耐磨陶瓷涂料的制备及性能研究-优秀毕业论文.pdf

西安建筑科技大学硕士学位论文 西安建筑科技大学硕士学位论文 西安建筑科技大学硕士学位论文 耐磨陶瓷涂料的制备及性能研究 专 业 材料学 专 业 材料学 硕 士 生 周硕 士 生 周 婷 婷 指导教师 高里存指导教师 高里存 教授 教授 摘 要 随着技术的发展 水泥 钢铁 火电 石化及国防工业中的设备磨损问题已 成为决定企业高效运营的重要因素之一 提高设备零件的耐磨性 降低耐磨材料 的消耗 大幅度提高耐磨件的使用寿命 对提高设备运转效率 降低生产成本 节约能源具有重大意义 耐磨陶瓷涂料就是基于以上原因应运而生的一种新型耐 磨材料 耐磨陶瓷涂料是一种非金属胶凝材料 它是采用耐酸耐碱的人工合成原 料经严格的工艺配比和先进的无机聚合技术制成的一种粉粒状陶瓷材料 它有陶 瓷的结合强度标准 施工方便 成本低廉 因此被广泛应用于各种行业的耐磨设 备中 本文论述了耐磨陶瓷涂料的性能及制备方法 在耐磨陶瓷涂料的制备过程中 分别研究了原料的种类及粒度配比 结合剂种类及加入量 养护条件等对耐磨陶 瓷涂料性能的影响 研究结果表明 1 在本实验条件下 主要颗粒料的质量分数 不应少于 40 在该前提下电熔莫来石比电熔棕刚玉更适合作耐磨陶瓷涂料的主 料 因为电熔棕刚玉中的杂质经过热处理后容易生成玻璃相 且热膨胀系数与基 质的热膨胀系数相差较大 不利于材料强度的提高 莫来石骨料与基质之间通过 莫来石反应层来结合 热处理时的收缩较少 且电熔莫来石与基质的热膨胀系数 较接近 因此有利于材料强度的提高 辅料中加入碳化硅能够提高耐磨陶瓷涂料 的性能 且粒度越小对性能的提高作用越明显 2 结合剂的最佳加入量为 12 18 在这个加入量范围 结合剂的加入量越大越有利于材料力学性能的提 高 ca 70 铝酸盐水泥比 ca 50 铝酸盐水泥做结合剂更能提高耐磨陶瓷涂料的机 械性能 且结合剂加入时需配以适量的活性微粉 可明显提高材料的中温强度 3 由于铝酸盐水泥的水化集中在前 3 天 因此前 7 天采用潮湿养护 试样的机械性 能有明显提高 当 7 天过后 养护的温度升高有助于试样机械强度的提高 因此 7 28 天选择标准养护 从养护初期到 28 天 试样的耐压强度一直有所提高 关键词 耐磨陶瓷涂料 物理性能 加入量 电熔莫来石 西安建筑科技大学硕士学位论文 the study on preparation and properties of wear resistant ceramic coating specialty materials science candidate zhou ting instructor professor gao licun abstrect as the development of the technology in the field of cement steel thermal power petrochemical and denfense industry wearing of the equipment has become a important factor for efficient operation of the enterprise it has a great significance to improve the efficiency reduce the costs of production and save the energy by improving the wear resistance of the equipment reducing the consumption of the wear resistant and greatly extend the life of the wear parts because of this a new type material called wear resistant ceramic coating was produced ceramic wear resistant coating is a non metallic cementitious material it is a powder ceramic material made by the advanced polymer technology using the acid alkali and artificial synthesized as raw materials it has a standard of combination strength convenient to construction low cost so it is widely used in the wear segments of various industries this paper outlines the performance and preparation methods of wear resistance ceramic coatings it has studied the impact of the ratio and type of the raw materials the additive and type of the binders