添加Nd2O3對高鋁瓷的耐磨性及結構影響*

畢四龍 吳伯麟

(1 有色金屬材料及其加工新技術教育部重點實驗室 廣西 桂林 541004) (2 桂林理工大學材料科學與工程學院 廣西 桂林 541004)

Al2O3含量在90%左右的高鋁瓷，因為其機械強度和耐磨性都比較高，而且高溫熱性能也比較好，已經在國內外得到廣泛應用[1]。但是Al2O3含量在95%以上的高鋁瓷卻鮮有報道，雖然市面上可見氧化鋁含量在98%～99%的產品，但是磨耗奇高，不能滿足實際生產過程中的需求，目前還做不出性能很好的產品。而不管從成本考慮還是從生產過程的精度控制考慮，氧化鋁含量在95%以上的具有良好耐磨性的高鋁瓷都值得我們研究。

近年來，人們對稀土金屬氧化物摻入氧化鋁陶瓷，進行了大量研究。穆柏春等[2]發現添加稀土氧化物Y2O3和La2O3可以使氧化鋁陶瓷的燒結溫度降低，晶粒細化，并使陶瓷的致密度提高，從而使氧化鋁陶瓷的機械性能提高；A Mukhopadhyay等[3]認為，Y2O3摻入氧化鋁陶瓷后主要存在于氧化鋁晶界上，可以抑制氧化鋁晶體生長，起到細化晶粒的作用，從而改善陶瓷的力學性能。Nd2O3的用途廣泛[4～5]，可以使鎂合金和鋁合金的高溫性能、耐腐蝕性得到提高，在航空航天材料中得到應用；在介電和發光材料方面的應用也很廣泛。最近我們對Nd2O3摻入Al2O3進行了研究，并且討論了摻入Nd2O3對Al2O3陶瓷物相組成、顯微結構和耐磨性能的影響。

1 實驗過程

1.1 實驗原料及樣品制備

實驗以工業氧化鋁粉為主要原料，MgO、CaCO3和SiO2為燒結助劑，添加不同量的Nd2O3分別制備出編號為A、B、C的3組不同的氧化鋁瓷球。配料比見表1。

表1 A、B、C 3組氧化鋁瓷球的配料比(質量%)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，利用冷等靜壓在100 MPa壓力下成形，壓制成球狀生坯，放在硅鉬高溫爐中無壓燒結，隨爐冷卻后得到陶瓷樣品。

1.2 性能測試

吸水率可以表征燒成陶瓷樣品的氣孔開口率，體積密度可以表征燒成陶瓷的致密程度。根據國標GB/T 3810.3-2006的要求，測試陶瓷試樣的吸水率(E)和體積密度(P)，公式分別為：

E=(M3-M1)/M1×100%

(1)

P=(M1×D)/(M3-M2)×100%

(2)

式中:M1——干樣的質量,g;

M2——樣品浸沒于水中時的質量,g;

M3——吸水飽和試樣在空氣中的質量,g;

D1——樣品直徑,mm。

所燒成陶瓷試樣的耐磨性能可用磨損率(W)來表征，根據行業標準JC/T 848.1-1999計算公式為公式(3)。其耐磨性又與自身材料的機械性能，燒成試樣的成分組成、內部結構等有關。

W=KD(M初-M后)/M初

(3)

式中:W——磨損率,%;

K=4.17×10-4，修正系數;

D——瓷球的平均直徑,mm;

南京體育學院休閑體育專業只要以課程形式出現的民間體育項目都有特定的課程大綱，并且每個課程大綱各不相同。在學時分配、課程內容、考核方式方面也存在差異。雖然南京體育學院民間體育課程開發時間不長，處于初級階段，但是課程大綱也是根據學校現有的場地、器材和師資情況來安排的，教學過程也處在一個不斷學習、不斷完善、不斷創新的過程，為了使民間體育課程更加科學化、具體化、現代化，在教材方面，三個項目都沒有固定的教材。

M初、M后——為磨前和磨后的質量,g。

2 結果與討論

2.1 陶瓷樣品的吸水率、體積密度及磨損率

表2列出制備的氧化鋁陶瓷樣品的吸水率、體積密度和磨損率。我們通過吸水率來確定樣品的燒成溫度。由表2可以看出：A組試樣在1 400 ℃時吸水率為零；B組試樣在1 425 ℃時吸水率為零；而C組試樣在1 475 ℃時吸水率為零。說明隨著Nd2O3摻入量的增加，樣品的最低燒結溫度升高。其原因為：

