废玻璃_废铝耐磨复合材料的性能.pdf

第6 2 卷第1 期 2010 年2 月 有色金属 N o n f e ／T O U f lM e l a l s V 0 1 ．6 2 ．N o ．1 F e b r u a r y ．2010 废玻璃／废铝耐磨复合材料的性能 张 雷1 ’2 ，孙可伟2 1 ．徐州工业职业技术学院环境工程系，江苏徐州2 2 1 1 4 0 ； 2 ．昆明理工大学固体废弃物资源化国家工程中心，昆明6 5 0 0 3 3 摘 要使用废玻璃和废铝为原料，采用机械搅拌法制备玻s l l ／铝基废弃物复合材料，研究复合材料的耐磨性能。随着玻璃 颗粒的加入，材料的抗拉强度和硬度较基体都有所提高，尤其耐磨性能，较摹体提高了4 ．6 2 倍，已达到皮带运输机托辊的性能要 求标准。 关键词复合材料；耐磨材料；机械合金化；废玻璃；废铝；资源化 中图分类号T G l 4 6 ．2 1 ；T B 3 3 3文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 1 0 0 1 0 0 4 0 0 4 用废玻璃和废铝料制备复合材料是高附加值利 用这两类废弃物的有效途径之一，也是在发展我国 循环经济、推进静脉产业中，具有独创性的一种思 路。现阶段对颗粒增强铝基复合材料的研究，大多 集中在S i C ／A 1 或A 1 O ，／A 1 体系中。5 。，而以玻璃颗 粒增强铝基复合材料的研究较少∞一7 ’。 以废玻璃和废铝料为原料，采用机械搅拌法成 功制备出废玻璃／废铝复合材料，性能测试表明，复 合材料的耐磨性能较基体提高了4 ．6 2 倍，其他机械 性能指标也满足作为耐磨产品的使用要求。 1 实验方法 1 ．1 原材料 废玻璃和废易拉罐购于昆明市废品收购站，废 玻璃经清洗、晒干、球磨、筛分，分别制成7 4 1 4 7 p , m 和1 4 7 ～3 7 0 斗m 的玻璃粉，化学组成和物化 性能如表1 和表2 所示。废旧铝料为在熔化炉中熔 化精炼，化学组成和物化性能如表3 和表4 所示。 表1 玻璃的化学组成 T a b l e1C h e m i c a lc o m p o n e n t so fg l a s sp a r t i c l e s 收稿日期2 0 0 8 1 0 2 2 基金项目国家自然科学基会资助项目 5 0 7 7 4 0 3 9 ；云南省省院省 校合作项目 9 9 Y Z 0 5 作者简介张雷 1 9 7 2 一 ，男，江苏徐州市人，博士，主要从事固 体废弃物资源化等方面的研究。 表4 铝的物性参数 T a b l e4 P h y s i c a lp e r f o r m a n c e so fa l u m i n u m 密度／ 熔点／膨胀系数／电阻率／抗拉强度／布氏硬度 竺羔 鉴 些竺 竺 竺垒 坚呈1 2 ．6 96 6 0 2 3 ．6X 1 0 ～ 2 ．6 5 8 0 1 0 02 4 ．3 2 万方数据 第1 期张雷等废玻璃／废铝耐磨复合材料的性能 4 l 1 ．2 试验过程 将玻璃颗粒，加入到铝液搅拌槽内，施加搅拌 力，搅拌轴位于搅拌槽的几何中心，选用4 5 。两叶斜 桨，桨叶为三层，搅拌器为无级调速并能上下调动。 经过充分搅拌混合后，玻璃颗粒均匀分散并悬浮在 铝液中，然后浇注，得到废玻璃／废铝耐磨材料。 抗拉强度测试在M T S 万能材料实验机上进行。 硬度测试在W E S - 2 0 数显式液压万能试验机上进 行。磨损试验在M - 2 0 0 型磨损试验机上进行，磨损 条件为干摩擦，对磨材料为A 3 钢，对磨时间为1 h ， 转速为2 0 0 r ／m i n ，负荷8 0 0 N 。 2 试验结果与讨论 2 ．1 玻璃颗粒粒度及含量对材料抗拉性能、硬度的 影响 复合材料的抗拉强度与玻璃粒径及含量的关系 如图1 所示，复合材料的硬度与玻璃粒度及含量的 关系如图2 所示。 ≤ 鑫 蚕 玻璃颗粒的质量百分含量／％ 图1材料的抗拉强度与玻璃粒径及含量的关系 F i g ．1 R e l a t i o nb e t w e e nr e s i s t a n c es t r e s sa n d g l a s sp a r t i c l e sc o n t e n ta n dg r a n u l a f i t y 里 警 图2 材料的硬度与玻璃粒度及含量的关系 ～ F i g ．