curing time the results show that 1 the mass fraction of ingredient should not less than 40 in this context fused mullite is more suitable for being the ingredient of wear resistant ceramic coating than fued corundum the reason is that afterheat treatment the impurities in the fused corundum is easy to generate the glass and the thermal expansion coefficient is so different between the fuesd corundum and the matrix which is bad for the improvement of materials fused mullite and matrix is combined by the reaction layers resulting the less shrinkage during heat treatment it is also beneficial to improve the strength of materials because of the closer thermal expansion coefficient between fused mullite and matrix the 西安建筑科技大学硕士学位论文 addition of the silicon carbide can improve the performance of wear resistant ceramic coating and it is more obvious performance improvement when the particle size is more smaller 2 the best addition of the binder is 12 18 between the addition amount the greater the added amount of binder the more improvement of material properties it is better for the material properties by using the ca 70 aluminate cement to be the binder than using the ca 50 aluminate cement and there will be significant improvement of the middle temperature strength when the active powder is added in the materials 3 the cement hydration is concentrate in the first 3 days the moist curing is used in the first 7 days in order to make the cement hydration completed so it can improvement the properties of materials after 7 days the curing temperature will help to improve the mechanical strength of the sample so the standard curing is selected in the 7th to the 28th day the compressive strength of the sample has been increased from the beginning to the 28th day key words wear resistant ceramic coating physical properties addition amount fused mullite 西安建筑科技大学硕士学位论文 i 目 录 1 综述综述 1 1 1 耐磨材料概述 1 1 2 主要耐磨材料简介 1 1 2 1 耐磨钢结合金 1 1 2 2 高分子耐磨材料 2 1 2 3 水泥 陶瓷基复合材料 2 1 2 4 无机耐磨材料 3 1 3 耐磨陶瓷涂料 3 1 3 1 耐磨陶瓷涂料简介 3 1 3 2 影响耐磨陶瓷涂料性能的因素 7 1 4 国内外对耐磨陶瓷涂料的研究现状 9 1 5 课题的提出 11 2 实验方案实验方案 13 2 1 实验用主要仪器及原料 13 2 1 1 实验用主要仪器 13 2 1 2 实验用主要原料 13 2 2 实验过程 19 2 2 1 配料 19 2 2 2 混料 19 2 2 3 成型 20 2 2 4 养护 20 2 2 5 干燥和热处理 21 2 3 性能测试 22 2 3 1 线收缩率和体积密度测定 22 2 3 2 