（材料学专业论文）钙铝硅系微晶玻璃结构与耐磨性的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 近年来，随着c a o a ：o ；一s i 0 2 系统微晶玻璃产业的发展，以及装饰装修的 兴起，已经有大量建筑物应用了建筑装饰微晶玻璃。但是使用后发现，微晶玻璃 装饰板材表面会出现的“划伤”现象，失去其原有的装饰效果，使其应用范围受 到限制。 本课题就以p 硅灰石为主要晶相的微晶玻璃( c a o - a b 0 3 s i 0 2 系统) 为研 究对象，利用烧结法制备微晶玻璃，采用调整基础玻璃配方组成c a o 和a 1 2 0 3 ， 来调节析出晶体的种类大小及其含量，研究不同晶相含量与微晶玻璃耐磨性能的 关系，并分析其对其微观结构、硬度等力学性能的影响。此外，还采用直接加入 增韧剂z f 0 2 的方法，研究加入z r 0 2 对微晶玻璃结构、耐磨性能的影响。同时还 研究了z r 0 2 对微晶玻璃烧结析晶的影响。 实验中采用磨料磨损的方式。以6 0 目和1 3 0 目的锆英砂和1 0 0 目的s i c 作 为磨料，在道瑞式耐磨性试验机上测试微品玻璃的耐磨性能，并通过观察试样磨 损后的表面微观形貌，来分析其磨损的机理。 实验结果表明：c a o 的引入有利于微晶玻璃的析晶，从而提高了材料的耐磨 性能；a 1 2 0 3 的引入虽然降低玻璃的结晶倾向，但是可以使玻璃体更加致密，并 提高了玻璃相的力学性能，综合两种作用，微晶玻璃整体的耐磨性得到了一定程 度的提高；加2 的引入会提高玻璃的粘度，使其烧结收缩率下降，不利于微晶 玻璃的娆结。然而z 内2 对微晶玻璃的析晶有一定的促进作用，并且其具有的增 韧效果，可以提高微晶玻璃的耐磨性能。 在磨损试验中，对于锆英砂磨料，颗粒越大，磨损量越高；对于不同的磨料， 锆英砂和s i c ，锆英砂硬度高于s i c ，其磨损量也远大于s i c 。在小颗粒松教磨 料的低磨损区，磨损机理主要是微观切自0 磨损机理，表面有明显的犁沟或者印痕。 在大颗粒的高磨损区，磨损行为包含多种机理，表面的磨损形貌也很复杂。 关键词：微晶玻璃耐磨性能增韧磨损机理 塾堡堡三查堂堡主兰壁堡兰 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h eg l a s s c e r a m i c si n d u s t r yo f c a o - a 1 2 0 3 一s t 0 2s y s t e m ，a n dt h er i s eo ft h ed e c o r a t i o n s ，al a r g en u m b e ro fb u i l d i n g s h a v eu s e dt h eb u i l d i n gd e c o r a t e dg l a s s c e r a m i c sa l r e a d y b u ta f t e ru s i n gf o rac e r t a i n t i m e , t h es c r a t c h i n gp h e n o m e n o nt h a tt h eb u i l d i n gd e c o r a t e dg l a s s c e r a m i c ss u r f a c e w i l la p p e a r , m a k ei tl o s ei t sa l r e a d ye x i s t i n go r n a m e n te f f e c t , a n dl i m i tt h er a n g eo f a p p l i c a t i o n t h es a b j e c tt a k e st h ec a o a l z o s s i 0 2 g l a s s - c e r a m i c s o fw h i c hm a i n c r y s t a l l i z a t i o np h a s ei s1 8 - w o l l a s t o n i t e a st h er e s e a r c ho b j e c t ，p r e p a r e st h e g l a s s - c e r a m i c sb ys i n t e f i n g t h ek i n d s ，s i z e sa n dc o n t e n t so ft h ec r y s t a l l i z a t i o na r e c o n t r o l l e db ya d j u s t i n gt h ec o n t e n to ft h eb a s i cg l a s sc o m p o n e n t s ，s u c ha sc a oa n d a 1 2 0 3 t h em l m i o n s h i pb e t w e e nt h ec o n t e n to fc o m p o n e n t sa n dt h ew