2 R e l a t i o nb e t w e e nh a r d n e s sa n d g l a s sp a r t i c l ec o n t e n ta n dg r a n u l a r i t y 玻璃添加量为0 ～1 0 ％时，随加入量的增加，复 合材料的强度和硬度呈线性增加的趋势。玻璃在此 添加量范围时，粒度为7 4 1 4 7 斗m 的玻璃增强材料 效果高于粒度为1 4 7 3 7 0 1 - L m 的，即粒度越小的颗 粒增强效果越好，符合弥散增强理论。同时颗粒越 小，其自身含有的裂纹数量也越少，这也有利于提高 耐磨材料的强度和硬度。 j 当添加量在1 0 ％一1 5 ％时，随着玻璃含量的继 续增加，不同粒度玻璃增强的复合材料的强度值发 生了变化。粒度为1 4 7 3 7 0 斗m 的复合材料强度和 硬度增加缓慢或几乎不变，与玻璃含量的关系没有 表现出明显的规律性。粒度为7 4 1 4 7 斗m 的复合 材料强度和硬度却出现下降的趋势，但强度就随玻 璃含量的增加下降较快，粒度大的玻璃增强效果强 于粒度小的增强效果。这主要是由于，当颗粒添加 量超过1 0 ％时，粒度为7 4 1 4 7 斗m 颗粒的添加速度 就会变得非常缓慢，加入的玻璃颗粒会漂浮在液面 上与搅拌桨叶同速旋转，粒径越小的颗粒在液面上 停留时间越多，熔体中会搅入更多的空气，所生成的 氧化物、氮化物等夹杂物降低了复合材料的连续性 和致密性，严霞影响强度、硬度等机械性能。1 4 7 3 7 0 l r m 的颗粒在这一阶段更容易添加，复合材料中 的夹杂物要少很多，因此强度较好，硬度较高。 2 ．2 玻璃颗粒的粒度及含量对复合材料耐磨性能 的影响 ‘复合材料的磨损量与玻璃含量及粒度的关系如 图3 所示。 一 ∞ 、 期 疆 氆 图3 磨损量与玻璃含量的关系 F i g ．3 R e l a t i o nb e t w e e na b r a s i o nv a l u ea n d g l a s sp a r t i c l e sc o n t e n ta n dg r a n u l a r i t y 对于1 4 7 3 7 0 1 山m 颗粒增强的复合材料，在含 量为0 ～1 5 ％区间时，其耐磨性能随着玻璃颗粒含 量增加而增加，添加量为1 5 ％时，复合材料的耐磨 性能达到最好，超过1 5 ％时，由于颗粒添加困难且 易夹杂或失败，所以材料的耐磨性能呈下降的趋势。 对于7 4 1 4 7 恤m 颗粒增强的复合材料，在含量为0 1 0 ％区域时，耐磨性能随着玻璃颗粒含量增加而 增加，添加量为1 0 ％时，复合材料的耐磨性能达到 万方数据 4 2 有色金属第6 2 卷 最好，超过1 0 ％时，因颗粒添加难度加大，搅拌停留 的时间增长，基体合金吸气夹杂的情况增多，而导致 材料的耐磨性能下降。当超过1 5 ％时，整个搅拌体 系会处于不稳定的状态，颗粒随时有可能浮出，导致 复合材料的耐磨性能下降。 在添加量为0 1 0 ％区域内、相同玻璃含量的 情况下，粒度小的复合材料耐磨性能比粒度大的好， 因为粒径较小，单位体积内的粒子数多，表面积增 多，单位面积上承受磨损的粒子面积大，同时随着粒 径的减小，颗粒本身所具有的缺陷也在减少，故耐磨 性能较好。添加量超过1 0 ％后，由于细颗粒添加变 得非常困难，极易出现夹杂的现象，与此对应的材料 耐磨性能也在变差。相比而言，粒径较大的颗粒添 加较为容易些，出现夹杂的情况也较少，所以1 4 7 3 7 0 1 ．L m 颗粒增强的复合材料在含量为1 5 ％时，耐磨 性能比7 4 1 4 7 I x m 的复合材料要好。当超过1 5 ％ 时，细颗粒的耐磨性能的下降趋势超过粗颗粒。 为了进一步分析玻璃颗粒对复合材料的耐磨性 的影响，对磨损后的基体与废玻璃加入量为1 5 ％、 粒径为1 4 7 3 7 0 p , m 的复合材料的表面进行了微观 分析，如图4 所示，图4 a 和图4 b 分别为基体合 金和复合材料磨损后的表面电镜图。 图4基体合金和复合材料磨损后的表面电镜图 F i g ．