抗折强度的测定 23 2 3 2 抗压强度的测定 23 2 3 3 x 射线衍射分析和sem分析 23 3 实验研究实验研究 24 3 1 骨料对耐磨陶瓷涂料性能的影响 24 西安建筑科技大学硕士学位论文 ii 3 1 1 实验方案 24 3 1 2 结果与讨论 25 3 1 3 小结 28 3 2 水泥结合剂对耐磨陶瓷涂料性能的影响 28 3 2 1 实验方案 28 3 2 2 结果与讨论 29 3 2 3 小结 34 3 3 耐磨陶瓷涂料养护条件的研究 35 3 3 1 实验方案 35 3 3 2 结果与讨论 36 3 3 3 小结 38 4 结论结论 39 以后需要做的工作以后需要做的工作 40 致致 谢谢 41 参考文献参考文献 42 附录附录 研究生期间发表论文研究生期间发表论文 45 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 1 综述 1 1 耐磨材料概述 磨损是工业中材料和能源消耗主要的根源之一 其中由以磨料的磨损最为严 重 其约占磨损类型的 50 在我国 磨损造成的经济损失在 1000 亿元 年以上 因此 研究耐磨材料 提高其耐磨机能 减少磨损 从而延长机械设备和零件的 安全寿命 在经济上对社会具有重大的意义 耐磨材料在建材 火力发电和冶金 矿山等工业领域的能量和经济成本的消耗中占有相当大的比重 在矿物 水泥和 煤粉等原材料的生产过程中都会因机器设备和零件的磨损而必须更换 因此 系 统研究和不断开发新的耐磨材料对工业的发展具有十分重大的意义 人们对耐磨 材料的研究已经有一百多年的历史 耐磨材料主要分为三大类 金属和合金 陶 瓷和陶瓷复合材料 塑料类 主要是合成橡胶和聚氨基甲酸酯的复合材料 这三类 材料也可以复合使用形成复合耐磨材料 如钢 橡胶 陶瓷 金属和橡胶 陶瓷复合 材料 我国目前通用的耐磨材料主要分六大系列 高锰钢系列 抗磨铬铸铁系列 耐磨合金钢系列 奥贝球铁系列 各类复合或梯度材料及硬质合金材料系列和各 类非金属耐磨材料系列 传统的耐磨材料主要为金属材料 国内每年消耗金属耐 磨材料约达 300 万吨以上 1 从高锰钢 合金钢 镍硬铸铁 各种白口铸铁及高铬 铸铁等不同类型的耐磨材料 都经历了研究 发展以及生产工艺不断完善和发展 的基本过程 国外这些研究和应用大多是在 20 世纪 60 年代以前完成的 2 金属 耐磨材料的优势在于兼备强度 韧性和耐磨性于一身 早期赫鲁绍夫 理查森的 工作证明 对于纯金属的耐磨材料 随着硬度的增加 材料的耐磨性随之增加并 且呈现出线性关系 在水平和低角度磨损时 陶瓷具有优异的耐磨性 尤其在高 温工况下 陶瓷耐磨材料与金属耐磨材料相比具有明显的优势 而橡胶材料不管 是在垂直 大角度的冲击工况或是湿料磨损时的表现都尤其出色 1 2 主要耐磨材料简介 1 2 1 耐磨钢结合金耐磨钢结合金 在主体材料中 钢结合金材料由于具有广泛的工艺特性和良好的综合物理机 械性能以及优异的化学稳定性 从而成为工业生产各个领域中应用最为广泛的耐 磨材料 钢结合金以钢为粘结金属 以难熔金属化合物作硬质相的主体材料 组 织特点是微细硬质晶粒均匀的分散于钢基体中 钢结合金的主要用途是用来制作 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 道具和金属加工的工具 且经常被用于制作耐磨结构的零件 这是由于钢结合金 兼有硬质化合物的硬度和耐磨性以及钢的强度和韧性 3 4 目前 钢结合金的种类在不断矿大 按成分来说应用最为广泛的有碳素钢 合金钢 工具钢 高锰钢 按类型有耐热钢 不锈钢 钢基体基本组元的三要素 是铁 碳及合金元素 三者之间的相互作用决定着钢结合金的组织及性能 碳在 不同类型的钢结合金中所起的作用不同 在可淬火硬化性的钢结合金中 碳元素 是三者之间最重要的元素 碳的加入直接影响了合金的淬硬性 并且对材料马氏 体的转变所起的作用也是重大的 传统型的钢结合金的添加剂一般是镍 铬 钼 等 但现在的钢结合金中也逐渐加入一些新型的添加剂 如硅 锰 稀土等元素 这些新型添加剂的加入可以改善材料的物理力学性能和烧结工艺性能 从而得到 性能更加优良的钢结合金 例如 在钢结合金中加入少量的稀有元素可以减少钢 结合金中的脆性硬质点 并使孔隙度降低 从而明显的提高了横向断裂强度 扩 大了烧结温度区间 5 1 2 2 高分子耐磨材料高分子耐磨材料 高分子耐磨材料的主要特点有耐磨 抗冲击 耐腐蚀 耐疲劳及绝缘性能好 因此目前被广泛的应用于机械工业的各个领域中 为机械设备从传统的不安全 从高耗能向安全 轻便 耐用和较为经济的形式转变做出了重要贡献 高分子耐 磨材料对钢的摩擦系数低 磨耗量小 在某些领域能够替代钢铁材料 现在研究 的高分子耐磨材料中有一种新型的超高分子量聚乙烯材料 不仅具有表面光滑 摩擦系数小的特点 且不吸附物料和水分 不足之处是不易粘结 但可采用连接 的方法安装 可考虑将其作为带式输送机卸料装置的受料漏斗 导料槽 装料漏 斗衬板等要求耐磨的部位的替代材料应用于带式输送机中 6 1 2 3 水泥 陶瓷基复合材料水泥 陶瓷基复合材料 水泥基复合材料主要分两类 颗粒型复合材料 如混凝土 和纤维增强型复 合材料 如纤维混凝土 但传统的材料由于使用性能的限制以及不够环保等问题 正初步被新型的材料所替代 