e a r - r e s i s t a n c e p e r f o r m a n c e o ft h eg l a s s - c e r a m i c si ss t u d i e d ，a n da n a l y z e si t si m p a c to ni t s m i c r o s t m c t u r ea n dm e c h a n i c sp e r f o r m a n c e ，s u c ha sh a r d n e s s ，e t e ，i na d d i t i o n ，z r 0 2i s i m p o r t e dd i r e c t l yt oi n c r e a s et h et o u g h n e s so f t h eg l a s s c e r a t n l c s ，a n dt h ei n f l u e n c eo f z r 0 2o nm i c r o s t r u c t u r ea n dw e a r - r e s i s t i n gp e r f o r m a n c ei sr e s e a r c h e d a l s ot h ee f f e c t o f z r 0 2o nt h es i n t e r i n ga n dc r y s t a l l i z a t i o no f t h eg l a s s - c e r a m i c si si n v e s t i g a t e da tt h e s a m e t i m e a b r a s i o nw e a ri st a k e na st h em a i n w e a rm o d ei nt h ee x p e r i m e n t s n l ez i r c o no f 6 0a n d 1 3 0m e s h e s ，a n dt h es i co f1 3 0m e s h e sa r eu s e da st h ea b r a s i v e s ，i no r d e rt o t e s tt h ew e a r - r e s i s t i n gp e r f o r m a n c eo ft h eg l a s s c e r a m i c so nt h ew e a r - t e s t i n gm a c h i n e t h ew e a rm e c h a n i s mi ss t u d i e da f t e rt h ew e a rt e s tb yo b s e r v i n gt h es u r f a c e m i c r o s t m c t u r e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w st h a tt h ei n c r e a s eo fc a op r o m o t e st h e c r y s t a l l i z a t i o no fg l a s s c e r a m i c s ，t h u si m p r o v e st h ew e a r - r e s i s t i n gp e r f o r m a n c eo f t h e m a t e r i a l ；t h ei n t r o d u c t i o no f a l 2 0 3r e d u c e st h ec r y s t a l l i z a t i o ni n c l i n a t i o no f t h eg l a s s ， b me a r lm a k et h ev i t r e o u sb o d ym o r ec o m p a c t e d ，a n da l s oi m p r o v e st h em e c h a n i c s p e r f o r m a n c eo f t h eg l a s sp h a s e ，s y n t h e s i z e st w ok i n d so f e f f e c t ，t h ew e a r - r e s i s t a n c eo f t h eg l a s s c e r a m i c sh a sg o tt h ei m p r o v e m e n to fac e r t a i nd e g r e e ；t h ei n t a k eo fz r 0 2 i m p r o v e st h ev i s c i d i t yo ft h eg l a s s a n dh a sab a f f l i n ge f f e c to ns i n t e r i n gs h r i n k a g eo f g l a s sp a r t i c l e ，a n dn e g a t i v ee f f