菱苦土磨具結(jié)合劑物相及顯微結(jié)構(gòu)研究_圖文

1、2010年02月 第1期第30卷 總第175期金剛石與磨料磨具工程D ia m ond&A brasives Eng i nee ri ngF eb.2010N o.1 V o.l30 Seria.l175文章編號:1006-852X(201001-0071-04菱苦土磨具結(jié)合劑物相及顯微結(jié)構(gòu)研究閆國進(jìn) 張 猛 栗政新(河南工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,鄭州450007摘要 運(yùn)用X射線衍射物相分析、電子探針X射線顯微分析和差熱分析對菱苦土結(jié)合劑的物相、顯微結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示,在未使用添加劑條件下,當(dāng)M g O/M gC l2摩爾比等于4.5 1和5 1時,主要物相為318

2、相和方鎂石,無518相;M gO/M gC l2摩爾比等于5.5 1和6 1時,518相和318相共存,M gO/M gC l2摩爾比等于6 1時,518相占主要成分;M gO/M gC l2摩爾比等于5 1時,添加少量膨潤土或磷酸有利于518相的生成。318相和518相均呈膠凝狀包裹在殘留氧化鎂顆粒上。318相與518相兩相共存結(jié)合劑的熱穩(wěn)定性與單純的318相結(jié)合劑的熱穩(wěn)定性基本相同。實(shí)驗(yàn)表明,物相變化對結(jié)合劑的強(qiáng)度沒有明顯影響,膨潤土的加入有利于結(jié)合劑強(qiáng)度的提高。關(guān)鍵詞 菱苦土磨具;518相;318相;顯微結(jié)構(gòu)中圖分類號 TG74 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A DO I編碼 10.3969/.j iss

3、n.1006-852X.2010.01.018 Study of t he phase and m icrostructure of bonds i n magnesia abrasivesYan G uoji n Zhang M eng L iZhengx i n(S chool of M aterial Science and E ng ineer,H enan Universit y of Technolo gy,Zhengzhou450007,ChinaAbst ract The goa l of the investigation is to experi m entall y de

4、 m onstrate the phases,m icrostructures and ther m a l stab ility of bond in m agnesi a abrasi v es by X ray d iffracti o n(XRD,e lectron probe X ray m icroana l y sis(EP MAand differential ther m al analysis(DTA.The resu lts show t h a:t w it h no add itives,the m a i n phases are phase318and peric

5、lase when the m olar ratio ofM gO/M gC l2is4.5 1or5 1,no phase518i s found.W hen the m olar ratio o fM g O/M gC l2is5.5 1or6 1,phase518and phase318coex is,t and phase518 represent the m a i n phases when the m o lar ratio ofM g O/M gC l2is6 1.W hen the mo lar ratio o fM g O/M gC l2i s5 1,a little be

6、ntonite or phosphoric acid can i m prove the for m ati o n o f phase518.Phase318and phase518cover the periclase i n a state of ge.l The ther m al stability of t h e pure phase318is the sa m e as the m i x ture of phase318and phase518.The bonds co m posed of d ifferent phases have al m ost the sa m e

7、 strength.The add itive of bentonite can i m prove the streng th of the bond.K eyw ords m agnesia abrasi v es;phase518;phase318;m icrostr ucture0 引言菱苦土磨具澆注成型,常溫固化,工藝簡單,成本低廉,磨削時發(fā)熱量少,不易燒傷工件,自銳性能好,磨削效率高,加工表面光潔度高,在石材行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用1。影響菱苦土磨具的因素比較復(fù)雜。胡光明2研究了菱苦土磨具裂紋機(jī)理的研究,指出采用正燒氧化鎂,控制M gO/M gC l2摩爾比在58之間,H2O/M gC

