可切削氟金云母微晶玻璃的制备及性能研究

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可切削微晶玻璃是近年来发展的一种新型微晶玻璃,除具备一般微晶玻璃共有的优异性能,又具有独特的可切削加工性能,能够采用加工金属的工具进行切削加工,其工程应用前景和发展领域十分广阔。本论文以SiO2-MgO-Al2O3-K2O-Na2O-F系(SiO2 48.9%,Al2O3 17.2%,MgO19.5%,F6.3%,Na2O 2.3%,K2O 5.8%)可切削微晶玻璃为研究对象,用B2O3和ZnO取代该玻璃体系的部分组分SiO2和Al2O3,以降低玻璃原料的熔融温度,优化出最佳的低熔点成分。采用烧结法制备出低熔点可切削微晶玻璃,应用示差扫描量热分析(DSC)、X射线衍射分析(XRD)、扫描电镜(SEM)等现代分析方法,研究了可切削微晶玻璃的组织、结构、工艺与性能之间的关系,优化出了母玻璃的最佳烧结工艺,为低熔点可切削微晶玻璃的制备和研究提供一定理论指导。同时,本论文还研究了不同成分的ZrO2的加入对优选出的低熔点可切削微晶玻璃组织和性能的影响,并初步讨论了ZrO2在微晶玻璃中的强韧化机理,得到如下主要结果:1.对于基础原料成分(SiO2 48.9%,Al2O3 17.2%,MgO19.5%,F6.3%,Na2O 2.3%,K2O5.8%),优选出的三种成分取代方式(以9.0%B2O3取代SiO2,6.0%ZnO取代Al2O3,9%B2O3和6%ZnO同时取代B2O3和Al2O3)都能有效降低玻璃原料的熔融温度,尤以B2O3取代SiO2效果最明显,玻璃原料熔融温度从1400℃降至1200℃。2.综合比较以下三种成分微晶玻璃的密度、抗弯强度、维氏硬度等性能:三种微晶玻璃的优化烧结工艺分别为:4a试样(SiO2 39.9%,Al2O3 17.2%,MgO19.5%,F6.3%,Na2O 2.3%,K2O 5.8%,B2O39.0%)最佳烧结工艺:820℃×2h+950℃×4h;4b试样(SiO2 48.9%,Al2O3 11.2%,MgO19.5%,F6.3%,Na2O 2.3%,K2O 5.8%,ZnO 6.0%)最佳烧结工艺:880℃×2h+1100℃×4h;4c试样(SiO2 39.9%,Al2O3 11.2%,MgO 19.5%,F6.3%,Na2O 2.3%,K2O 5.8%,B2O39.0%,ZnO 6.0%)最佳烧结工艺:790℃×2h+1050℃×4h。3.不同烧结温度下,4a,4b,4c试样最终析出相都是以氟金云母相为主,同时还分别析出了少量镁铝尖晶石、锌镁硅酸盐、镁橄榄石相。烧结温度不同,微晶玻璃最终生成相的种类不受影响,但析出相的含量随烧结温度的变化而不同,组织形貌也不同。在最佳烧结工艺下,4a和4b试样析出的主晶相氟金云母呈现出明显的层片状相互交错的组织特征,层片状云母交错程度较高,长径比大(一般都在8:1以上),断口呈现明显的解理断裂特征。4.ZrO2在MgO-Al2O3-SiO2-K2O-Na2O-F系云母微晶玻璃(SiO2 39.9%,Al2O3 17.2%,MgO19.5%,F6.3%,Na2O 2.3%,K2O5.8%,B2O3 9.0%)中的溶解度在7%-8%之间,当ZrO2含量达到8%时母玻璃中即有白色沉淀物。5.综合比较3Z(加入3%ZrO2),5Z(加入5%ZrO2),7Z(加入7%ZrO2)试样的密度、抗弯强度、维氏硬度和断裂韧性等性能,可以确定添加ZrO2的微晶玻璃试样的最佳烧结工艺为800℃×2h+1000℃×4h,Zr02在该系微晶玻璃中最佳添加量为5%左右。6.ZrO2的加入可以促进玻璃析晶,细化晶粒,改善微晶玻璃可切削性能和力学性能,不影响微晶玻璃析出相种类。微晶玻璃的密度、断裂韧性、可切削性能都随着ZrO2含量的增加而提高,但抗弯强度和维氏硬度5Z试样最大,与4a相比,5Z试样的抗弯强度达到267MPa,提高了近43MPa,断裂韧性也由2.15MPa·m1/2提高到2.72MPa·m1/2
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