e c to nt h es i n t e r i n go f t h eg l a s s c e r a m i c s h o w e v e r , t h e i n t a k eo fz r 0 2p r o m o t e st h ec r y s t a l l i z a t i o no fg l a s s c e r a m i c s ，a n dc a na l s oi n c r e a s e t h et o u g h n e s so f t h em a t e r i a l s ，s ot h ew e a r - r e s i s t a n c ei sf i n a l l yi m p r o v e d r 茎望墨! 查兰堡堂垡堡茎 i nt h et e s t i n ge x p e r i m e n t s ，a st oz i r c o na b r a s i v e ，t h eb i g g e rt h ep a r t i c l ei s ，t h e h e a v i e rt h ew e a r i n gi s ；t ot h ed i f f e r e n ta b r a s i v e s ，z i r c o na n ds i c ，t h eh a r d n e s so f z i r c o ni sh i g h e rt h a ns i c ，i t sw e a r i n ga m o u n ti sf a rg r e a t e rt h a ns i c ，i nt h el o w w e a r i n g , a r e ao ft h el o o s ea b r a s i v eo ft i n yp a r t i c l e ，w e a rm e c h a n i s mi sm a i n l yt h e m i c r o c u t sw e a r i n gm e c h a n i s m ，a n dt h es u r f a c eh a so b v i o u sf u r r o wa n di n d e n t a t i o n i nt h eh i 曲w e a r i n ga l e ao ft h eb i gp a r t i c l e ，w e a rb e h a v i o ri n c l u d e sm a n yk i n d so f m e c h a n i s m ，a n dt h es u p e r f i c i a lm i c r o s n - a c t u r ei sa l s ov e r yc o m p l i c a t e d k e y w o r d s ：g l a s s c e r a m i c s w e a r - r e s i s t a n c e t o u g h n e s sw e a r - m e c h a n i s m 此页若属实请申请人及导师签名。 独匈性声瞬 本人声明所量览的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 静地方乡 论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同恚对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：埠 关于论文使用授权的说明 日期矽6 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守北规定) 伊f 究纠二签名：一碴导师爷名：! 至苎圭r 期! 竺盥旦璺璺 注：请将此声明装订在论文的目录前。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 微晶玻璃的概述 第一章前言 微晶玻璃( g l a s s c e r a m i c s ) 又称玻璃陶瓷、结晶化玻璃或微晶陶瓷，是由基 础玻璃经控制晶化行为丽获得的一类微晶体和玻璃相均匀分布的材料 1 】。其有既 不同于玻璃，又不同于陶瓷的特点。经过近四五十年的研究与发展，这种新型的 材料制备和应用得到了快速的发展。作为建筑装饰材料，其性能集玻璃，陶瓷， 石材的优点于一身；作为功能材料和结构材料，在光、电、生、化、磁等微电子 技术，生物医学，国防尖端技术，机械制造等领域得到了广泛的应用 2 1 ，并且具 有巨大的发展前景【j j 。 玻璃是一种具有无规则结构的非晶态固体，或称玻璃态物质，从热力学观点 出发，它是一种亚稳态，较之晶态具有较高的内能，在一定条件下可转变为结晶 态。但从动力学观点来看，玻璃熔体在冷却过程中，粘度的快速增加抑制了晶核 的形成和长大，使它来不及转变为晶态。微品玻璃是人们充分利用玻璃在热力学 上的有利条件，丽又克服了它在动力学上的不利条件而获得的一大类材料。