4 S u r f a c em i c r o s c o p i ci m a g eo fA I - S ia l l o y sa n dM M Ca f t e ra b r a s e d 从图4 b 可以看出，复合材料磨损后的表面比 较光滑，而铝硅合金基体的磨损表面较粗糙，有较多 的层片或鳞状形貌。对于玻璃增强铝基耐磨复合材 料来说，在承受摩擦时，铝基体表面首先被磨损，使 耐磨的玻璃颗粒显露于表面，缓减了对基体的进一 步磨损，提高了复合材料的耐磨性能，因此其表面不 会出现像图4 a 中的呈典型粘着磨损特征的层片 或鳞状形貌。 2 ．3 玻璃／铝基废弃物复合材料的产品开发 玻璃／铝基废弃物复合材料 玻璃含量为1 5 ％ 的机械性能以及与其他材料的性能比较如表5 所 示。以玻璃／铝基废弃物复合材料为坯料，经再加温 和热挤拔，可以生产皮带运输机托辊，产品经检测符 合带式运输机的国家标准 G B 9 8 7 ～9 8 8 9 1 、 G B 9 9 0 9 1 ，经多家单位试用，满足生产使用要求。 3结论 以废玻璃、废铝为原料，采用机械搅拌法可以制 备最大玻璃含量为1 5 ％的废玻璃／废铝耐磨复合材 料，玻璃与铝的界面结合紧密良好，强度和硬度较 高。铝具有韧性好、耐腐蚀、易浇注成型等优点，在 软的铝基体上分布硬的玻璃颗粒，既保持了铝韧性 好的优点，又克服了铝硬度低的缺点，使废玻璃／废 铝耐磨材料具有良好的耐磨性能。 表5 玻璃／铝基废弃物复合材料与 玻璃和铸铝的性能的比较 T a b l e5 P h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e sc o m p a r i s o n a m o n gM M C ，g l a s sa n dc a s tA I - a l l o y1 0 1 项1 4复合材料玻璃铸铝Z L l 0 1 密度／ g c m 。 2 ．5 3 ～2 ．5 7 2 ．3 2 ．52 ．6 9 软化温度／℃ 5 7 57 2 06 6 0 热膨胀系数／K “ 1 9 1 0 “ 4 一I I ．5 X 1 0 ～2 3 ．6x 1 0 6 2 0 3 5 0 ℃范围测试结果 电阻率／斗n c m 1 7 ．4 2 1 ．4 2 ．6 5 弹性模量／G P a 5 0 6 25 57 0 抗拉强度／M P a8 0 1 0 8 9 0 抗弯强度／M P a 1 3 5 2 0 5 1 4 5 抗压强度／M P a2 2 0 3 4 5 1 9 2 布氏硬度／H B 4 5 6 0 莫氏6 7 2 4 ～3 2 4 ．6 2 f 与 耐磨系数 z L l o l 寿乏 一 1 万方数据 第l 期张雷等废玻璃／废铝耐磨复合材料的性能 4 3 参考文献 [ 1 ] 张守魁，王丹虹．铝液与S i O 反应原位形成A l ／A l O ，复合材料的研究[ J ] ．铸造，1 9 9 6 ， 7 4 7 ． [ 2 ] 王一光，靳正国，刘铁山，等．玻璃在反应制备A L ／A l O ，复合材料中的作用研究[ J ] ．天津大学学报，1 9 9 9 ，3 2 2 2 1 2 2 1 5 ． [ 3 ] 颜肖慈，罗明道．界面化学[ M ] ．北京化学工业出版社．2 0 0 5 1 6 8 1 7 0 ． [ 4 ] 刘珏荣．玻璃／铝废弃物复合材料中基体与增强材料颗粒的浸润性研究[ D ] ．昆明昆明理工大学，1 9 9 6 3 5 3 6 ． [ 5 ] 周正，王健．丁培道．A l 与S i O 玻璃反应的显微组织结构及其演变[ J ] ．硅酸盐学报，2 0 0 0 ，2 8 3 2 8 5 2 8 7 ． [ 6 ] L iSH ，D eW i j nJR ，D eG r o o tK ．R e f o r m e db a m b o o ／g l a s sf a b r i e ／a l u m i n i u mc o m p o s i t ea s a ne c o m a t e r i a l [ J ] ．M a t e rS e i ， 1 9 9 8 ，3 3 8 2 1 4 7 2 1 5 2 ． [ 7 ] S e l c u kE k r e m ．