8、l2摩爾比在1218之間,使用添加劑可有效避免磨具裂紋的產(chǎn)生。李享德3等人研究了加工石材用菱苦土磨具的配比選擇及磨損機(jī)理,指出鹵水/M g O比值顯著地金剛石與磨料磨具工程總第175期影響著菱苦土磨具的硬度和磨削性能,磨料粒度不同,磨料、菱苦土和鹵水三者之間的最佳比例也不一樣。鄧德華4研究了磷酸根離子對氯氧鎂水泥水化物穩(wěn)定性的影響,發(fā)現(xiàn)磷酸可以提高氯氧鎂水泥水化物在水中的穩(wěn)定性,使得518相晶體在水中不發(fā)生水解反應(yīng)。本文主要研究菱苦土磨具結(jié)合劑的物相和顯微結(jié)構(gòu)特征,并對不同物相的結(jié)合劑強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性進(jìn)行分析比較。1 實(shí)驗(yàn)為研究M g O/M gC l2摩爾比及添加劑對生成物相的影響,實(shí)驗(yàn)做了六

9、種配方(表1。M gC l2溶液密度為1.28g/c m3。對菱苦土原料在適當(dāng)?shù)臏囟认蚂褵曰謴?fù)活性,并用水化法測定其活性5。對膨潤土進(jìn)行細(xì)磨處理,過200目篩,其加入量為總重的5%。加入膨潤土后,漿料變稠,需要強(qiáng)力攪拌。磷酸加入量為總重量的1%,加入磷酸之后,料漿溫度明顯迅速升高,漿料也會變稠,需要提高攪拌強(qiáng)度和延長攪拌時間。漿料攪拌后靜置一段時間再澆注成型,常溫和自然濕度下固化,沒有采取特殊養(yǎng)護(hù)措施。對固化28天后的樣品進(jìn)行X射線衍射(XRD物相分析,并用電子探針微區(qū)分析(EP MA對結(jié)合劑的顯微結(jié)構(gòu)和物相組份進(jìn)行分析,用差熱分析(DTA對結(jié)合劑的熱穩(wěn)定性進(jìn)行分析。表1 不同M gO/M

10、gC l2摩爾比結(jié)合劑的配方編號M gO/M gC l2摩爾比添加劑A4.5 1無B5 1無C5 1膨潤土D5 1磷酸E5.5 1無F6 1無2 結(jié)果與討論2.1 M g O/M gC l2摩爾比對物相的影響圖1為六種配方的XRD結(jié)果。六種配方的主要物相見表2。方鎂石是主要物相之一,因?yàn)橛写罅康牧饪嗤翛]有反應(yīng)。518相與318相的XRD圖譜很相似,其主要區(qū)別是:318相最強(qiáng)峰對應(yīng)的d值為0.814nm,而518相的最強(qiáng)峰對應(yīng)的d值為0.744n m。圖1 樣品的XRD結(jié)果通過對圖1各配方XRD圖樣的分析,我們得知:不加添加劑時,當(dāng)M g O/M gC l2的摩爾比小于或等于5 1時,主要物相為

11、318相和方鎂石;只有M gO/M gC l2的摩爾比大于5 1,才有518相的出現(xiàn),且隨著M gO/ M gC l2的摩爾比的逐漸增大,518相的比例逐漸增大。由此可見,在無外加劑的條件下,當(dāng)M gO/M gC l2摩爾比為5 1時,即按照518相的理論配比,并不能生成518相。只有適當(dāng)提高M(jìn) gO/M gC l2摩爾比才能得到518相。M gO/M gC l2摩爾比為5 1的結(jié)合劑,當(dāng)加入膨潤土或磷酸添加劑時,有518相生成,且加入磷酸的結(jié)合劑物相中,以518相為主。所有配方結(jié)合劑的物相中未見M g(OH2,方鎂石是未反應(yīng)的殘留菱苦土。表2 不同配方結(jié)合劑的主要物相編號主要物相A318相、

