂 ,在窯內運行時擠壓 、搭疊造成 ,或是窯內輥棒上粘結物過多,導致磚坯在窯中前后左右碰撞。解決措施 :①入窯碼磚要整齊 ,不多磚不少磚 ;②保持窯內輥棒水平等高, 清除輥棒上粘結物。綜上所述, 產品變形發生時,應準確的分析出變形產生的原因,及時采取措施, 其中快、有效地措施就是對燒成曲線的調整 , 但前提是保證產品的各項性能指標符合要求 ,使其尺寸在允許范圍內 。如果通過調整燒成曲線還未能解決變形, 就要根據前邊提到的幾種誘發因素采取相應措施予以解決。
     
    3 結論
     
    氧化鋁瓷球的密度隨鋁含量的增加而 ,但燒結溫度并不是隨著鋁含量的增加而直線上升的 ,鋁含量為 60 %時的瓷球燒結溫度低;鋁含量為 70 %時的瓷球燒結溫度高。在鋁含量為 50 %、60 %、70 %、80 %的瓷球中 ,Al(60 %)的瓷球磨損率低,Al(80 %) 的瓷球磨損率高。
     
     

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