添加剂含量对坯体冷等静压成型和性能的影响

2014-12-27丁准达

江苏陶瓷 2014年5期

丁准达

（无锡市南方耐火材料有限公司，宜兴214223）

0 引言

钢厂连铸生产过程中，高炉铝碳制品是高炉内衬更新换代的良好材料，其性能优于高炉内衬传统耐火材料，与氮化硅结合碳化硅砖的性能相似，成本却降低较多。因此，铝碳质耐材问世以来，已在高炉上得到了应用，并获得良好的使用效果。但是制成的烧成Al2O3-C制品硬度大，加工磨平困难。本研究就是利用冷等静压成型的坯体强度大、密度高且均匀，可以成型长径比大，型状复杂的制品，尤其可以实现近、净尺寸成型的优点，可直接达到客户要求的尺寸，同进研究了混合细粉造粒时加入聚乙烯醇（PVA）粘结剂，提高了坯体强度。

1 实验

1.1 粉料准备

以电熔刚玉、鳞片石墨、Si粉、SiC、超微粉刚玉料、石墨粉及添加剂按一定比例混匀磨制成＜0.092mm混合细粉。

1.2 造粒机制成假颗粒

⑴在水分含量对混合细粉成型性及坯体性能影响实验中，、将混合细粉和浓度为5wt%的聚乙烯醇（PVA）水溶液以85：15的质量比混匀，控制残余含水量至实验要求值。

⑵在粘结剂含量对混合细粉成型性及坯体质量的影响实验中，将混合细粉和聚乙烯醇（PVA）水溶液分别 95：5、90：10、85：15、80：20、75：25 的质量比混匀。由造粒机制成假颗粒粉料。

1.3 振动装料

将假颗粒粉料和酚醛树脂结合剂混匀，填入模具、振动（振动频率为29Hz，振动时间110s）。测量粉料填充高度h，由公式（1）计算出粉料的填充密度ρ。

式中，ρ 为粉料的填充密度（g.cm-3）；m 为粉料质量（g）；d为模具内径(cm)；h为粉料填充高度(cm)

1.4 坯体压制

采用冷等静压进行坯体压制，其中压制参数为：最高压力为 200MPa，保压时间为20s。设备为LDJ-200/100-300型等静压机。

1.5 坯体抗弯强度测试

采用三点弯曲法测试坯体的抗弯强度，设备为电子万能实验机（SANS CMT4304）。其中弯曲强度由公式（2）计算：

式中，P为最大负荷（N）；L为跨距（mm）；d0为断面直径（mm）。

1.6 坯体形貌分析

（1）采用日本日立公司生产的S-4700型扫描电子显微镜，观察坯体的显微形貌。

（2）采用SONY PB型数码相机观察坯体的宏观形貌。

2 结果与讨论

2.1 结合剂含量对粉料成型性的影响

将准备好的不同结合剂含量的粉料，进行振动装料，测其填充密度得到粉料结合剂含量与填充密度的关系曲线如图1所示。

图1 结合剂含量与粉料填充密度的关系

由图1可以看出，当振动频率为29Hz，振动时间为110s时，结合剂含量对粉料填充密度有着很大影响，随着结合剂的增加，粉料填充密度明显降低。当结合剂含量增加到＞7.5%时，粉料填充密度从0.68g.cm-3降到0.48g.cm-3，降低幅度约为29%这是因为结合剂含量大，毛细管力增大，粉料容易产生二次团聚，导致粉料流动性变差，振动装料时不能有效地破坏颗粒堆积时产生的拱桥现象，颗粒不易进行重排，颗粒间的空气不能有效排出，使得颗粒间的孔隙不能得到有效填充，从而导致结合剂含量大时，粉料填充密度小且填充不均匀.，当结合剂含量在6.5wt%～7.5wt%时，粉料填充密度较大，成型性较好。

2.2 假颗粒粉料粘结剂含量对坯体强度的影响

将粘结剂（聚乙烯醇）含量不同的假颗粒粉料，进行振动装料，压制成型后三点弯曲测试，得到坯体强度与聚乙烯醇含量的关系曲线如图2所示。

图1 聚乙烯醇含量与坯体抗弯强度的关系

由图2可以看出，当加入的聚乙烯醇溶液含量从5wt%增加到15wt%时，坯体的强度从0.45MPa增加到1.82MPa，而且坯体的强度随聚乙烯醇含量增加而增加。当加入的聚乙烯醇溶液含量从15wt%增加到25wt%时，坯体的强度有减小的趋势。这需要从有机高分子粘结剂的增强机理去解释。有机高分子粘结剂的增强机理包括有机高分子链增强和氢键增强

⑴有机高分子链增强

在没有添加粘结剂时，耐材坯体颗粒之间的结合力包括分子之间的范德华力、颗粒间由于吸附水分产生的毛细管力和颗粒表面不平滑引起的机械纠缠力。当加入了有机高分子材料后，吸附在颗粒表面上的有机高分子，在颗粒表面形成一层均匀的薄膜，这种薄膜在压制过程中起到润滑作用，减少了粉料颗粒之间以及粉料与模壁之间的摩擦，增加了颗粒之间的粘合作用，提高了坯体的致密度和强度。而且有机高分子材料通常为链状结构，具有足够链长的高分子聚合物可在耐材颗粒之间搭桥，产生交联作用而形成不规则网状结构，将坯料颗粒紧紧包裹，阻止颗粒在受力条件下产生位移，起到了纤维增强坯体的类似作用，从而对坯体产生增强作用。

⑵氢键增强

当高分子粘结剂存在时，颗粒表面被高分子材料包裹，使颗粒之间借助于有机分子材料而产生氢键作用。因此当高分子粘结剂存在时，颗粒之间除了有范德华力、毛细管力、机械纠缠力的作用外，颗粒之间还存在由于有机高分子而产生的氢键作用，从而大大增强了坯体强度。如果高分子粘结剂加入量太大，颗粒之间的距离将会大大加大，反而降低了毛细管力，从而使强度下降。

由以上机理，即可以解释聚乙烯醇含量对混合粉料坯体强度的影响。当浓度为5wt%的聚乙烯醇溶液的加入量≤15 wt%时，聚乙烯醇长链起主要作用，起到了类似纤维增强坯体的作用，随着聚乙烯醇溶液加入量的增加，坯体强度增加。当聚乙烯醇溶液的加入量≥15wt%时，随着聚乙烯醇量的增加，包裹在颗粒外层的聚乙烯醇厚度增大，颗粒之间的距离加大，降低了毛细管力，从而使强度下降。此外随着聚乙烯醇量的增大，造粒得到的颗粒团聚体强度增大，当聚乙烯醇的加入量≥15wt%时，压制的坯体中含有末被压碎的残余颗粒团聚体，使坯体存在较大的缺陷，从而使坯体强度降低。又由于粘结剂含量高，烧结后耐材的气孔率增加，因此在保证坯体强度的前提下粘结剂含量越少越好，所以确定粘结剂含量为15wt%。