添加Nd2O3对高铝瓷的耐磨性及结构影响*

2014-10-19毕四龙吴伯麟

陶瓷 2014年4期

毕四龙吴伯麟

(1 有色金属材料及其加工新技术教育部重点实验室广西桂林 541004) (2 桂林理工大学材料科学与工程学院广西桂林 541004)

Al2O3含量在90%左右的高铝瓷，因为其机械强度和耐磨性都比较高，而且高温热性能也比较好，已经在国内外得到广泛应用[1]。但是Al2O3含量在95%以上的高铝瓷却鲜有报道，虽然市面上可见氧化铝含量在98%～99%的产品，但是磨耗奇高，不能满足实际生产过程中的需求，目前还做不出性能很好的产品。而不管从成本考虑还是从生产过程的精度控制考虑，氧化铝含量在95%以上的具有良好耐磨性的高铝瓷都值得我们研究。

近年来，人们对稀土金属氧化物掺入氧化铝陶瓷，进行了大量研究。穆柏春等[2]发现添加稀土氧化物Y2O3和La2O3可以使氧化铝陶瓷的烧结温度降低，晶粒细化，并使陶瓷的致密度提高，从而使氧化铝陶瓷的机械性能提高；A Mukhopadhyay等[3]认为，Y2O3掺入氧化铝陶瓷后主要存在于氧化铝晶界上，可以抑制氧化铝晶体生长，起到细化晶粒的作用，从而改善陶瓷的力学性能。Nd2O3的用途广泛[4～5]，可以使镁合金和铝合金的高温性能、耐腐蚀性得到提高，在航空航天材料中得到应用；在介电和发光材料方面的应用也很广泛。最近我们对Nd2O3掺入Al2O3进行了研究，并且讨论了掺入Nd2O3对Al2O3陶瓷物相组成、显微结构和耐磨性能的影响。

1 实验过程

1.1 实验原料及样品制备

实验以工业氧化铝粉为主要原料，MgO、CaCO3和SiO2为烧结助剂，添加不同量的Nd2O3分别制备出编号为A、B、C的3组不同的氧化铝瓷球。配料比见表1。

表1 A、B、C 3组氧化铝瓷球的配料比(质量%)Tab.1 Chemical compositions of the ceramic

按照上述配料比配料，球磨48 h后在100 ℃烘干，利用冷等静压在100 MPa压力下成形，压制成球状生坯，放在硅钼高温炉中无压烧结，随炉冷却后得到陶瓷样品。

1.2 性能测试

吸水率可以表征烧成陶瓷样品的气孔开口率，体积密度可以表征烧成陶瓷的致密程度。根据国标GB/T 3810.3-2006的要求，测试陶瓷试样的吸水率(E)和体积密度(P)，公式分别为：

E=(M3-M1)/M1×100%

(1)

P=(M1×D)/(M3-M2)×100%

(2)

式中:M1——干样的质量,g;

M2——样品浸没于水中时的质量,g;

M3——吸水饱和试样在空气中的质量,g;

D1——样品直径,mm。

所烧成陶瓷试样的耐磨性能可用磨损率(W)来表征，根据行业标准JC/T 848.1-1999计算公式为公式(3)。其耐磨性又与自身材料的机械性能，烧成试样的成分组成、内部结构等有关。

W=KD(M初-M后)/M初

(3)

式中:W——磨损率,%;

K=4.17×10-4，修正系数;

D——瓷球的平均直径,mm;

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M初、M后——为磨前和磨后的质量,g。

2 结果与讨论

2.1 陶瓷样品的吸水率、体积密度及磨损率

表2列出制备的氧化铝陶瓷样品的吸水率、体积密度和磨损率。我们通过吸水率来确定样品的烧成温度。由表2可以看出：A组试样在1 400 ℃时吸水率为零；B组试样在1 425 ℃时吸水率为零；而C组试样在1 475 ℃时吸水率为零。说明随着Nd2O3掺入量的增加，样品的最低烧结温度升高。其原因为：

1)Nd2O3的熔点比Al2O3还要高，掺入陶瓷以后，会使陶瓷样品的最低共熔点升高，影响烧结温度；

2)掺入Nd2O3后，Nd3+会进入Al2O3晶格，引起晶格畸变[6]，阻碍Al2O3晶体的生长，影响烧结温度。

表2 陶瓷样品性能Tab.2 Properties of the ceramic sample

14000.29142503.7201.220145003.8540.717B147503.8850.757150003.9050.790152503.8921.100155003.8801.5514500.23147503.5442.198150003.6941.935C152503.7741.591155003.8311.6019157503.8631.8261