现在由于混凝土基体的组成不断优化 普通水泥基 已逐渐开始向环保水泥基聚合物 聚合物水泥基发展 传统的纤维增强水泥基复 合材料已经摆脱单一的添加方式 并且出现了钢纤维 无机纤维以及天然纤维等 的新型复合材料 这些新型纤维的加入使得基体的性能得到优化 水泥基复合材 料的品种增多 从而促进了材料的发展 如钢纤维增强水泥基复合材料是水泥基 西安建筑科技大学硕士学位论文 3 复合材料中研究最多 应用最广的一种 由于优良的使用性能而被广泛用于各种 重大和重要的工程中 陶瓷基复合材料包括颗粒 晶须 短纤维或连续纤维增强复合材料 其应用 范围广泛 在宇航 国防 能源 汽车工业 环保 生物 化学工业等领域中都 起着关键性作用 目前 陶瓷基复合材料的开发利用一直是发达国家投入巨资的 一项重要课题 美国和西欧重于航空和军事应用 日本则致力于将其应用于工业 上 2003年 美国国防部授权发表的 面向21世纪国防需求的材料研究 报告中 指出 到2020年 陶瓷基复合材料的性能最有潜力获得20 25 的大幅提升 被 列为优先发展的材料 7 1 2 4 无机耐磨材料无机耐磨材料 无机耐磨材料即通常意义上的非金属耐磨材料 耐磨陶瓷涂料是这种材料的 代表 有些文献也称其为无机高温耐磨粘结剂 此种材料主要应用在水泥生产线 上 如 立磨选粉机出口 各种阀门内腔 闸板及输送管道等 8 耐磨陶瓷涂料即 在耐磨部件表面加涂的一层陶瓷涂料 耐磨陶瓷涂料正被越来越广泛的应用于工 业耐磨环节中 由于耐磨陶瓷涂料尚处在开发使用的初步阶段 因此有很大的研 究改进空间 现在研制的耐磨陶瓷涂料主要应用于金属表面 可使金属耐磨部件 既具有金属材料的强度和韧性 又有陶瓷材料的耐高温抗腐蚀的优点 耐磨陶瓷 涂料一经研制即得到广泛应用 充分证明了其具有广阔的发展前景 今后耐磨陶 瓷涂料将不止应用于金属表面 而将用在各种行业中不同材料的磨损部件上 也 极有可能研制出可直接作为耐磨部件的耐磨陶瓷材料 即具有低廉的投资成本又 具有较高的经济及使用价值 这也是本文献作者选择耐磨陶瓷涂料作为研究对象 的原因及期望 1 3 耐磨陶瓷涂料 1 3 1 耐磨陶瓷涂料简介耐磨陶瓷涂料简介 耐磨陶瓷涂料是我国技术人员针对水泥生产线上长期受到物料或高浓度含尘 气体冲刷的设备及管道而创新研发出的一种新型耐磨材料 在一些进口立磨的选 粉机出口和磨机出口有指明使用的耐磨材料 但都需要进口 这就提高了水泥的 生产成本及生产效率 现在国内自主研发的耐磨陶瓷涂料完全可以替代这种进口 耐磨材料 耐磨陶瓷涂料在不同的文献中有不同的别名 一种普遍的叫法为耐磨陶瓷砂 西安建筑科技大学硕士学位论文 4 浆 耐磨陶瓷涂料是一种非金属胶凝材料 是一种采用耐酸和耐碱的人工合成原 料经过严格的工艺配比和先进的无机聚合技术制成的粉状陶瓷材料 这是通常文 献对其下的普遍定义 耐磨陶瓷涂料的施工方法是 在施工的现场将特制液体无 机胶水加入这种材料 采用人工或机械方式涂抹在设备内衬或表面 经过一系列 的化学反应 在常温下3天后达到陶瓷的结合强度和硬度 故名耐磨陶瓷涂料 9 由于这种材料的施工在现场进行 所以一般材料是将各种组分混合好后运输到施 工处 在进行胶凝剂的添加及涂抹环节 耐磨陶瓷涂料的特点 1 具有极高的机械强度和刚度 8 10 陶瓷耐磨涂料没有大的宏观缺陷 这是由于耐磨陶瓷涂料的组成决定的 耐 磨陶瓷涂料主要由耐磨骨料 辅料 结合剂及符合添加剂组成 由于颗粒级配合 理 因此耐磨陶瓷涂料的密度较大 颗粒堆积较紧密 耐磨陶瓷涂料具有较高的 抗压强度 一般产品的抗压强度可达130mpa以上 特殊产品可达280mpa 这是一 般混凝土和耐火浇注料所无法企及的 耐磨陶瓷涂料主要是采用了离子化合物和 部分人工合成共价键化合物 其离子键结合牢固 强度和刚度很大 这是因为共 价键为强结合键 其空间有很强的方向性 构成空间网络结构 形成强结合 另 外 可以有效抵御住物料的剪切应力及冲击力 由于结合系统采取复合强化措施 和特殊处理使其形成化学结合 致使其强度更高 2 优良的韧性和抗热震性 耐磨陶瓷涂料的主要用途之一是在选粉机 管道及立磨中作内衬材料 而内 衬材料最主要的特征是具有良好的抗冲击韧性 这是由于内衬材料经常受到粉料 对其产生的垂直方向的压应力和平行方向的剪切应力 因此只有具有良好的抗冲 击韧性才能够长时间经受应力作用 提高耐磨陶瓷涂料的方法一般是采用无定向 钢纤维和定向网状增强措施 通过耦合进一步改善韧性 所以断裂韧性强 可有 效防止冲击力造成的破损和剥落 另外 抗热震性也是耐磨陶瓷涂料的特性之一 前面说过由于离子键和共价键为强结合键 键能高 低温对其影响很小 而且震 动频率极高 常温难以对其构成威胁 不会产生热震损毁 10 3 整体性好 耐磨陶瓷涂料的整体性好主要原因是 第一 具有低膨胀系数 这使得其突 击稳定 不容易产生裂缝 第二 耐磨陶瓷涂料采取了双重补强措施 有的甚至 采取了多种补强措施 有效的改善了材料的性能 第三 整体施工 使得整体性 西安建筑科技大学硕士学位论文 5 进一步提高 不易脱落 4 环境相容性好 立磨及输送管道长期与矿渣接触 并且主要为碱性化合物 因此需要内衬具 有较好的耐碱性 不能与矿渣发生化学反应 如果发生化学反应生成变质层 就 会降低内衬材料的性能 使得耐磨性下降 同时 变质层和原始内衬膨胀系数有 差别 在温度变化时产生热应力 造成结构剥落 