12、方鎂石B318相、方鎂石C318相和518相共存(318相為主、方鎂石D318相和518相共存(518相為主、方鎂石E318相和518相共存、方鎂石F318相和518相共存(518相為主、方鎂石常溫及通常情況下,不論原始配方中M gO/M gC l2的摩爾比是多少,開始生成的水化產(chǎn)物都是5M g(OH2 M gC l2 8H2O(簡稱518相,放置過程中,518相會逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)?M g(OH2 M gC l2 8H2O(簡稱318相。M gO活性越小,早期水化產(chǎn)物518晶體中的鎂氯比越小,偏離化學(xué)配比的程度越高,結(jié)構(gòu)越不穩(wěn)定,離子重排的趨勢越強(qiáng),從而使518相向318相的轉(zhuǎn)變越早發(fā)72第1期閆國

13、進(jìn)等:菱苦土磨具結(jié)合劑物相及顯微結(jié)構(gòu)研究生并很快結(jié)束。反之,M g O活性越大,形成晶體的鎂氯比越大,偏離化學(xué)配比程度越低,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越好,離子重排的趨勢越弱,從而使轉(zhuǎn)變越晚發(fā)生與結(jié)束,轉(zhuǎn)變速度緩慢6。本實(shí)驗(yàn)所用的菱苦土不是新生產(chǎn)的產(chǎn)品,而是經(jīng)過放置后重新煅燒的產(chǎn)品,其活性要差些。所以未使用添加劑的結(jié)合劑中,當(dāng)M g O/M gC l2的摩爾比等于6時,物相中還有318相存在,這部分318相應(yīng)該是由最初生成的518相轉(zhuǎn)變而來的。2.2 外加劑對物相的影響2.2.1 膨潤土的作用膨潤土是很好的懸浮劑,能提高漿體的穩(wěn)定性,有利于反應(yīng)的充分進(jìn)行,提高磨具組織的均勻性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),無外加劑的M gO/M

14、 gC l2摩爾比為5 1的配方,主要產(chǎn)物是318相,無518相。加入少量膨潤土后,除了318相外,出現(xiàn)了少量518相,說明膨潤土能促進(jìn)518相的生成。發(fā)生518相向318相轉(zhuǎn)變必不可少的條件是:初始形成的518晶體周圍環(huán)境中充滿M g2+、C l-6。在膨潤土懸浮作用下,M gC l2水溶液和M g O顆粒能充分接觸反應(yīng),產(chǎn)物中M g2+、C l-等離子濃度大大降低,從而降低了相轉(zhuǎn)變的程度。膨潤土有良好的吸附性,可以吸附體系中的M g2+、C l-而使其濃度降低,也能降低相轉(zhuǎn)變的程度?？估瓘?qiáng)度的測定顯示,M g O/M gC l2摩爾比為5 1的配方的結(jié)合劑,未添加膨潤土?xí)r的抗拉強(qiáng)度為3 2

15、0 M Pa,加入少量膨潤土后制品的抗拉為6 48MPa。這可能是膨潤土的加入使得制品的顯微結(jié)構(gòu)更加均勻,反應(yīng)更加完全所致。2.2.2 磷酸的作用無外加劑時,M gO/M gC l2摩爾比為5 1的配方中,主要產(chǎn)物是318相,無518相。加入少量磷酸后,則以518相為主,有少量318相,說明磷酸能促進(jìn)518相的生成和穩(wěn)定。含有磷酸的氯氧鎂水泥的水化物在水中是穩(wěn)定的。磷酸的加入降低了水泥凈漿液相中多核水羥合鎂離子形成所需的最低M g2+濃度,使得堿式鹽水化物518相可以在M g2+濃度很低的水泥凈漿中通過多核水羥合鎂離子形成4,因而也就使得在含有磷酸的氯氧鎂水泥凈漿中所形成的堿式鹽水化物518相

