粉煤灰耐磨微晶玻璃的研究

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随着电力工业的不断发展,粉煤灰的排放量也日益增多,其大量堆放,占用大量耕地,污染环境,但它却是一种具有较高资源价值的物质。由于粉煤灰含有大量SiO2、Al2O3等氧化物,人们开始利用粉煤灰为主要原料来制备微晶玻璃,生产出高附加值的产品,主要作为建筑装饰材料。到目前为止,对粉煤灰微晶玻璃已经研究了很多,包括成分组成、热处理制度、烧结过程、析晶机理等方面,相关技术和理论已经相对比较成熟。但是对粉煤灰微晶玻璃在耐磨领域的应用研究却鲜有报导,为了扩大粉煤灰微晶玻璃的应用范围,本论文对粉煤灰耐磨微晶玻璃进行了研究。  在大量调研和理论分析的背景下,借助于CaO-Al2O3-SiO2三元相图,选择初始配料点落在硅灰石相区内,利用烧结法制备了微晶玻璃试样。采用X射线衍射、电子探针-能谱方法研究了微晶玻璃玻璃基体和晶相的组成。采用显微维氏硬度计和电子万能试验机测试了其显微硬度和抗弯强度。采用差热分析方法研究了其析晶动力学。采用磨损试验机研究了其在磨粒磨损条件下的耐磨性能和磨损机理。  XRD结果表明,其主晶相为硅灰石,但是同时也出现了次晶相钙长石,由于钙长石不具备良好的耐磨性能,结合CaO-Al2O3-SiO2三元相图对配方进行了优化,使粉煤灰的质量分数由50%减少到40%,得到了以单一硅灰石为晶相的粉煤灰微晶玻璃,晶体呈块状,大小约为3~10μm,显微硬度达848.56HV0.1,抗弯强度为152.40MPa。  在Johnson-Mehl-Avrami(JMA)模型的基础上,运用Kissinger法和Augis-Bennett法计算得到的析晶活化能基本一致,约为504.7KJ/mol,且以k(Tp)判据来判断基础玻璃的稳定性,即随着升温速率的升高,k(Tp)的值也相应的增加,表明玻璃的稳定性减弱,玻璃的析晶能力增强。  在磨粒磨损初期,其磨损机理为多次塑变磨粒机理、微观断裂磨损机理及微观切削磨损机理共同起作用,玻璃相磨损比较严重,此阶段磨损量较大;随着磨损时间的延长,其磨损机理没有变化,但是裸露的晶相增多,起到耐磨骨架的作用,使得磨损量下降;最后由于微晶玻璃又出现疲劳磨损,使得磨损量略为增加,但是仍然低于起始阶段的。随着升温速率的升高,微晶玻璃中的晶相变粗大,起到耐磨骨架的作用,有利于提高微晶玻璃的耐磨性能,但是同时会增加其气孔、内应力,使得强硬度降低。因此,升温速率的选择与实际工作环境有关,即当微晶玻璃仅仅需要具备良好的耐磨性能时,热处理工艺中选择稍高的升温速率;当微晶玻璃在满足耐磨性能的基础上,尽可能降低升温速率。
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