辉石系矿渣微晶玻璃冲蚀磨损性能的研究

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矿渣微晶玻璃常见体系为CaO-MgO-Al2O3-SiO2(CMAS)系之一,其常见主晶相为辉石相,该物相的微晶玻璃常具有良好的机械性能、耐磨性能、热稳定性、化学稳定性等综合性能。正是由于这些优良的性能,其可广泛应用于机械、化工、建筑装饰等领域,适合在很多环境条件下作为一种低成本/高耐磨材料,耐磨性作为该体系微晶玻璃重要的使用性能之一,其研究并不多见,尤其是冲蚀磨损的研究。  本文以白云鄂博东尾矿、粉煤灰为主要原料,并用工业硅砂等补足以上两种原料不能满足配方的成分,制备了辉石系矿渣微晶玻璃。采用NMJ-01型耐磨实验机,并采用SiC为主要冲蚀磨粒,围绕该体系微晶玻璃的冲蚀磨损性能作了研究。首先以Φ~420μm国产36#黑色SiC为冲蚀磨粒,在不同冲蚀角(30~90°)、压力(0.1~0.5MPa)和冲蚀磨粒流量(0.22~3.9g·s-1)条件下研究了辉石系矿渣微晶玻璃的连续冲蚀行为,并结合单颗粒、和连续冲蚀实验和对冲蚀样品表面、剖面的形貌分析了冲蚀机制。然后以Φ~150μm的SiC100#黑色SiC为冲蚀磨粒,以五因素(晶化温度、升温速率、晶化时间、核化温度、核化时间)四水平正交实验系统改变退火玻璃的热处理工艺,以冲蚀磨损质量为评价标准进行正交实验,优化微晶玻璃的耐磨性。并尝试利用所研究的退火玻璃一步法热处理制备微晶玻璃样品。在此基础上,以单因子变量法研究了微晶玻璃样品耐磨性、晶化过程、结构以及相关物理性能间关系研究。其中晶化温度变化范围为:770℃~920℃;晶化时间变化范围为:1h~15h。在所研究范围内和研究条件下,结果表明:  (1)随着冲蚀角的增加和冲蚀压力的增强样品的冲蚀质量分别从2.7g左右增加到约8.4g和从1.5g左右线性提高到约10.5g;随着冲蚀磨粒流量改变,样品的冲蚀速率从0.006g·s-1提高到0.055g·s-1。与同类材料相比,表现出优良的抗冲蚀能力。  (2)在以 SiC为磨粒冲蚀过程中,冲击裂纹沿颗粒状辉石晶粒与残余玻璃相的界面扩展后会穿过残余玻璃区,导致样品表层材料去除。其冲蚀磨损行为表现出典型的脆性材料特征,不具有明显的塑性冲蚀磨损特征。  (3)退火玻璃样品可以在较宽的热处理工艺范围内制备出微晶玻璃。热处理不改变微晶玻璃的晶相种类,但可以显著改善微晶玻璃的结构、结晶度和耐冲蚀性能。正交实验最优方案为:核化温度720℃;核化时间:2h;晶化温度:860℃;晶化时间:5h;升温速率:1℃/min。因素主次顺序依次为晶化温度、升温速率、晶化时间、核化温度、核化时间。各因素之间可能存在一定的相互作用,其耐磨性还有一定提升空间。该退火玻璃样品可以采用一步法热处理制备微晶玻璃。  (4)微晶玻璃样品的耐磨性随着晶化温度的提高整体变好。磨损质量变化与抗折强度、断裂韧性变化相反;耐磨性随晶化时间变化规律不显著。
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