会加剧内衬材料的磨损 因此 良好的环境相容性或化学稳定性是内衬材料所必须具有的特点 耐磨陶瓷涂料由 于采用了耐碱耐酸的人工合成原料 因此不但不会和矿渣发生反应 而且由于其 多为高温合成原料 晶体发育较好 结构完整 环境温度不会对其造成大的影响 对环境的敏感性差 属于环境惰性材料 5 环保性好 耐磨陶瓷涂料是一种环保型产品 耐磨陶瓷涂料为无机非金属材料 其主要 成分是硅酸盐 和地球岩石圈成分接近 不影响生态环境 更不会造成土质污染 和重金属离子污染 因此 是一种经济效益与环保性能兼备的优良耐磨产品 适 于广泛使用 表1 1 耐磨陶瓷涂料和其他耐磨材料在不同温度下的冲蚀体积 cm3 min table 1 1 erosion volume in different temperatures of wear resistant ceramic coating and other wear resistant materials 项目 温度 耐磨陶瓷 涂料 16mn 65mn 耐火浇 注料 耐磨陶瓷片 20 0 13 1 21 1 08 5 9 0 07 110 0 13 1 32 1 19 3 3 0 15 200 0 13 1 57 1 46 2 9 脱落 300 0 14 3 6 3 2 4 7 脱落 500 0 14 3 6 3 2 4 7 脱落 1000 0 27 7 9 脱落 1500 0 25 1 9 脱落 由表1可知 常温耐磨陶瓷涂料的耐磨性能最好 分别是16mn钢的9倍 65mn 钢的8倍 耐火浇注料的45倍 在耐磨性上可以与之一比的是耐磨陶瓷贴片 但耐 磨陶瓷贴片由于工艺的缺陷受冲刷易脱落 其工艺缺陷是 9 首先在制作过程中需 要对使用表面除锈 打毛 丙酮清洗 调配环氧树脂胶 再进行粘贴 其次在运 输和安装过程中陶瓷片在碰撞时容易脱落 给安装增加工作量 而且由于陶瓷片 在使用中存在较多缝隙 用来粘贴陶瓷片的环氧树脂易老化 不耐温 在正常使 西安建筑科技大学硕士学位论文 6 用一年左右 陶瓷片就开始脱落 陶瓷片的粘贴工艺要求高 粘贴难度大 耗费 工时多 日本最初设计o sepa选粉机时在弯管上部贴耐磨陶瓷贴片 在应用中却 发现弯管下半部分被磨穿 因为 选粉机的形状不规则 陶瓷片的形状与选粉机 的形状不一致 并且比较零散 要求粘贴严密 完整 所以难度大 费时费力 在比较了多种耐磨材料的使用性能之后得出 耐磨陶瓷涂料具有较好的耐磨性能 尤其在水泥 火电行业的施工条件下 耐磨陶瓷涂料无疑是覆盖在耐磨抗冲刷部 件的最好选择 耐磨陶瓷涂料的应用 1 在航空航天工业中的应用 在航空航天工业中陶瓷涂层的应用很广 黑色硼化硅和白色硼硅酸盐涂在航 天飞机的表面具有防冰增强的作用 并且可以尽快将表面的热量辐射出去 这一 特性使得航天飞机在经过大气层时 可以抵抗住由于空气摩擦作用所产生在机身 表面的1000 以上的高温冲击 这样舱内就可以保持正常的温度 而不会出现飞行 事故 碳化钨涂层主要喷涂在镀过金属后的航空发动机的涡轮叶片和风扇叶片之 间的封凸肩上 经过这样处理的部件的使用寿命将是原来的15 30倍 除此以外 波音飞机发动机许多部件如燃烧室内壁压气机衬套 齿轮箱传送装置等都大量使 用碳化铬和碳化钨等耐磨涂层 以提高设备的使用寿命 这对航空航天工业具有 巨大的经济效益 2 在电子电力工业中的应用 在电力电子行业 高介电常数的陶瓷涂层得到广泛的应用 主要应用在固定 电容器 可变电容器 混合集成电路的片电容器和电容器网络的基片上 例如 将钛酸钡喷涂在0 1mm的铁皮上 涂层的厚度为30 m时 它的介电常数已超过 6000 用陶瓷涂层良好的绝缘性能也在电力行业中得到充分利用 等离子喷涂形 成的氧化铝涂层在厚度不到1mm时 能够在1300 高温下耐压2500v以上 从而能 满足高温下电绝缘的要求 3 在汽车工业中的应用 复合陶瓷涂层经过长时间的开发研制 也已经在汽车工业中做出了巨大贡献 欧洲和日本的汽车制造厂家研发出合金仁电解沉积ni sic复合镀层 这种镀层可以 使新一代发动机的重量减轻 并能大大提高设备的耐磨性能 润滑性能和耐高温 氧化的性能 从而降低内燃机的工作温度 节省燃料和简化结构 4 在切削刀具上的应用 西安建筑科技大学硕士学位论文 7 耐磨陶瓷涂层刀具是近年来较热门的一个发展方向 陶瓷涂层刀具的优良性 能有硬度高 耐热粘结性强 化学稳定性高 切削韧性好 切削性能优良等 具 有陶瓷涂层的刀具的寿命也比一般刀具高1 2倍 另外 多层涂层寿命比单涂层 刀具又高0 5 1倍 因此 耐磨陶瓷涂层刀具的应用已相当广泛 加入不同组分所 生产出的耐磨陶瓷涂层的性能也不同 生产者利用这一特点研制生产出复合各行 各业需要的不同性能的耐磨陶瓷涂层刀具 由此可见 耐磨陶瓷涂层刀具具有极 其长远的发展前景 5 在生物医学中的应用 耐磨陶瓷涂层的发展为传统的生物医学注入了新鲜血液 如传统的人体植入 体和骨骼的相容性较差 会在不同程度上增加患者的病痛 现在研制的新型生物 陶瓷涂层可涂覆在不锈钢 钻基合金 钛和钛合金等医用金属材料上 改善金属 与人体的生物相容性 使植入体与骨骼结合更加牢固 不仅减轻了患者的痛苦更具 有很好的应用前景 10 11 未来的材料研发工作者将会研制出能够直接替代金属植 入体的耐磨陶瓷 相比于金属具有更好的强度和稳定性 成分也与生物体更加接 近 