真空烧结工艺对Si-Ca系钢渣陶瓷结构与性能影响研究*

doi:10.13385/j.cnki.vacuum.2026.03.06

摘要/Abstract

摘要： 本文系统研究了真空烧结对Si-Ca体系钢渣陶瓷材料烧结特性、微观结构与力学性能的影响研究。通过对比真空下与常压条件下烧结材料的体积密度、吸水性、抗折强度及其显微结构的变化,探究了真空环境对陶瓷（钢渣、铁尾矿和粉煤灰等工业固体废弃物烧结而成）烧结过程的性能影响。研究表明,真空烧结可显著提高同等温度条件下（W系-1 105℃、F系1 130℃）陶瓷材料的体积密度、降低其吸水性,在较常压烧结至少低20℃的温度下达到相近的致密化水平,使抗折强度提高10%~12%。结合微观测试推测,真空环境可能促进了晶相的定向生长与优化分布,形成了更为致密均匀的微观结构。本研究为工业固废基陶瓷材料的低温高性能烧结提供了有效的工艺方案,对推动固废资源化与节能制造技术的发展具有参考价值。

关键词: 真空烧结, 绿色陶瓷, 钢渣陶瓷, 微观结构, 力学性能

Abstract: This study systematically investigates the effects of vacuum sintering on the sintering behavior, microstructure, and mechanical properties of Si-Ca system steel slag ceramic materials. By comparing the bulk density, water absorption, flexural strength, and microstructural evolution of materials sintered under vacuum and atmospheric conditions, the influence of vacuum environment on the ceramic sintering process was explored. The results indicate that vacuum sintering significantly increases the bulk density and reduces the water absorption of the ceramic materials. The optimal sintering temperature can be reduced by 20℃, while the flexural strength is improved by 10%~12%. Microstructural analysis shows that the vacuum environment promotes the oriented growth and optimized distribution of crystalline phases, resulting in a denser and more homogeneous microstructure. This study provides an effective processing route for low-temperature, high-performance sintering of industrial solid waste-based ceramic materials, and offers valuable reference for advancing solid waste resource utilization and energy-efficient manufacturing technologies.

Key words: vacuum sintering, eco-ceramics, steel slag ceramics, microstructure, mechanical properties

中图分类号: TQ174.62

刘雪婷, 魏海波, 陈苗. 真空烧结工艺对Si-Ca系钢渣陶瓷结构与性能影响研究^*[J]. 真空, 2026, 63(3): 44-48.

LIU Xueting, WEI Haibo, CHEN Miao. Study on the Effects of Vacuum Sintering on the Structure and Properties of Si-Ca System Steel Slag Ceramics[J]. VACUUM, 2026, 63(3): 44-48.

参考文献

[1] 李宇, 刘月明.我国冶金固废大宗利用技术的研究进展及趋势[J].工程科学学报,2021,43(12):1713-1724.
[2] 陈拥强, 刘方波, 郭智奇, 等.钢渣及矿渣对低温烧结建筑陶瓷结构与性能的影响[J].陶瓷学报,2024,45(6):1222-1230.
[3] 高艳杰, 郜建全, 彭军, 等. 钢渣的处理工艺和综合利用[J]. 中国铸造装备与技术, 2023,58(5):39-45.
[4] MIAO X W, BAI Z T, Lu G H, et al.Review of comprehensive utilization of typical ferroalloy slags[J].Chinese Journal of Engineering, 2020, 42(6): 663-679.
[5] 苍大强, 张玲玲, 刘洋, 等. 国内外钢铁工业固相二次资源利用现状、存在问题与对策[J]. 工程工程学报,2022,22(10):1418-1424.
[6] 李秀金. 固体废物处理与资源化[M].北京:科学出版社,2011.
[7] 倪文. 钢渣综合利用所面临的问题与解决办法[C]/2019京津冀及周边地区工业固废综合利用(国际) 高层论坛,北京, 2019.
[8] 李佳凌. 建筑垃圾堆放下周围土壤环境污染效果及治理模式研究[J]. 环境科学与管理, 2021,46(3):79-83.
[9] 陈振中. 钢渣利用现状及回收工艺研究[J]. 四川冶金, 2022,44(3):33-35.
[10] JI Y, LI E Y, ZHU G, et al.Preparation and performance of ceramic tiles with steel slag and waste clay bricks[J]. Materials, 2024,17(8):1755.
[11] GAO W H, ZHOU W T, LYU X J, et al.Comprehensive utilization of steel slag: A review[J]. Powder Technology,2023,422:118449.
[12] LIU X T, TIAN Y, WEI D, et al.Preparation and performance study of new type steel slag ceramic[J]. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2020, 780(5): 052017.
[13] 赵立华,苍大强,刘璞.CaO-MgO-SiO₂体系钢渣陶瓷材料制备与微观结构分析[J].北京科技大学学报,2011,33(8):995-1000.
[14] 嵇鹰, 陈欢, 朱刚, 等.钢渣基陶瓷材料的烧结工艺参数优化[J].材料科学与工艺,2026,34(2):56-64.
[15] ZONG Y B, CHEN W H, FAN Y, et al.Complementation in the composition of steel slag and red mud for preparation of novel ceramics[J]. International Journal of Mineral,2018,25(9):1010-1017.
[16] 夏鹏, 张厚安, 廉冀琼, 等.高熵合金FeCoNiMoW粘结相对(Ti,W,Mo,Nb,Ta)(C,N)基金属陶瓷力学性能的影响[J].粉末冶金技术,2025,43(3):283-291.
[17] 周恩瑞,潘应君,柯德庆.烧结温度对Mo₂FeB₂高熵金属陶瓷组织与性能的影响[J].材料热处理学报,2025,46(4):89-96.
[18] 张正,杜泽谱,侯敏,等.真空烧结优化氧化物固态电解质的性能研究[J].有色金属(中英文),2025,15(11):1927-1934.
[19] 姚振华,吴炳昆,彭峥,等.真空烧结(Ti,W)C基金属陶瓷的显微结构及相演变研究[J].华中科技大学学报(自然科学版),2025,53(6):155-160.
[20] 徐亮,王红洁,苏磊,等.高熵陶瓷研究进展[J]. 宇航材料工艺,2021,51(1):1-9.
[21] 周恩瑞. Mo₂FeB₂系高熵金属陶瓷的制备及组织性能研究[D].武汉:武汉科技大学,2024.
[22] QI K,YANG M,LI S,et al.Microstructure and oxidation behavior of Ti(C,N) based cermets with in situ synthesized-Ni₃Al-phase[J].International Journal of Refractory Metals and Hard Materials,2018,73:157-161.
[23] BAI H,LIU P,AI X.Analysis on the microstructure characteristics of steel-slag based Ceramics[J].Advanced Materials Research,2011(150): 133-138.
[23] BADIEE H, MAGHSOUDIPOUR A, RAISSI B.Use of Iranian steel slag for production of ceramic floor tiles[J].Advances in Applied Ceramics,2008 (107): 111-115.
[24] 任强, 李启甲, 嵇鹰. 绿色硅酸盐材料与清洁生产[M]. 北京:化学工业出版社, 2004.
[25] 刘属兴,刘维良,夏光华.陶瓷矿物原料与坯釉配方应用[M].北京:化学工业出版社, 2008.
[26] BARATI M, ESFAHANI S, UTIGARD T A.Energy recovery from high temperature slags[J].Energy,2011,36(9):5440.
[27] 张长海. 陶瓷生产工艺知识问答[M]. 北京:化学工业出版社, 2007.