把加 有晶核剂或不加晶核剂的特定组成的玻璃，在可控条件下进行晶化热处理，使原 单一的玻璃相形成了有微晶相和玻璃相均匀分布的复合材料。 徽晶玻璃的综合性能主要决定三大因素：原始组成的成份、微晶体的尺寸和 数量、残余玻璃相的性质和数量。后两种因袭是由微晶玻璃晶化热处理技术决定。 微晶玻璃的原始组成不同，其晶相的种类也不同，例如有b 一硅灰石、透辉石、 钙长石、堇青石等，不同的晶相赋予了微晶玻璃的不同性能。 根据微晶玻璃的主晶相分类有：硅酸盐微晶玻璃，氟硅酸盐微晶玻璃，磷酸 盐微晶玻璃，氧化物微晶玻璃。目前为止，研究较多的有l i 2 0 - a 1 2 0 3 一s i 0 2 ， c u o a 1 2 0 3 。s i 0 2 系低膨胀率微晶玻璃，m g o a 1 2 0 3 一s i 0 2 和c a o a l z 0 3 一s i 0 2 系矿 渣微晶玻璃，可切削性云母微晶玻璃及生物活性磷酸盐微晶玻璃，钙铁硅微晶玻 璃。 硅灰石型烧结微晶玻璃是一种新型高档建筑材料，易表面析晶，形成大量晶 界面，显示粗细不均的晶花、且由玻璃相影视出来，富有立体感、层次感，大大 增强了材料的装饰效果。所以产品具有类似天然花岗岩的花纹，有玉石感，质感 好。 山于是晶相与玻璃相紧密结合，兼具玻璃、陶瓷和晶体的特点，所以抗折抗 乐强度高，还具有耐磨、耐腐蚀、耐候性好色相、色调可调没有放射性等特 武汉理i 。大学硕士学位论文 点【。这系列优点是单一的玻璃、建筑陶瓷和花岗岩、大理石等材料所无法比 拟的，因此有逐渐替代高档花岗岩等天然石材的倾向。深受用户的青睐和研究者 们的重视1 5 , 6 , n 。 硅灰石型烧结微晶玻璃属c a o a 1 2 0 3 - s i 0 2 系统，是以针状b 一硅灰石为主 晶相与玻璃相紧密结合的无机复合材料。生产此种微晶玻璃可不使用晶核荆，这 主要是利用玻璃在分界处易于核化的性质 8 1 。 其实微晶玻璃的烧结过程非常复杂归j ，玻璃颗粒的烧结是在有液相的参与的 情况下进行的。纯粹的固相烧结实际上是不易实现的。在材料的制备过程中，液 相烧结比固相烧结的应用范围更广泛。液相烧结的推动力是表面能，烧结过程是 由颗粒重排、气孔填充等阶段所组成。由于流动传质速度侠，因而液相烧结致密 化速率高。 在通常情况下，玻璃颗粒的烧结过程为，在室温到8 0 0 的范围内玻璃颗粒 之间并无明显的烧结迹象，玻璃颗粒仍然处于松散的状态；当玻璃颗粒在8 5 0 保温1 小时以后，玻璃颗粒已经开始有明显的烧结迹象，原来尖锐的颗粒开始变 的圆滑，玻璃颗粒问的空隙明显减小；9 5 0 保温1 小时以后，玻璃颗粒之间的 烧结更加充分，制品的烧结收缩加大。此时在玻璃颗粒之间已经生长出了微小的 晶体；当玻璃颗粒在1 1 2 0 保温1 小时以后，玻璃颗粒的致密化已经达到了最 高的状态，玻璃颗粒开始整体析晶。图1 1 为玻璃颗粒的烧结、核化、晶化过程 示意图。 豳图。图震 图1 i 玻璃颗粒的烧结、 ( c )( d ) 核化、晶化过程示意图 表1 1 为硅灰石型烧结微晶玻璃的基础玻璃化学组成范围。由表1 1 可以看 出，其组成中，a 1 2 0 3 和c a o 的含量相对其它玻璃玻璃而言比较高。 表1 1 基础玻璃的化学组成一般为：( w t ) 武汉理| | = 大学硕士学位论文 析出的硅灰石晶体含量一般在3 0 4 0 ，最高可达5 0 。所用的原材料 主要有硅砂长石、方解石和一些助熔剂，澄清剂，也可引入天然尾矿、冶金矿渣、 选矿尾渣。废料的引入既可减少原料费用，降低熔制温度，又能废物利用，减少 污染，具有较好的经济效益和社会效益，为解决环境污染和资源再生利用也提出 了一个有意义的途径【m i 。但由于它们的化学组成波动较大，给生产工艺控制 带来困难“。 1 2 微晶玻璃耐磨性存在的问题 近年来，国内外对建筑装饰微晶玻璃，即以b 一硅灰石为主要晶相的微晶玻 璃( c a o a 1 2 0 3 s i 0 2 系统) 研究报道很多，其中对硅灰石晶体的析出过程研究比 较深入，不论从晶化机理探讨1 9 , 2 0 , 2 1 ，还是从成分，工艺影响因素的研究瞄, 2 3 纠， 以至到晶化程度对微晶玻璃力学性能影响的研究1 2 5 , 2 6 1 都已进入到一定的深度。随 着c a o a 1 2 0 3 s i 0 2 系统微晶玻璃产业的发展，以及装饰装修的兴起，已经有大 量建筑物应用了建筑装饰微晶玻璃。 经过一段时间的应用，发现微晶玻璃装饰板在耐磨性方面存在严重的问题， 即在使用一定时间后，微晶玻璃的表面会出现大量的“划伤”现象。因此，会失 去其原有的装饰效果，使其应用范围受到限制。而且某些微晶玻璃企业也因此而 遭受了经济上的损失。 微晶玻璃表面性能与c a o - a 1 2 0 3 - s i 0 2 系统装饰微晶玻璃的生产工艺过程复 杂，其中对板材表面的加工要求非常严格。按照国际规定，其加工以后的表面光 泽度要达到8 5 度以上。加之微晶玻璃中含有大量的玻璃，就使得该材料在加工 后表面呈镜面。导致在同类的装饰材料中，微晶玻璃表现出更加容易被“划伤” 的一面。另外对于天然石材，其中晶相含量高，晶体的解理面方向复杂，往往对 光线会产生不同方向的反射，使人们较难看出其表面的“划伤”痕迹。 