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簡析影響陶瓷材料耐磨性能的因素
2017年11月14日 發布 分類:粉體加工技術 點擊量:3527
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耐磨陶瓷材料廣泛用于研磨拋光材料、耐磨涂層、管道或設備內襯、設備結構件等等領域,其耐磨性能的好壞直接決定了機械設備及零件等的安全使用年限。常見的耐磨陶瓷材料有金剛石、氧化鋯、立方氮化硼、氮化硅、碳化硼、碳化硅、各種剛玉等等。

 

耐磨陶瓷內襯供應煤粉管道

 

為了獲取耐磨性能更為優異的耐磨陶瓷材料,許多學者對陶瓷材料的磨損機理及影響陶瓷耐磨性能的因素做了研究,并提出來了許多觀點及結論??偟膩碚f,影響陶瓷耐磨性能額因素有兩方面:1、材料本身的組織結構;2、外部因素如載荷、溫度以及氣氛等。 本文將從材料的自身結構出發,對耐磨材料的耐磨的影響因素進行簡析。

 

一、力學性能對陶瓷耐磨性能的影響

在早期研究陶瓷材料的耐磨性能時,人們認為陶瓷材料的硬度跟磨損性能有很大的關系,后來發現,陶瓷的硬度和磨損的關系并不是那么的明顯,例如氧化鋁陶瓷的硬度要高于TZP氧化鋯陶瓷,但耐磨性能并不一定高于TZP陶瓷。

 

硬度雖然在一定程度上能夠反應晶界的結合強度,但磨損最終是由于材料脫離磨損表面而形成的,因此陶瓷材料的硬度不再作為衡量磨損的一個預見性指標。

 

TZP氧化鋯陶瓷研磨介質--耐沖擊、低磨耗

 

也有研究報道,陶瓷材料的脆性直接影響磨損率。有研究表明,隨著材料斷裂韌性的和硬度的提高,陶瓷的磨損率逐漸的降低,耐磨性越好。

 

二、陶瓷的顯微結構對耐磨性能的影響

通常情況下,材料的微觀結構往往會對材料的宏觀性能有著極大的影響。陶瓷材料是晶粒和晶間組成的燒結體,其顯微結構往往決定著其宏觀性能。有許多研究表明,陶瓷材料的耐磨性能與晶粒的大小,晶界相的組成,晶界上的應力分布,氣孔等等顯微結構有著極大的聯系。

 

1、晶粒的尺寸對陶瓷耐磨性能的影響

工業上,金屬材料可以通過細化晶粒的方式來使其力學性能提高,這就是所謂的細晶強化。其原理主要在于晶粒的粒徑越小,晶界的面積也就越大,晶界的分布也就會越曲折,可以有效的增加裂紋擴展的路徑,有利于分散材料內部的應力集中現象。人們通過研究發現,晶粒細化對陶瓷材料的耐磨性能也有這一定的影響。

 

學者們對氧化鋁及氧化鋯的耐磨性進行研究中發現,較小晶粒以是塑性變形和部分的穿晶斷裂為主,磨損較少;較大晶粒則以材料內部沿晶斷裂,甚至大晶粒從材料內部拔出的方式發生較大的的磨損。而大尺寸的晶粒的拔出,將對陶瓷表面造成較大的缺陷,使材料的容易造成應力集中,產生裂紋擴展,而使材料發生低應力脆性斷裂。


材料的斷口形貌可通過SEM進行分析

示例圖沿晶斷(右側居多),也有穿晶斷(左側居多)

 

2、氣孔率對陶瓷耐磨性能的影響

氣孔對陶瓷的性能有著很重要的影響,氣孔相當于一種缺陷的存在,它會造成應力的集中, 加速裂紋的擴展,降低晶粒之間的結合強度,嚴重影響陶瓷制品的力學性能。在摩擦力的作用下氣孔之間可能會彼此連接起來形成裂紋源,加速材料的磨損。

 

此外,有研究發現在不同的載荷下,陶瓷的磨損率并不一樣,在低載荷時氣孔不會造成裂紋的擴展;而在高載荷的情況下,氣孔變得不穩定,會在氣孔處形成裂紋及擴展裂紋,導致制品磨損率極高,抗磨損突變能力變弱。


帶有氣孔的板狀剛玉SEM圖

 

3、晶界相以及晶間雜質的影響

陶瓷是由晶粒,晶界相和氣孔等組成,在燒結的過程中,加入到陶瓷當中的一些添加劑和一些雜質成分主要是以“第二相”或者“玻璃相”的形式存在于晶界上,他們的存在會對晶粒之間的結合強度造成一定的影響。在陶瓷摩擦磨損的過程中,裂紋很容易在晶界處產生。較低的晶界結合強度會造成在磨損過程中的沿晶斷裂,引起整片晶粒的拔出,造成嚴重磨損。

 

多晶陶瓷的添加劑一般會以玻璃相的形式存在于陶瓷晶界上,在摩擦的過程,產生的高溫會降低玻璃的粘度,從而引發塑性變形,若鄰近的晶界的應力不能相適應則會引發晶界處的裂紋,引發嚴重磨損。

 

如果適量的添加劑可以在晶界處形成第二相,則往往是有利于材料的耐磨性能的,例如就氧化鋁陶瓷而言,由于晶粒在各向異性生長時會在晶界處產生殘余的應力,當加入稀土添加劑Sm2O3時,可有效的促進了晶界上第二相六鋁酸鈣的形成,降低了晶界處玻璃相的含量,有效的緩解由于熱膨脹系數不同而造成的晶界處的應力集中,增強了晶界結合強度,使得陶瓷的耐磨性能得到提高。

 

參考文獻

1、陶瓷材料耐磨機理研究進展,佛山歐神諾陶瓷股份有限公司,吳洋.

 

粉體圈 作者:小白


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