在生物医学的应用具有更好的发展前景 6 在机械和冶金工业中的应用 本文研究的耐磨陶瓷涂料就主要应用在冶金工业和机械工业中 这些行业中 的金属冶炼 热加工和热处理都必需在高温下进行 为了防止金属的高温氧化 渗氮和渗氧 往往在金属表面施涂热处理保护涂层 这种涂料通常是由有机或无 机粘接剂与硅酸盐 硼酸盐等组成工件涂上这种涂料后 能在热处理过程中形成高 粘度 低膨胀系数的玻璃相致密保护层以阻止气体的扩散 工件冷却后涂层亦会 自动剥落 热处理保护涂层能节约金属原材料 减少零部件的机械加工量提高金属 表面质量 耐磨陶瓷涂料将广泛应用在耐高温耐磨损环节 耐磨陶瓷在工业中的 应用是最普遍的 不仅能提高耐磨零部件的使用性能 更能增加其使用寿命 具 有十分宝贵的经济效益 1 3 2 影响耐磨陶瓷涂料性能的因素影响耐磨陶瓷涂料性能的因素 影响耐磨陶瓷涂料性能的因素是多方面的 耐磨陶瓷涂料主要由骨料和辅料 组成 辅料中又由结合剂 减水剂 活性微粉等 不同物料的粒度级不同 物料 的添加量不同 以至最后施工条件及施工方式 都有可能引起耐磨陶瓷涂料性能 的改变 鉴于已有研究表明 在晶体结构稳定的情况下 控制材料强度的主要参数有 西安建筑科技大学硕士学位论文 8 三个 弹性模量e 断裂表面能r和裂纹尺寸c 其中弹性模量e是非结构敏感的参 数 只跟材料的性能相关 断裂表面能与微观结构有关 主要与材料的晶界能 结合性和缺陷有关 裂纹尺寸是一个控制强度的主要参数 因此要提高材料的强 度和韧性 应主要从消除缺陷和改善界面 阻止裂纹扩展开始 8 1 骨料的选择 骨料的选择是原子间结合强度的一个重要保证 共价键与离子键的结合的晶 体 由于结合力较强 通常具有较高的弹性模量 因此 要想获得高强度的耐磨 材料 应该选择离子和供价化合物 如碳化物 氧化物和刚玉 碳化硅 都常被 用作骨料 2 结合剂的选择 耐磨陶瓷涂料最为一种不定型耐火材料 所使用的结合剂一般是铝酸盐水泥 水泥在其中主要作用是使分散体系凝聚 因此要求铝酸盐水泥在施工中一方面要 提供足够的ca2 和al3 另一方面 在拌合与运输施工期内 又要具有足够的流动 性 因此加入高效水泥 减少加水量是提高耐磨陶瓷涂料性能的一个重要影响因 素 过量的水会降低耐磨陶瓷涂料的机械强度 因此加入适量的减水剂也是减少 水量加入的一个方法 3 微细颗粒的加入 在耐磨陶瓷涂料中微细颗粒的加入是必不可少的 当加入高强颗粒时 材料 抵抗应力诱发的裂纹扩张会得到明显的抑制 裂纹在盈利的作用下发生扩展遇到 颗粒时 由于颗粒极高的强度和较小的膨胀系数 裂纹需要有更大的能量穿透颗 粒或发生裂纹偏转 增加界面面积 从而增加能量的消耗 提高材料的强度和韧 性 因此 当加入微细高强颗粒后 材料的弹性模量和剪切模量都有所增加 材 料的强度和耐磨性得到显著的提高 可以增加耐磨陶瓷涂料的使用寿命 降低生 产成本 4 养护剂的使用 养护剂的使用是一种新型的养护方法 养护剂即在耐磨陶瓷涂料施工后的养 护期中 为了提高材料的强度和租金结合剂的水化进程而使用 的一种化学涂料 养护剂的作用原理是采用离子交换的方式 使表面的摩尔体积比内部的大 这样 表面的体积膨大就受到内部材料的限制 产生两相牵制的状态 从而提高了材料 的屈服强度和断裂韧性 化学强化是现代材料发展的一个重要方向 通常是用一种大的离子置换小的 西安建筑科技大学硕士学位论文 9 离子 由于这种置换受扩散和带电离子的影响 压力层厚度受到限制而产生作用 具有很强的可操作性 并且非常有效 5 施工的方法 12 在水泥行业 根据磨损介质和冲刷速度的不同 一般在风管 弯头和旋风分 离器处的施工厚度为20mm 局部磨损严重的部位 如选粉机下料锥斗 下料溜槽 等处 可以增加施工厚度至30mm或40mm 在施工厚度为20mm的情况下 过除油 脂 除漆等底层后 直接在设备母板上焊接钢网 通常采用花网式焊接 焊点之 间的间距为200 300mm 然后将现场搅拌均匀的耐磨陶瓷干粉 水 钢纤维的混 合物涂抹上即可 由于陶瓷涂料的常温固化速度非常之快 因此 每次搅拌好后 应尽快施工完 这个施工时间期限根据现场温度的不同 一般为30 60min 残留 的混合物在开始凝固后就不能继续使用了 在施工厚度超过20mm 的情况下 则 需要先在设备母板上焊接隔离钢筋 施工厚度为30mm时 采用6mm 的钢筋 施 工厚度为40mm 时 采用8 10mm的钢筋 然后再在钢筋上焊接钢网 搅拌 涂 抹程序与施工厚度20mm 时一样 如果是高温情况下的应用 例如三次风阀门 则先在阀体上安装耐火浇注料 其厚度根据母板使用的材质和许可的热耗来确定 然后再在耐火浇注料表面焊接钢网 涂抹耐磨陶瓷涂料 定向纤维的使用 增强 了耐磨陶瓷涂层的韧性 使其具有一定的抗形变能力 因此无论是在现场安装好 的设备上施工 还是在车间里施工完毕后再吊装 都不会影响它的强度和使用寿 命 耐磨陶瓷涂料常温下 20 养护三天就可以达到所需要的强度和硬度 就 可投入使用 现在普遍使用的耐磨陶瓷涂料的施工方法是金属网增强和纤维增强 这是为 了提高材料的结构强度 从而提高材料的耐磨性 这两种方法都可以达到提高耐 磨陶瓷涂料使用寿命 增强材料抵抗矿渣的冲击的作用 相比之下 纤维增强效 果明显 操作更简单 并且成本低廉 现在通常将两种方法结合起来使用 进一 步提高材料的韧性 随着钢纤维的增强 材料的韧性会显著增加 这是由于引入 