微晶玻璃是由玻璃颗粒烧结晶化而成的，其中仍然保留了玻璃相的结构与特 性。表面光泽度与其折射率有直接的关系折射率越大，其表面光泽度越强。微晶 玻璃中含有一些折射率大的元素。如b a 、z n 等，都可提高玻璃相的折射率，从 而提高其光泽度。 这些问题的出现已经影响到企业的经济效益以及行业的技术发展。另外，也 会给用户的使用带来不安全的因素。目前，如何提高微晶玻璃的耐磨性已经成为 该领域的研究焦点 2 7 , 2 8 j 9 1 。 武汉理1 大学硕士学位论文 1 3 材料磨损的实质叫 磨损是由摩擦引起的、在日常生活和国民经济的各个领域中普遍存在的现 象，像建材工业、冶金矿山、电力工业、机械工业、农业机械、国防工业以及航 空、航天等等，处处存在摩擦，处处存在磨损。材料磨损是两个或两个以上的物 体摩擦表面在法向力的作用下，相对运动及有关介质、温度环境的作用使其发生 形状、尺寸、组织和性能变化的过程。从磨损的特征与结果分析，任何一种磨损 都发生在物体的工作表面上，但不仅物体表面宏观发生变化，而且物体微观组织 结构及其性能也会发生变化，同时产生一定数量的磨损产物。从物理与化学角度 分析，磨损是发生在两物体相对运动的表面，而且是在很薄的一层工作面上，在 磨损过程中一个重要的特征是机械能转变成热能，加热与冷却都是以非常快的速 度进行，物体表面具有相当大的活性和相当高的自由能，材料表面与亚表面的组 织与性能同内部是不一样的。材料表面原子会与环境( 介质) 发生相互作用，产 生物理吸附、化学吸附或化学反应，使材料表面可能产生加工硬化层或者形成表 面织构，将会影响材料的磨损过程。可以说磨损是一个动态过程。 从原子与作用力分析，由于相互接触的两物体表面其中一物体表面的原子可 能与另一物体表面的原子极靠近，甚至进入斥力场，在相对运动时，两表面分子 就会产生能量损耗。在相对运动中将有些原子进入斥力场，而有另一些原子将离 开斥力场，其变化大小，决定于接触程度，而其定量数决定于统计学的相率。当 两物体充分接近时，原子将被排斥而其自然的趋向是回到它原来的位置上去，然 而这是个似乎不可能的假说，即原子可能被撞击出，并运动得足够远，以至于进 入相对表面上另一个原子场内，在这里得到新的平衡位置。也就是说原子可以从 一个物体表面上被对面得另一个物体表面俘获去。按汤姆林逊的著作，这就是磨 损的实质。 有关材料磨损过程的研究，相对摩擦来讲起步较晚，对磨损许多问题的 研究还很不够，对磨损的定义和分类尚不统一。但有一点是无疑的，当两个 相对运动的物体表面发生摩擦时，必然产生磨损。这是到处可见的现象。这 一现象，看似简单，实际上很复杂，影响因素很多，涉及弹一塑性力学、表 面物理化学以及材料科学等多种学科，虽然经过了较长时间的大量研究，但 迄今为止对磨损机理的研究还很不够，也还没有一个可靠的简明的定量公式。 对一螳磨损现象，也许我们懂得它的含义，但下一个确切的定义又并非易事。 目前有以下几种定义： a 由于机械作用而造成的物体表面材料的逐渐消耗( 英国机械工程师协 会) ， 武汉理工大学硕士学位论文 b 由于摩擦结合力的反复扰动而造成的材料破坏( 前苏联的克拉盖尔斯 基) 。 c 由于物体的表面与相接触的物质问的相对运动造成物体表面的损伤， 还常有材料的逐渐损失( 美国材料试验学会a s t m ) 。 d 德国1 9 5 3 年h w a h l 起草的试行标准d l n 5 0 3 2 0 中定义为“从技术意 义上来说，磨损应理解为工作物体表面由于机械原因导致小颗粒松脱而出 现的一种不利变化”。在1 9 7 9 年修订d l n 5 0 3 2 0 时又定义为“磨损是一个物 体由于机械的原因，即与另一个固体的、液体的或者气体的配对件发生接 触和相对运动，而造成的表面材料不断损失的过程”。 e 磨损是物件由于其表面相对运动，而承载表面上不断出现材料损失的 过程( 1 9 6 9 年制定o e c d 汇编“术语和定义”) 。 上述定义中，都有各自的片面性，强调了某种作用而忽视了其它一些作 用，如定义a 强调了机械作用，而忽略了电和化学作用，第二个定义则强调了 疲劳的作用。虽然各定义有所区别，但是不难看出磨损有三大要素： a 材料的表面特征； b 另一物质( 气液固) 的接触特性，即接触方式、力的传递和表面变形等； c 相对运动。 1 4 磨损的分类 每一种磨损都有几种性质不同、互不相关的机理存在，因此在分类上也常出 现混乱现象。尽管如此，人们还是根据不同的条件，进行了不同的分类，常见的 分类方法见图1 1 所示。 在这些类型的磨损中，磨料磨损最为普遍存在，约占各种磨损的5 0 ，黏 着磨损次之，约占1 5 ，腐蚀磨损居第三位，约占8 。 武汉理人学硕士学位论文 一一 1 5 磨料磨损 图1 - 1 磨损分类图 1 5 1 磨料磨损的简化模型 在许多著作中都采用了拉宾诺维奇( r a b i n o w i c z ) 在1 9 6 6 年提出的磨料 磨损简化模型，见图l 一2 ，并导出了定量计算公式。模型计算假设条件：磨 料培损中的磨粒为圆锥体；被磨材料为不产生任何形变的刚体；磨损过 程为滑动过程。