熔融石英陶瓷的等静压成型及烧结工艺研究

摘要

随着国民经济的迅速发展，国内对冷轧板和热轧板的需求正快速增加。国产钢板往往由于表面质量较低，受到压级压价。炉底辊是热轧及冷轧工艺中热处理连续退火炉的传送设备，也是关键设备。炉底辊的表面质量直接影响到钢板的表面质量。开发国产的优质炉底辊不仅可以提高国产钢板的质量，生产炉底辊还具有显著的经济效益。炉底辊表面结瘤一直是困扰着钢板生产厂家，为改善炉底辊表面质量，提高使用效率，钢厂先后使用过金属棍、石墨碳套辊、各种涂层炉底辊，近年来国外钢厂开始使用石英陶瓷辊，使用效果良好，并得到推广。国内的石英陶瓷辊技术还不成熟。熔融石英陶瓷具有热膨胀系数小，高温蠕变小，导热系数低，接触热阻大，热稳定性和耐“老化”性能好，耐化学腐蚀等优良的特性；然而熔融石英一旦析晶，就会破坏其优良的热稳定性及其他性能。如何得到烧结致密而又未晶化的熔融石英陶瓷制品被引起广泛关注。
　　 本文通过XRD、SEM等分析手段，重点研究了采用冷等静压成型熔融石英陶瓷坯体，在常压空气气氛下，粉体粒径、等静压成型工艺、烧结工艺、添加剂等因素对熔融石英成型、烧结及其晶化的影响。研究表明：中径5 微米和48 微米的粉体级配对本课题的意义不大。随细颗粒粉体含量的增加，松装密度和振实密度都减小，等静压成型坯体的密度也减小。但由于细颗粒能显著促进烧结，随细颗粒含量的增加，烧结后样品的体积密度变化不大，而收缩率显著提高，烧结更致密。对于本课题而言，相对于粉体尺寸分布对成型工艺的影响，粉体尺寸大小对烧结的影响更大，是影响熔融石英陶瓷制品的主要因素。因此在合理的经济成本下宜选用较小颗粒尺寸的石英原料。提高等静压成型压力，有助于提高坯体的体积密度，增加坯体的强度；有助于促进烧结，提高烧结后熔融石英的致密度、体积密度、抗弯强度，降低气孔率。但提高等静压成型压力会增加弹性后效，本实验研究发现当压力在80～160MPa之间时弹性后效变化不明显；当压力在160～250MPa之间时，随压力增加回弹量显著增大。当等静压成型压力为160MPa时及能保证样品的致密度和体积密度，又能保证较小的弹性后效，制品具有最优的综合性能。在氧气气氛下，添加硼酸能促进烧结，但也显著促进晶化，当硼酸添加量为0.5wt%时，结晶度最小，但也达到3.76%，因此不可取。惰性气氛或者还原性气氛下，添加硼酸对熔融石英析晶的影响有待进一步研究。在氧气气氛下，添加硅溶胶能明显促进烧结，但也促进晶化。由于微晶结构具有比非晶结构更优越的使用性能，比如更高的机械强度，当硅溶胶添加量不超过6wt%，在1200 ℃保温4h的样品仅微量晶化，晶粒尺寸在纳米级内，而且已经烧结致密化，具有最优综合性能。