塑性机制 改善了耐磨材料的变形基质 因此有效的提高了材料抵抗应力疲劳造 成的剥落和掉块 影响耐磨陶瓷涂料的因素还有很多 这里只举出几种文献中提到的例子 在 本论文中的后面 作者还会做更详细的介绍及研究 并提出自己的见解 1 4 国内外对耐磨陶瓷涂料的研究现状 我国的耐磨材料研究和生产仅仅经过了15年 耐磨材料的研制一直都伴随着 西安建筑科技大学硕士学位论文 10 实际应用 各个生产耐磨材料的公司会不断推出新的性能更加优良的产品以吸引 客户 耐磨陶瓷涂料就是商业环境中应运而生 自耐磨陶瓷涂料被正式研制并应 用于生产以来 材料研究工作者和企业就一直合作研制生产出性能更加优良 成 本更加低廉 使用施工更加简便的新型产品 通过研究配方对耐磨陶瓷涂料性能的影响 从而改进配方生产出性能更加优 良的产品是研究工作者的常用办法 国内某大学研究所通过采用配方均匀设计方 法 对耐磨陶瓷涂料的配方进行了定量研究 这种方法的优点是试验次数少 试验 点在试验范围内分布均匀 能保证试验设计迅速得到正确的结论和结果 该方法为 开发新的涂料提供了一种可靠的定量试验方法 结果表明采用配方均匀设计法 针 对无机耐高温陶瓷涂料的工况条件 对涂料的配方进行了试验设计 经试验验证按 优化设计配方生产的无机耐高温涂料 其成膜性能和悬浮性能等得到有效善 13 对于高温环境下使用的耐磨陶瓷涂料 罗立新 14 等人研制出的无机涂料能有 效的防止金属高温腐蚀和磨损 该粘涂剂利用粘涂和超微粉技术配制而成 耐磨 性为20g钢的10倍以上 能耐室温至950 高温的热冲击 具有较强的防氧化能力 能有效防止金属磨损与腐蚀 张微 15 等人为提高金属基陶瓷涂层的抗热冲击性能 以无机胶粘剂磷酸二氢 铝 耐磨陶瓷骨料氧化铝 碳化硅和氧化镁混合后涂覆于金属表面制得陶瓷涂层 通过交替加热及冷却试验测试该陶瓷涂层的抗热冲击性能 并与其他人的研究数据 进行比较 所得涂层抗热冲击次数超过10次 超过了其他人的实验数据 这是由于涂 层与基体在界面处相互扩散形成过渡层 另外 宏观上的机械联锁有利于提高涂层 与基体在界面处的结合 从而提高了其抗热冲击性能 朱云贵 刘少光等 16 用有机结合剂和陶瓷骨料在金属基体上制备的陶瓷涂层 已用在电厂 水泥厂等颗粒输送管道部位 该涂层材料的冲蚀率仅为16mn 钢的1 313 另外 潘国顺等 17 研制的耐磨环氧胶粘涂层具有较好的耐浆体冲蚀磨蚀性能 以45号钢为参考试样 其相对耐磨率达到8 2 马向东 18 等人用环氧树脂作为胶粘剂 加入氧化铝等耐磨陶瓷骨料制备的胶粘涂层 其耐浆体冲蚀性能明显优于一般金属 材料 曾爱香 19 用sol gel法制备的金属基陶瓷涂层 经受20 至900 的冷热冲击 而不产生裂纹或脱落的循环次数最多达到7次 黄志等人 20 用改性的有机硅树脂 陶瓷颗粒为原料制备了耐温耐磨有机硅复合涂料 刘素英等人 21 用酚醛环氧树脂 制备了常温固化的防腐耐磨涂料 付晏彬 22 等人研制的无机硅酸盐涂料 耐温高达 1100 周武艺 23 等人研制了一种用陶瓷骨料与自制无机胶粘剂为原料 具有高 西安建筑科技大学硕士学位论文 11 温耐磨性能的陶瓷涂层配方 探讨了影响涂层耐磨性能的因素 发现当磷酸铝胶 粘剂中al2o3与p2o5之比为1 3 3 1 4 3 涂层中的骨料与胶粘剂的配比为1 7 1 且 骨料中粗颗粒含量为40 50 时 所配制的涂层耐磨性能最好 还有一种专门用来防腐蚀的重防腐耐磨陶瓷涂料由成膜物质 固化剂 颜填 料和助剂组成 主要用在油田油气的集输过程中 将其涂在输油输气的管道内衬 可防止腐蚀 贾梦秋 24 等人选用环氧树脂作为重防腐耐磨陶瓷涂料的成膜物质 环氧树脂能同各种树脂 填料和助剂良好地溶解 配制成一系列的常用重防腐涂料 使用无毒的胺改性固化剂 25 在涂层中有良好的分散性 所固化的涂层具有良好的 韧性和密实性 最后选定陶瓷粉作为耐磨涂料的填料 26 研究得出的重防腐陶瓷 涂料漆膜致密 抗渗性好 具有严酷条件下优异的防护性能 在油田污水 以及酸 碱 盐等腐蚀介质中能长期使用 国外许多研究机构和公司在胶粘涂层方面做了大量研究和应用 如美国的 belzona molecalar 公司 其研制的胶粘涂层由超金属和石英材料 弹性体材等材料 制成 可用于修补金属 混凝土和陶瓷等 也可用于航天飞机 南极站的超高温和极 冷环境下 美国的chesterton和英国的elwood 公司生产的胶粘涂层已广泛用于设 备的抗磨耗 抗腐蚀和化学侵蚀等 利斯公司推出的valor400耐磨陶瓷涂料 是一种低温耐磨陶瓷涂料 其最高使 用温度为400 主要原料采用最大颗粒4 m的人工合成金刚石和粒度小于0 1 m 超细结合粉 目前 这种材料已在国内数台莱歇矿渣立磨的选粉机出口 磨机出口 风管采用 某国外知名公司采用高标号水泥并加入硅微粉 提高了产品的耐磨性 并且 借鉴了高强混凝土的设计理念 加入了超级塑化剂 极大的改善了耐磨陶瓷涂料 的流变学特性 加水量仅为5 大大提高了材料的机械性能 更有国外研究学者 将纳米级化合物加入耐磨陶瓷涂料原料中 以在微观结构上使材料结构更加坚固 从得到性能更好的耐磨陶瓷涂料 27 虽然国内外的材料研究工作者已经对耐磨陶瓷涂料进行了大量的研究 但总 的来说耐磨陶瓷涂料的研制及使用还可以有更多的发展和研究空间 因此 在材 料决定竞争力的今天 耐磨陶瓷涂料将得到更快的发展 