磨粒在载荷p 的作用下，被压入材料中，并在切向力作用下 武汉理工大学硕士学位论文 沿材料表面滑动距离为l ，犁出一条沟，其深度为t 。那么单位滑动距离磨损 掉的材料体积，即被迁移的沟槽体积( 阴影部分) ，用下式可以算出，即 y = l 、x 2 r x t xl：rll(1-1) 式中：v 磨损掉的体积；r 一磨粒圆锥体的半径；t 磨粒压入材 料的深度；l 滑动距离。 l - 弋_ l 一 图1 - 2 磨料磨损的简化模型 压入材料的深度取决于压力的大小和材料硬度的比值，所以 t=rtgo(1-2) 2 = p h ( 1 - 3 ) 式中：0 磨料圆锥体的夹角：p 法向载荷；h 材料的硬度 叫l = p d t , t g o ( 1 - 4 ) 令磨料磨损系数： k 。，= t g o p r( 1 - 5 ) 妣 矿= 鲁( 1 - 6 ) 式1 - 6 表明，在一定的磨料条件下，单位距离内磨损体积与加载荷成正比， 而与材料的硬度成反比。 1 5 2 磨料磨损的机理 对于本论文，磨损主要集中于磨料磨损。外界硬质颗粒或者对磨表面上的 硬突起物或粗糙蜂在摩擦过程中引起的表面材料脱落的现象，称为磨粒磨损。 磨粒磨损有三种形式： ( 1 ) 磨粒沿一个固体表面相对运动产生的磨损称为一：体磨粒磨损。当磨粒 运动方向与固体表面接近平行时，磨粒与表面接触处的应力较低，固体表面产生 擦伤或者微小的犁沟痕迹。如果磨粒运动与向与固体表面接近垂直刚，常称为冲 武汉理| _ 人学硕士学位论文 击磨损。此时，磨粒与表面产生高席力碰撞，在表面上磨出较深的沟槽，并有大 颗粒材料从表面脱落。冲击磨损量与冲击能量有关。 ( 2 ) 在一对摩擦副中，硬表面的粗糙峰对软表面起着磨粒作用，这也是一 种二体磨损，它通常是低应力磨粒磨损。 ( 3 ) 外界磨粒移动于两摩擦表面之间，类似于研磨作用，称为三体磨粒磨 损。通常三体磨损的磨粒与金属表面产生极高的接触应力，往往超过磨粒的压溃 强度。这种压应力使韧性余属的摩擦表面产生塑性变形或者疲劳，而脆性金属表 面则发生脆裂或者剥落。 对于磨料磨损的机理，迄今为止，还没有完全清楚，还存在一些争议。 就本课题而言，可能涉及到的机理主要为以下四个方面： 第一，微观切削磨损机理 磨粒在材料表面的作用力分为法向力和切向力两个分力。法向力使磨粒 压入表面；切向力使磨粒向前推进，当磨粒形状与运动方向适当时，磨粒就 如同刀具一样，在材料表面进行切削。但是这种切削的宽度和深度都很小， 因此切削量也很小，所以称之为微观切削。 第二，多次塑变磨损机理 在磨料磨损中，当磨粒滑过被磨材料表面时，除了切削以外，大部分把 材料推向两边或者前缘，这些材料的具有一定的塑性变形，但未能脱离母体， 在沟底及沟槽附近的材料也有较大的变形。这些堆积在两侧和前缘的材料以 及沟槽中的材料；在受到随后的磨粒作用时，可能把已堆积的材料压平，也 可能使已变形的沟底材料遇到再一次的犁皱变形，如此反复塑变，导致材料 产生加工硬化或其它强化作用最终剥落而成为磨屑。 第三，疲劳磨损机理 疲劳是由重复作用应力循环引起的一种特殊破坏形式，这种应力循环不 超过材料的弹性极限。疲劳磨损是因表瑶曾微观组织受到周期载荷作用而产 生的。其特征是材料在强化过程发展的同时，过程的速度主要取决于周围的 介质及其对强化的作用。 第四，微观断裂磨损机理 磨损时由于磨粒压入被磨材料表面而具有静水压的应力状态，所以大多 数材料都会发生塑性变形。但是对于脆性材料，可能就是断裂机理占主要地 位。当断裂发生时，压痕周围的材料都要被磨损剥落，因此磨损要比塑性材 料大。 脆性材料的压痕断裂，其外部条件决定于载荷大小、磨粒的形状和尺寸 以及周围环境等，其内部条件主要决定于材料的硬度和断裂韧性等。对于脆 武汉理r 入学硕士学位论文 性材料来说，压痕带有明显的表断裂纹，这些裂纹从压痕的四角出发向材料 的内部伸展，裂纹平面垂直于试样表面而呈辐射状者为中线裂纹，压痕附近 还有横向的无出口裂纹。裂纹长度随压痕大小而可概略计算，而且断裂韧性 低的材料裂纹较长。对于磨料磨损来说，当横向裂纹互相交叉或扩散到表面 时，就造成微观断裂机理的材料磨损。 1 5 3 磨料磨损的影响因素 1 硬度( h a 一磨粒硬度；h m 一材料硬度；k 一磨损系数) 低磨损区：1 2 5 h a h r n ，k 。ch m 4 过渡磨损区：0 8 h a h m 1 2 5 h a ，ko 亡h m 。 高磨损区：h m l 其它性能测试 r 一r + 。1 r _ r _ _ _ 一 8 e 堕因 图2 - 1 实验的工艺流程图 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 实验所用的原料 本实验主要基于c a o a 1 2 0 3 一s i 0 2 系统微晶玻璃的研究。c a o - a 1 2 0 3 s i 0 2 系 统的主晶相为且一硅灰石，属于三斜晶系，通常呈枝柱状。本论文将系统地研究 c a o 、a 1 2 0 3 和z r 0 2 等组分变化对其结构与耐磨性能的影响。