图1为陶瓷样品的体积密度与烧结温度之间的关系。由图1可知，随着烧结温度的升高，A、B、C这3组样品的体积密度都是呈先升高后趋于稳定的趋势，而B组试样的体积密度在相同温度下最高，还发现B组试样的体积密度在到达顶点后，有小幅度的降低；A组试样的体积密度次之；C组试样的体积密度最低。这说明添加质量分数为0.2%的Nd2O3有助于Al2O3陶瓷致密度的提高，而添加0.8%的Nd2O3却会使得氧化铝陶瓷的致密度降低。其主要原因是添加少量Nd2O3对烧结的温度影响不大，相同温度下与不添加Nd2O3的试样相比晶粒发育的程度也差不多；但是随着添加量的增加烧结温度升高了很多，在相同温度下晶粒发育的程度受到了很大的影响，所以陶瓷样品的致密度才会有这样大的差异。

图1 陶瓷样品体积密度与烧结温度的关系Fig.1 Dependence of bulk density of samples on varies sintering temperature

图2是3组样品的磨损率与烧结温度间的关系。由图2可知，随着温度变化3组样品的磨损率都是先降低后升高的趋势，总体都呈马鞍形。结合前面体积密度的分析，样品烧结温度升高会使体积密度增大，从而降低磨耗；而温度升高到一定程度，体积密度渐渐趋于稳定，这时体积密度的增大对样品磨耗带来的正面作用已经不能抵消高温时晶粒长大对样品磨耗的负面作用，所以会使样品的磨耗升高。

图2 样品磨损率与烧结温度的关系Fig2 Dependence of wear of samples on varies sintering temperature

2.2 陶瓷样品的物相分析

图3是A、B、C 3组样品的XRD衍射花样，这3组样品的主要物相为刚玉(Al2O3，corundum)、六铝酸钙(CaAl12O19)和镁铝尖晶石(MgAl2O4)。烧结助剂CaO和MgO在高温下都能与Al2O3发生物理化学反应，但是我们并没有检测到含有稀土元素的化合物存在。这表明我们添入的Nd3+固溶到了Al2O3的晶格中。少量的Nd3+进入Al2O3晶格，固溶过程引起Al2O3陶瓷的晶格畸变，使晶粒长大过程受阻[6]，晶粒没有过分长大，晶粒大小也相对均匀，使陶瓷的机械性能得到提升，耐磨性提高，磨耗降低。

图3 A、B、C 3组陶瓷试样的XRD衍射花样Fig.3 XRD patterns of the ceramic samples

2.3 陶瓷样品的显微结构分析

(a)

(b)

(c)

图4 A、B、C 3组样品分别在1 425 ℃、1 475 ℃、1 525 ℃的SEM图片

Fig.4 SEM micrograghs of the sintered samples

图4为3组样品的在1 425 ℃、1 475 ℃、1 525 ℃的SEM照片。A组试样(不添加稀土氧化物Nd2O3)的晶粒多为粒状，而且大小极不均匀，在磨损实验过程中，多发生沿晶断裂，但是因为烧结温度比较低，晶粒尺寸不大；在B组试样(添加质量分数为0.2%的Nd2O3)中发现大量片状晶体，且图中有穿晶断裂的晶粒，对陶瓷耐磨性能起到极大的提升的作用，晶粒大小比A组试样要均匀，因为烧成温度较A组试样高，晶粒尺寸稍大，对陶瓷耐磨性能有一定的负面作用，但是2种因素共同作用陶瓷的耐磨性能依然得到了很大的提升，最低磨耗相对于A组试样降低了约42.5%；C组试样(添加质量分数为0.8%的Nd2O3)由于烧结温度较高，晶粒非常大，虽然能观察到少量片状晶粒的穿晶断裂，但是相对于晶粒过大对耐磨性带来的负面影响，已经不是最主要的因素，所以磨耗升高，最低磨耗相对于A组试样升高了27.5%。因此，在Al2O3陶瓷中添加少量Nd2O3(如添加质量分数为0.2%的Nd2O3)可以大幅提高其耐磨性，而添加过量Nd2O3(如添加质量分数为0.8%的Nd2O3)会使耐磨性变差。