1)Nd2O3的熔點比Al2O3還要高，摻入陶瓷以后，會使陶瓷樣品的最低共熔點升高，影響燒結溫度；

2)摻入Nd2O3后，Nd3+會進入Al2O3晶格，引起晶格畸變[6]，阻礙Al2O3晶體的生長，影響燒結溫度。

表2 陶瓷樣品性能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

圖1為陶瓷樣品的體積密度與燒結溫度之間的關系。由圖1可知，隨著燒結溫度的升高，A、B、C這3組樣品的體積密度都是呈先升高后趨于穩定的趨勢，而B組試樣的體積密度在相同溫度下最高，還發現B組試樣的體積密度在到達頂點后，有小幅度的降低；A組試樣的體積密度次之；C組試樣的體積密度最低。這說明添加質量分數為0.2%的Nd2O3有助于Al2O3陶瓷致密度的提高，而添加0.8%的Nd2O3卻會使得氧化鋁陶瓷的致密度降低。其主要原因是添加少量Nd2O3對燒結的溫度影響不大， 相同溫度下與不添加Nd2O3的試樣相比晶粒發育的程度也差不多；但是隨著添加量的增加燒結溫度升高了很多，在相同溫度下晶粒發育的程度受到了很大的影響，所以陶瓷樣品的致密度才會有這樣大的差異。

圖1 陶瓷樣品體積密度與燒結溫度的關系Fig.1 Dependence of bulk density of samples on varies sintering temperature

圖2是3組樣品的磨損率與燒結溫度間的關系。由圖2可知，隨著溫度變化3組樣品的磨損率都是先降低后升高的趨勢，總體都呈馬鞍形。結合前面體積密度的分析，樣品燒結溫度升高會使體積密度增大，從而降低磨耗；而溫度升高到一定程度，體積密度漸漸趨于穩定，這時體積密度的增大對樣品磨耗帶來的正面作用已經不能抵消高溫時晶粒長大對樣品磨耗的負面作用，所以會使樣品的磨耗升高。

圖2 樣品磨損率與燒結溫度的關系Fig2 Dependence of wear of samples on varies sintering temperature

2.2 陶瓷樣品的物相分析

圖3是A、B、C 3組樣品的XRD衍射花樣，這3組樣品的主要物相為剛玉(Al2O3，corundum)、六鋁酸鈣(CaAl12O19)和鎂鋁尖晶石(MgAl2O4)。燒結助劑CaO和MgO在高溫下都能與Al2O3發生物理化學反應，但是我們并沒有檢測到含有稀土元素的化合物存在。這表明我們添入的Nd3+固溶到了Al2O3的晶格中。少量的Nd3+進入Al2O3晶格，固溶過程引起Al2O3陶瓷的晶格畸變，使晶粒長大過程受阻[6]，晶粒沒有過分長大，晶粒大小也相對均勻，使陶瓷的機械性能得到提升，耐磨性提高，磨耗降低。

圖3 A、B、C 3組陶瓷試樣的XRD衍射花樣Fig.3 XRD patterns of the ceramic samples

2.3 陶瓷樣品的顯微結構分析

(a)

(b)

(c)

圖4 A、B、C 3組樣品分別在1 425 ℃、1 475 ℃、1 525 ℃的SEM圖片

Fig.4 SEM micrograghs of the sintered samples

圖4為3組樣品的在1 425 ℃、1 475 ℃、1 525 ℃的SEM照片。A組試樣(不添加稀土氧化物Nd2O3)的晶粒多為粒狀，而且大小極不均勻，在磨損實驗過程中，多發生沿晶斷裂，但是因為燒結溫度比較低，晶粒尺寸不大；在B組試樣(添加質量分數為0.2%的Nd2O3)中發現大量片狀晶體，且圖中有穿晶斷裂的晶粒，對陶瓷耐磨性能起到極大的提升的作用，晶粒大小比A組試樣要均勻，因為燒成溫度較A組試樣高，晶粒尺寸稍大，對陶瓷耐磨性能有一定的負面作用，但是2種因素共同作用陶瓷的耐磨性能依然得到了很大的提升，最低磨耗相對于A組試樣降低了約42.5%；C組試樣(添加質量分數為0.8%的Nd2O3)由于燒結溫度較高，晶粒非常大，雖然能觀察到少量片狀晶粒的穿晶斷裂，但是相對于晶粒過大對耐磨性帶來的負面影響，已經不是最主要的因素，所以磨耗升高，最低磨耗相對于A組試樣升高了27.5%。因此，在Al2O3陶瓷中添加少量Nd2O3(如添加質量分數為0.2%的Nd2O3)可以大幅提高其耐磨性，而添加過量Nd2O3(如添加質量分數為0.8%的Nd2O3)會使耐磨性變差。

3 結語

添加少量的Nd2O3對Al2O3陶瓷的燒結溫度影響不大，還可以使Al2O3陶瓷的耐磨性能得到大幅度提高；而添加過量的Nd2O3會使Al2O3陶瓷的燒結溫度大幅度的升高，且會使Al2O3陶瓷的耐磨性能變差。所以添加少量Nd2O3可以使Al2O3陶瓷在較低的溫度下磨耗極低，從而節省成本得到較好的產品。