目前工业生产常用 的配方如下表2 1 所示： 表2 - 1 常用的工业配方 原料名称分子式分子量级别纯度( ) 2 3 玻璃组成的确定 2 3 1 a 组玻璃试样的组成 结合本实验室多年的研究成果及目前工业生产的配方，现设计如f 的a 组 配方，见表2 3 ： 茎望里三查兰堡主堂垡堡塞 一 表2 - 3a 组实验配方( 州) s i 0 2a 1 2 0 3 c a oz n ob a o n a 2 0b 2 0 3s b 2 0 3 a az a 3 a 5 6 2 0 0 6 15 0 6 1 0 0 6 0 5 0 6 0 0 0 7 0 0 7 0 0 7 o o 7 0 0 7 ，0 0 1 6 5 0 1 7 0 0 1 7 5 0 1 8 0 0 1 8 5 0 5 o o 5 0 0 5 0 0 5 0 0 5 0 0 4 0 0 4 0 0 4 0 0 4 0 0 4 o o 4 0 0 4 0 0 4 0 0 4 0 0 4 0 0 1 o o 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 5 0 0 5 0 0 5 0 0 5 0 0 5 0 上表中为纯化学组分的质量百分含量，而且部分组分还要以盐的形式引入， 故样品和配方之间还要进行必要的换算。实际配料如下表2 4 ： 表2 - 4a 组实验配料表( g ) 2 3 2 b 组玻璃试样的组成 设计的b 组配方如下表2 5 ： 表2 - 5b 组实验配方表( w t ) s i 0 2a 1 2 0 3 c a oz n ob a o n a 2 0b 2 0 3s b 2 0 3 6 1 5 0 6 1 0 0 6 0 5 0 6 0 0 0 5 9 5 0 6 0 0 6 5 0 7 0 0 7 5 0 8 ，o o 1 8 ，0 0 1 80 0 1 8 0 0 1 8 0 0 1 8 o o 5 0 0 5 0 0 5 0 0 5 0 0 5 o o 实际配料见下表2 - 6 4 4 0 0 4 0 0 4 0 0 4o o 4 o o 4 ，0 0 4 ，0 0 4 0 0 4 0 0 4 o o 1 0 0 1 o o 10 0 lo o 1 o o o 5 0 0 5 0 o5 0 0 5 0 o 5 0 耽 眈 战 盼 茎望堡! ：查堂堡主兰垡堡奎 表2 - 6b 组实验配料表( g ) s i 0 2a 1 2 0 3c a c 0 3 z n o b a c 0 3n a 2 c 0 3h 3 8 0 3 s b 2 0 3 b ， b 2 b 3 b d b 5 6 1 6 2 6 i 1 2 6 0 6 2 6 0 1 2 5 9 6 2 6 0 9 6 6 0 7 1 1 7 6 1 8 1 2 3 2 1 9 3 2 1 9 3 2 1 9 3 2 1 9 3 2 1 9 2 3 3c 组玻璃试样的组成 5 0 3 5 0 3 5 0 3 5 0 3 5 0 3 5 1 9 5 1 9 5 1 9 5 1 9 5 1 9 6 8 5 6 8 5 6 8 5 6 8 5 6 8 5 1 7 8 i ，7 8 1 7 8 1 7 8 1 7 8 0 ，5 0 o 5 0 0 5 0 0 5 0 o 5 0 z r 0 2 在很多工程材料中作为增韧剂使用，对于微晶玻璃这样的脆性材料来 讲，适当的引入增韧剂是提高其机械性能的良好途径。在本实验中也尝试着引入 z r 0 2 以提高其耐磨性能。设计的c 组配方如下： 表2 7c 组实验配方表( 吼) 经过换算，得到实际的配料单见表2 8 ： 表2 8c 组的实验配料表( g ) s i 0 2a 1 2 0 3c a c 0 3 z n o b a c 0 3n a 2 c 0 3h 3 8 0 3 s b 2 0 3z r 0 2 武汉理 大学硕士学位论文 c d c 5 c 6 c 7 2 4 样品的制备 2 4 1 玻璃的熔制与水淬 精确计算出所需的氧化物或者碳酸盐的质量后，用j d 2 0 0 3 电子天平( 准确 到万分之一克) 准确地称取各种氧化物，将这些氧化物依次倒入研钵中，用杵进 行充分的研麽，使它们混合均匀并且使颗粒度变小。将混合均匀后的粉料倒入 4 0 0 m l 的陶瓷柄皿中，并用杵压平，给每号样品标上编号，以免混淆。然后放入 垫有砂予的匣钵中，再一起放入硅钼炉中，以3 0 0 h 的升温速度，将配合料加 热到t 4 5 0 c ，保温2 h 后，将玻璃溶液倒入凉水中水淬急冷。再将水淬后的玻璃 颗粒收集，并置于干燥炉中，在2 0 0 下烘干，取出，最后置于研钵中研磨，得 到0 1 1 0 r a m 的颗粒料，收集该颗粒，存储备用。 2 4 2 玻璃颗粒的烧结晶化 由于j m 4 5 - - 4 i 型道瑞式耐磨试验机对样品尺寸的要求，按a s i mc 2 4 1 标准 及新国家标准要求制备成( 5 0 o 5 ) ( 5 0 + 0 5 ) 2 0 m m 的样品，受磨面为 细面。 自制晶化的模具，用耐火砖锯成内径为6 x 6 e m ，深度为4 5 c m 的凹槽。并 在其内外壁均匀的涂上高岭土，这样可以防止微晶玻璃样品在晶化后与模具粘 结。 将玻璃颗粒过1 0 目的筛，去除小颗粒，装入模具中填满( 约2 0 0 9 ) 。