P Di n t e g r a t e dd e s i g na n dm a n u f a c t u r i n go fc o m p o s i t e s [ c ] ／／P r o c e e d i n g so ft h e2 n dB i e n n i a lE u r o p e a nJ o i n t C o n f e r e n c eo nE n g i n e e r i n gS y s t e m sD e s i g na n dA n a l y s i s ．A m r e i c a nS o c i e t yo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r s 。1 9 9 4 1 8 1 1 8 6 ． M e c h a n i c a lP r o p e r t i e so fW a s t eG l a s s ／W a s t eA l u m i n u mW e a r a b l eM a t e r i a l s Z H A N GL e i lP ．S U NK e ．w e i 2 1 ．D e p a r t m e n to fE n v i r o n m e n tE n g i n e e r i n g 。X u z h o uC o l l e g eo fI n d u s t r i a lT e c h n o l o g y ，X u z h o u2 2 11 4 0 ，J i a n g s u ，C h i n a ； 2 ．N a t i o n a lE n g i n e e r i n gR e s e a r c hC e n t e ro fS o l i dW a s t eR e s o u r c eR e c o v e r y ，K u n m i n gU n i v e r s i t yo f S c i e n c ea n dT e c h n o l o g y 。K u n m i n g6 5 0 0 3 3 ，C h i n a A b s t r a c t T h ec o m p o s i t em a t e r i a lo f9 1 a s s ／a l u m j n u ma r t i c l ei sp r e p a r e db ym e c h a n i c a la l l o y i n gp r o c e s sw i t hw a s t eg l a s s a n dw a s t ea l u m i n u ma sr a wm a t e r i a l s ，a n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h e c o m p o s i t ew e a r a b l em a t e r i a l i s i n v e s t i g a t e d ．T h es t r e n g t ha n dt o u g ho ft h em a t e r i a la r ei n c r e a s e dw i t ht h ea d d i t i o no ft h eg l a s sc o m p a r i n gt ot h e b a s a lm a t e r i a l ．T h ea b r a s i v ep e r f o r m a n c eo ft h eM M Cm a t e r i a li s4 ．6 2t i m e sh i g h e rt h a nb a s a lm a t e r i a l ，a n di t r e a c h e st ot h ep r o p e r t ys t a n d a r do fs t r a pt r a n s p o r tr o l l e r ． K e y w o r d s c o m p o s i t em a t e r i a l ；w e a r a b l em a t e r i a l ；m e c h a n i c a la l l o y i n g ；w a s t eg l a s s ；w a s t ea l u m i n u m ； r e s o u r c er e c o v e r y 万方数据