16、能在水中穩(wěn)定存在。2.3 結(jié)合劑的顯微結(jié)構(gòu)如圖2為M g O/M gC l2摩爾比為5 1且無外加劑的結(jié)合劑顯微結(jié)構(gòu)。物相為318相,呈膠凝狀,能譜分析表明,318相的化學(xué)組成(表3與其理論組成(M g、C l、O的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別是24.55、18.16和57.29幾乎完全一致。圖2 結(jié)合劑中318相的顯微結(jié)構(gòu)表3 結(jié)合劑中318相的成分成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%原子分?jǐn)?shù)/%O56.7469.71M g24.7920.05C l18.4710.24圖3為典型的結(jié)合劑顯微結(jié)構(gòu)。圖3a中318相和518相均呈膠凝狀包裹在殘留氧化鎂顆粒上。圖3b 中顆粒狀物為殘留的菱苦土。圖3 318相與518相共存的結(jié)合劑

17、顯微結(jié)構(gòu)典型的318相的晶體呈棱柱形和紡綞形組成的束狀,結(jié)晶差且變形明顯,顯微結(jié)構(gòu)不均勻。而典型的518相是由結(jié)構(gòu)均勻的、呈相互交織的針狀晶體組成,呈典型的針狀自鎖結(jié)構(gòu),因而其強(qiáng)度高7。但在本實(shí)驗(yàn)條件下,318相和518相受生長條件限制,均長成凝膠狀,實(shí)驗(yàn)表明,以凝膠狀318相為主的結(jié)合劑和以凝膠狀518相為主的結(jié)合劑的抗拉強(qiáng)度沒有明顯差異。因此,在本實(shí)驗(yàn)條件下,可以認(rèn)為物相組成對制品的強(qiáng)度沒有明顯影響。一般情況下,在制備菱苦土磨具過程中,318相和518相也很難形成理想的形狀,多以凝73 金剛石與磨料磨具工程總第175期膠狀為主,此時,不管結(jié)合劑是以518相為主,還是以318相為主,對結(jié)合劑

18、強(qiáng)度的貢獻(xiàn)基本相同。2.4 結(jié)合劑熱穩(wěn)定性分析圖4是結(jié)合劑的差熱分析曲線。曲線a為M gO/ M g C l2摩爾比為5 1且無添加劑樣品的DTA曲線,曲線b為M g O/M gC l2摩爾比為5 1但加入少量磷酸的結(jié)合劑樣品的DTA曲線。在加熱過程中,兩種樣品均表現(xiàn)為吸熱反應(yīng),均有五個明顯的吸熱峰。由圖4可見,曲線b的第一個吸熱峰溫度(153 比曲線a的第一個吸熱峰溫度(137 略高,曲線b的最后一個吸熱峰溫度(467 比曲線a(462 也略高?？偟膩碚f,兩者的熱穩(wěn)定性基本一致。另外在517 時還有一個微弱的吸熱峰。540 以后,樣品變?yōu)檠趸V。在樣品的熱重曲線上,有兩個明顯的失重溫度區(qū)間,

19、一個在100230 之間,一個在320500 之間,總失重量近于樣品總重的50%。圖4 樣品的差熱分析圖菱苦土磨具優(yōu)良的磨削性能和其熱穩(wěn)定性有直接聯(lián)系。菱苦土磨具磨削時產(chǎn)生的熱量剛好用于結(jié)合劑中結(jié)晶水的脫失,所以不易燒傷工件。同時,因結(jié)合劑中結(jié)晶水的脫失而使結(jié)合劑破壞,故而自銳性能好。3 結(jié)論經(jīng)分析得出以下結(jié)論:(1在無添加劑的條件下,當(dāng)M g O/M gC l2摩爾比等于4.5 1和5 1時,結(jié)合劑中只有318相生成,沒有518相;M gO/M gC l2摩爾比為5.5 1和6 1時,結(jié)合劑中518相和318相共存,且當(dāng)M gO/M gC l2摩爾比等于6 1時,518相占主要成分。當(dāng)M gO/M gC l2摩爾比等于5 1時,加入少量膨潤土或磷酸有利于518相的生成和