陶瓷輥棒耐磨性的研究

方仁德

摘 要：本文以氧化鋁細粉A1（D50<2μm）、氧化鋁粉A2和A3，以鋁含量高的粘土X1（Al2O3≥37%）和特殊粘土X2等為原材料，采用等靜壓成型工藝，以剛玉顆粒級配的研究獲得致密度高的陶瓷輥棒配方，c配方制備的輥棒吸水率低至0.71%，高溫強度（1000℃）達至72.8MPa。并使用不同形貌的剛玉，研究剛玉單顆粒強度對輥棒硬度的影響，最終，棱柱狀的剛玉制備的輥棒硬度最高，為9，輥棒的耐磨性最好，為1.79cm3。

關鍵詞：單顆粒強度;莫氏硬度;耐磨性

1 前 言

隨著環保政策的不斷推動，在各個領域，綠色、環保的材料更能吸引用戶的眼球。發泡陶瓷作為一種變廢為寶、環保節能的綠色建材，與傳統的外墻保溫材料相比，其具有熱傳導率低、高抗拉、抗壓、耐老化等不可忽視的優越性能，廣泛應用于建筑節能等領域。2019年11月6日，中華人民共和國國家發展和改革委員會發布了《產業結構調整指導目錄（2019年）》，利用尾礦、廢棄物等生產的輕質發泡陶瓷隔墻板及保溫板材和工藝裝備技術開發與應用等被列入鼓勵類別，當下發泡陶瓷生產線呈現逐年增加態勢，截止到2019年8月20日，全國各地生產線達到了35條。發泡陶瓷輥道窯燒制因承重要求高，且輥棒易與碳化硅方梁摩擦而造成磨損嚴重，甚至斷裂而影響生產，發泡陶瓷的生產亟需高溫強度大及耐磨性好的陶瓷輥棒。

材料的耐磨性與較多因素有關，如材料的組成、硬度、塑性、韌性及粗糙度等，耐磨性是一個綜合性性能[1]。

一般材料的硬度反映了抵抗物料壓入表面的能力，硬度高的物料壓入材料表面的深度就淺，切削產生的磨削體積就小，耐磨性就高，因此為了獲得耐磨性好的陶瓷輥棒，需提高輥棒的硬度。

本文通過選用不同形貌的剛玉，主要研究單顆粒強度對輥棒硬度的影響，進而提高輥棒的耐磨性，滿足客戶的使用要求。

2 試 驗

2.1 剛玉莫來石陶瓷的制備

（1）陶瓷燒結體的制備工藝流程

原料→烘干→稱料→球磨→烘干、過篩→干壓成型→干燥→等靜壓→燒成，成型壓力為30MPa，等靜壓壓力為100MPa，試樣尺寸（mm）為： 50×10×5。坯體等壓后，將各試樣在硅鉬棒爐中于1600℃保溫2h 燒成，停止加熱后隨爐溫自然冷卻。

（2）陶瓷輥棒的制備工藝流程

原料→烘干→稱料→球磨→噴霧造粒→均化→混料→造粒→擠出成型→干燥→等靜壓→燒成，等靜壓壓力為100MPa，輥棒坯體等壓后，在輥棒窯中1600℃保溫2h 燒成。

2.2 陶瓷的性能表征

采用阿基米德法測試燒結體的吸水率、孔隙率和體積密度;利用三點彎曲法測量燒結體的抗折強度，馬弗爐檢測輥棒的抗熱震性（空冷循環）;采用普通磨料單顆粒抗壓強度測定儀測量剛玉的單顆粒強度;使用JC/T 872-2000耐火材料硬度檢測方法檢測輥棒的模式硬度;采用耐火材料耐磨性檢測方法（GB/T 18301-2012）進行檢測輥棒的耐磨性。

3 結果與討論

（1）剛玉顆粒度級配對堆積密度的影響

從表5可知，由于X1和A1粒度較小，填充在剛玉顆粒的間隙中，故配方料的堆積密度增大，尤其是d配方，這是因為X1和A1含量高的緣故，四個試驗配方的吸水率均較A配方的吸水率低，致密度均有所提高，吸水率最低的為c號配方，這是因為X3在固相反應過程中，較易形成一次莫來石，且A1料的活性較大，燒結致密度更大，a和b的吸水率在4.2%左右，c和d的吸水率在3.7%左右，說明氧化鋁粉對配方致密度的影響最大。

試驗輥棒的燒結性能及強度和抗熱震性結果如表6所示。

從表6可知，c配方的強度最高，吸水率最低。c配方為最佳配方。

（2）不同形貌的剛玉對輥棒性能的影響

剛玉晶體結構較多，宏觀上，顆粒度相同的剛玉，其晶體生長和致密情況不同時，剛玉的單顆粒強度也會不一樣，一般晶體定向生長的剛玉其單顆粒強度較大，而單顆粒強度越大的材料制備的產品硬度也越大，為此，對2號剛玉的晶體形貌進行檢測，結果見圖1。

檢測90～100目纖維狀剛玉（如圖a所示）的單顆粒抗壓強度，其粒徑分布為0.10～0.15mm，單顆粒強度檢測，檢測數量為50個剛玉顆粒，平均抗壓強度為8.98N;同理檢測50個粒徑分布為0.10～0.15mm的粒狀剛玉，單顆粒抗壓強度檢測，平均為9.02N;棱狀剛玉單顆粒抗壓強度平均為9.13N，球狀單顆粒抗壓強度平均為9.05N。

選用不同形貌的剛玉，其顆粒分布均與2號剛玉料相當，配方中其余料不變，其中纖維狀為E0配方，粒狀為E1配方，棱柱狀和球狀分別為E2和E3配方。

將4個配方按照基礎配方（c配方）的工藝進行制備陶瓷輥棒，并對陶瓷輥棒的性能進行表征。

從表7可知，E2配方的硬度最高，其余均為8，為同一級別的硬度，這是因為使用單顆粒強度高的棱柱狀剛玉的緣故。

將以上4個配方制備的陶瓷輥棒進行耐磨性測試，結果如表8所示。

從該結果可知，E2配方輥棒的磨損體積最小，為1.79cm3，其耐磨性最好。

E0～E3配方的輥棒常規檢測見表9。

通過以上性能檢測情況來看，采用不同形貌的剛玉，輥棒的性能影響不大，對輥棒的硬度和耐磨性影響較大。

4 結 論

（1）3種粒度的剛玉堆積密度檢測，3號配方的堆積密度最大，為2.22g/cm3。

（2） c號配方的燒結性能最佳，吸水率為3.65%，制備成輥棒的吸水率為0.71%，也是最低，輥棒的高溫強度（1000℃）為72.8MPa，為最佳;

（3）c號配方中使用棱柱狀的剛玉時，獲得的輥棒硬度最大，為9，耐磨性最好，為1.79cm3。

參考文獻

[1] 石干，等. 耐火材料耐磨性的研究 [J].耐火材料， 2019， 1（1）： 71-75.