相关文章 15

[1]	肖振华, 周明旭, 李建昌, 袁洪峰, 龚志刚. 真空烧结炉加热体参数优化研究^*[J]. 真空, 2026, 63(2): 68-74.
[2]	于朋, 何箐, 袁涛, 王世兴, 刘桂欣. 减摩耐磨高性能TiCN薄膜工艺优化及性能研究[J]. 真空, 2025, 62(6): 1-8.
[3]	王元晖, 周明旭, 李建昌. 基于ANSYS的真空烧结炉保温层参数优化^*[J]. 真空, 2025, 62(5): 70-76.
[4]	郭毛毛, 谢敏, 王志刚, 牟仁德, 宋希文, 张永和. Sc₂O₃-Y₂O₃-ZrO₂热障涂层陶瓷材料的微观结构及力学性能^*[J]. 真空, 2025, 62(5): 39-43.
[5]	周明旭, 李建昌. 石墨工装板厚度对碳化硅真空烧结炉温度场的影响^*[J]. 真空, 2025, 62(4): 49-53.
[6]	陈明, 李相材, 张晓敏, 黄烁, 王冲, 胡军. 磷对镍基高温合金铸态组织和力学性能的影响^*[J]. 真空, 2025, 62(2): 91-99.
[7]	赵祯赟, 陈定君, 郭圆萌, 杨皓, 东帅, 孙铁生, 黄美东. 不同温度下氮化铬薄膜的疏水性能研究^*[J]. 真空, 2024, 61(1): 27-33.
[8]	刘洋, 张雅楠, 高晟元, 赵祯赟, 郑明昊, 黄美东. 多弧离子镀Zr/ZrN多层膜的力学性能研究^*[J]. 真空, 2022, 59(5): 28-31.
[9]	刘燕文, 孟鸣凤, 张晓林, 朱虹, 王国建, 赵恒邦, 王小霞, 张志强. 熔融热子组件的制备^*[J]. 真空, 2022, 59(4): 76-79.
[10]	吕乾乾, 孙振川, 周建军, 杨振兴, 陈瑞祥, 游慧杰. 低真空管道系统性能室内实验研究^*[J]. 真空, 2021, 58(3): 7-12.
[11]	吴爱荣, 张峰, 马强, 席晓晶. 多室隧道连续式真空烧结炉及热处理炉控制系统的设计^*[J]. 真空, 2021, 58(1): 78-81.
[12]	赵兴旺, 刘艳梅, 付和国, 史吉鹏, 关峰. TC4薄壁钛合金激光对接接头组织及力学性能研究^*[J]. 真空, 2020, 57(4): 89-94.
[13]	张庆芳, 易勇, 罗江山. 溅射功率对铒薄膜微观结构的影响^*[J]. 真空, 2020, 57(3): 17-20.
[14]	方波, 张林, 蔡飞, 张世宏. 冷作模具钢等离子渗镀CrVN复合涂层摩擦磨损性能研究^*[J]. 真空, 2020, 57(2): 33-39.
[15]	王智荣, 马强, 龙国梁, 李雪峰, 刘成. 多室隧道连续式真空烧结炉及热处理炉的研制与应用^*[J]. 真空, 2019, 56(5): 6-11.

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