1 5 课题的提出 耐磨陶瓷涂料的产生不仅使我国的耐磨材料的研发创新取得了新的成果 更 为水泥行业及各种耐磨部件提供了更有效的保护 耐磨陶瓷涂料施工后的使用寿 西安建筑科技大学硕士学位论文 12 命与粉尘颗粒的浓度 大小 速度和冲刷角有关 浓度越低 颗粒越小 冲刷速 度越低以及冲刷角度越小 耐磨陶瓷层的使用寿命就越长 耐磨陶瓷涂料在生产 中的使用量较大 因此研制出成本更低 机械性能更高的耐磨陶瓷涂料一直是研 究人员的目标 现今对耐磨陶瓷涂料的研究范围日益广泛 复合材料的加入使得其能在更多 行业中得到广泛应用 本论文讨论研究的耐磨陶瓷涂料主要应用在水泥 火力发 电 钢铁 石化等行业承受强冲刷 强腐蚀 重磨损的设备中 以期得到使用性 能更稳定 寿命更长的耐磨陶瓷涂料 本文拟开展如下问题的研究 1 骨料成分不同对不定型耐火材料的性能会产生一定的影响 因此想到若以 不同物料代替骨料对耐磨陶瓷涂料性能产生的影响 2 结合剂在耐磨陶瓷涂料的配方中具有重要的作用 国际上通用的耐磨陶瓷 涂料中的结合剂为铝酸盐水泥 本文研究了不同成分的铝酸盐水泥及其加入量对 耐磨陶瓷涂料的性能的影响 3 养护制度对不定型耐火材料的性能具有特殊影响 本文研究了不同的养护 制度对耐磨陶瓷涂料性能的影响 以期得到在施工过程中何种养护环境可提高耐 磨陶瓷涂料的机械性能 西安建筑科技大学硕士学位论文 13 2 实验方案 2 1 实验用主要仪器及原料 2 1 1 实验用主要仪器实验用主要仪器 实验过程中用到的主要仪器见表 2 1 表 2 1 实验用主要仪器设备 table 2 1 main equipments of experiment 实验仪器 仪器型号 备注 玛瑙研钵 水泥胶砂搅拌机 st195 振动台 gz 85 频率 50 3hz 振动力 5000 9000n 电热恒温干燥箱 dhg 9141 游标卡尺 最小刻度 0 02mm 精度 30 m 中温实验炉 zwl 13 12y 最高升温 1200 电动抗折机 kzy 500 2 精度 1 压力试验机 tye 300b 天平 pl2002 最大称量值 1000g 分度值 10mg x 射线衍射分析仪 d max 2400 扫描电子显微镜 jsm 840 2 1 2 实验用主要原料实验用主要原料 2 1 2 1 电熔刚玉 28 刚玉的晶型为 al2o3 属三方晶系 晶形为短柱状 真密度为3 85 4 01 g cm3 硬度为9 熔点2050 刚玉具有高的热导性和电绝缘性 优良的化学稳定性和抵 抗还原剂作用的能力 可作为高级耐火材料的原料 也是重要的人造磨料 刚玉 一般是用工业氧化铝或铝土矿经烧结或电熔后而制得的 当用工业氧化铝电熔时 得到的是白色刚玉 其 al2o3含量大于98 5 当用铝土矿作原料时 则获得普 通刚玉 其 al2o3含量为91 93 经处理后 al2o3含量可以大于97 当添 加铁屑时 可生产棕刚玉 当添加锆英石或氧化锆时 则得到锆刚玉 在不定型 耐火材料中 采用白刚玉和棕刚玉作耐火骨料和粉料 应用越来越多 并取得显 著效果 1 电熔棕刚玉 电熔棕刚玉是用高铝矾土熟料 炭素材料 铁屑三种原料经过配料混匀加入 电弧炉中 经过高温熔化极和杂质还原后冷却而结晶成的棕褐色熔块 29 电熔棕 西安建筑科技大学硕士学位论文 14 刚玉的熔制过程实质上是一个还原熔融过程 通过还原作用 除掉杂质成分中的 fe2o3 sio2和部分tio2等 电熔棕刚玉的纯度较高 其主要化学成分是al2o3 含 量为94 5 97 电熔棕刚玉硬度大 耐磨性好 强度高 同时又耐高温 耐腐蚀 2 电熔白刚玉 电熔白刚玉是以工业氧化铝粉为原料 在电弧炉中熔融后冷却结晶而成的白 色熔块 主要化学成分为al2o3 含量在99 以上 杂质含量很少 电熔白刚玉质地 致密 硬度高 晶粒的粒型成尖棱角状 2 1 2 2 电熔莫来石 莫来石在自然界很少 一般是用人工合成的 莫来石生产工艺有烧结法和电 熔法两种 本实验采用的是电熔法制备的电熔莫来石 电熔合成法是将配料混合 后装入电弧炉中熔融生产合成莫来石熟料的一种方法 原料为工业氧化铝 烧结 优质矾土 高纯硅石等 配料按al2o3 sio2 1 4 2 0合理选择 在混合机中均匀混 合 电熔是在熔块式三相电弧炉或倾动式三相电弧炉中进行 采用低电压高电流 电工制度熔制 熔融合成后 冷却而成电熔莫来石熔块 经破碎及净化处理后 制成不同粒度的电熔合成莫来石原料 供用户使用 莫来石制品的高温蠕变性居 于用天然矾土原料生产的高铝砖之上 它的高温性能尚可与硅质 镁质制品的某 性质相媲美 对酸性及低碱度熔渣的侵蚀抵抗能力则优于镁质制品 目前生产的 熔融莫来石有两类 高纯电熔莫来石熟料和天然电熔莫来石熟料 其主要性能指 标列于表2 2 30 表2 2 电熔合成莫来石性能指标 table 2 2 performance of fused mullite 化学成分 矿物组成 名称 al2o3sio2莫来石 玻璃相 颗粒密度 g cm3 气孔率 高纯型 72 79 19 27 95 5 3 0 4 天然型 66 79 20 28 75 10 2 9 6 2 1 2 3 碳化硅 碳化硅俗称金刚砂 一般系用硅石和焦炭混合后通电反应制成的 碳化硅的 纯度和性质在很大程度上是由碳的质量来决定的 纯的a sic结晶石无色透明的 但由于其中