玻璃 颗粒的大小要注意，不能太大或太小，太大了不易于析晶，太小的析晶太快太多， 影响成型后的美观。将模具放入硅碳炉中进行烧结晶化处理，以3 0 0 4 0 0 h 的升温速率，升温至1 1 2 0 ，然后保温2 h ，使玻璃颗粒晶化并摊平。再随炉温 自然冷却退火至室温，制得微晶玻璃样品。 2 4 3 微晶玻璃测试样f l 0 n 备 将品化后的样品洗去表面的高岭土，然后存麝抛机j 二将各个面磨平。再用 6 武汉理工大学硕士学位论文 5 0 2 胶水，将其粘在内径切割机的夹具上，切割成5 0 5 o c m 的形状。洗净，留 待耐磨实验。 2 5 摩擦磨损实验 2 5 1 试验的方法步骤 本实验中使用是由人工晶体研究院北京海淀北方晶体材料公司制造的 j m 4 5 - 4 i 型道瑞式耐磨试验机。此试验机主要适用于国家标准g b t9 9 6 6 4 2 0 0 1 天然饰面石材实验方法第四部分：耐磨性试验方法及天然大理石建筑板 料国家标准报批稿中等效采用的美国标准a s t m c 2 4 1 9 0 s t a n d a r d t e s t m e t h o d f o r a b r a s i o nr e s i s t a n c eo f s t o n es u b j e c t e dt of o o tt r a f f i c ”，符合两种标准中对天然 花岗岩、天然大理石和其他建筑装饰材料( 如人造石、微晶玻璃等) 进行耐磨性 或耐磨度试验方法的规定要求，它是检验建筑装饰材料耐磨性或者耐磨度的专用 试验设备。 其工作的方法原理是：试样在耐磨试验机上，经过规定研磨时间、转数和对 试样施加一定的压力，称其磨前磨后质量，计算单位面积质量磨耗量。其中磨料 的流速是恒定的。 试验的步骤为： 1 将试样放入2 0 0 ( 2 烘箱中干燥4 h ，取出，在干燥器中冷却至室温立即进 行称量( m o ) ，精确到o o l g 。 2 将称量过的试样装入耐磨机的卡具上，每个卡具重量为1 2 5 0 9 ，圆盘转动 设定时间完成一次试验，试验完将试样取下，用刷子刷去粉末，并用超声波在 丙酮水溶液中清洗5 m i n ，洗去表面的粉尘，重复步骤1 ，称量磨后质量( m 0 精 确到o ，0 l g 。 3 用游标卡尺测量试样受磨端的边长l 。，l 2 ，求平均值，用平均值求受磨 面积，a f i 。 2 5 2 耐磨性的测定 单位面积磨损量按f 式计算： m ：m 0 - - 7 1 ( 2 1 ) 4 式中：m 一耐磨率( g c m 2 ) ；r n o 一磨前质量( g ) ；m 1 一磨后质量( g ) ；a 一试样 被磨端的面积( c m 2 1 。 武汉理二大学硕士学位论文 道瑞式耐磨试验机工作的示意图如下图2 - 1 所示。 磨料漏斗 圈_ 一 女 立柱 ， 磨盘 图2 1 道瑞式耐磨试验机工作的示意图 四个样品一组，分别被夹在四个卡具上，样品的磨损面与磨盘贴紧。工作中， 样品在卡具的作用下以4 5 r p m 的速度自转，而立柱同时也在以4 5 r p m 的速度自 转。这样样品相当于同时在自转与公转。磨料通过漏斗以2 0 9 4 - 5 9 m i n 的速度流 到磨盘上，在自身的离心力的作用下，逐渐由内向外移动，最后落入磨料盆中回 收。 本测试中使用6 0 目，1 3 0 目的锆英砂和1 0 0 目的碳化硅做为磨料，磨损的 时间设为1 0 m i n ，2 0 m i n 和3 0 m i n 。 6 样品的结构与性能测试 2 6 1 x r d 的测试 x 射线衍射常用于材料的物相分析，它是根据试样的位置、数目及相对强度 等，确定试样包含那些物质和其相对含量。每种晶态物质都有其特定结构。 x 射线的基础是布喇格公式：2 d s i n - - n a , 。要产生衍射，则入射线与晶面的交 角必满足上式。x 射线的位置决定于晶胞的形状和大小，即决定于各晶面间距， 而衍射的相对强度决定于晶胞内原子的种类、数目即排列花样。当x 射线通过结 晶物质时，每种晶体按其化学组成和晶体结构产生固定的衍射花样。，它们的特 征可通过各反射面网的网面间距d 和反射射线的相对强度1 1 。来表征。因此对 任何+ 种结晶物质，x 射线衍射数据d 和1 i 。是其晶体结构的必然反映，所以可 ，一0 一b、 ，、| ， 、 武汉理工大学硕+ 学位论文 以根据它们来鉴别结晶物质的物相，即可通过x 射线衍射对晶体进行定性分析。 x 射线的定量分析是根据某物相所产生的衍射强度，与其在混合物中的含量相 关。 试验采用日本生产的d m a x i h 型x 射线衍射仪，试样为3 0 0 目的粉末状， 测试仪使用的是c u 靶，扫描速度为1 5 m i n ，扫描角度范围为1 0 8 0 0 ，步进 角度为o 0 2 d e g ，电压4 0 k v ，电流3 0 m h ，测试温度为室温，扫描后对比h a n a w a l t 卡片，查出与之吻合的物相。 2 6 2s e m 的测试 扫描电子显微镜是利用聚焦电子束，在试样表面逐点扫描成相来分析物质的 微区形貌。扫描电子显微镜的工作原理是二次电子