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影響陶瓷材料耐磨性能的因素

關(guān)鍵詞 陶瓷 , 剛玉 , 碳化硅 , 氧化鋯 , 碳化硼|2017-11-15 11:35:25|基礎(chǔ)知識|來源 粉體圈
摘要 耐磨陶瓷材料廣泛用于研磨拋光材料、耐磨涂層、管道或設(shè)備內(nèi)襯、設(shè)備結(jié)構(gòu)件等等領(lǐng)域,其耐磨性能的好壞直接決定了機械設(shè)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...

  耐磨陶瓷材料廣泛用于研磨拋光材料、耐磨涂層、管道或設(shè)備內(nèi)襯、設(shè)備結(jié)構(gòu)件等等領(lǐng)域,其耐磨性能的好壞直接決定了機械設(shè)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。

  為了獲取耐磨性能更為優(yōu)異的耐磨陶瓷材料,許多學(xué)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(jié)論。總的來說,影響陶瓷耐磨性能額因素有兩方面:1、材料本身的組織結(jié)構(gòu);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(jié)構(gòu)出發(fā),對耐磨材料的耐磨的影響因素進行簡析。

  一、力學(xué)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(rèn)為陶瓷材料的硬度跟磨損性能有很大的關(guān)系,后來發(fā)現(xiàn),陶瓷的硬度和磨損的關(guān)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(yīng)晶界的結(jié)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(yù)見性指標(biāo)。

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TZP氧化鋯陶瓷研磨介質(zhì)--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(jié)構(gòu)對耐磨性能的影響

  通常情況下,材料的微觀結(jié)構(gòu)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(jié)體,其顯微結(jié)構(gòu)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(yīng)力分布,氣孔等等顯微結(jié)構(gòu)有著極大的聯(lián)系。

  1、晶粒的尺寸對陶瓷耐磨性能的影響

  工業(yè)上,金屬材料可以通過細化晶粒的方式來使其力學(xué)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(nèi)部的應(yīng)力集中現(xiàn)象。人們通過研究發(fā)現(xiàn),晶粒細化對陶瓷材料的耐磨性能也有這一定的影響。

  學(xué)者們對氧化鋁及氧化鋯的耐磨性進行研究中發(fā)現(xiàn),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(nèi)部沿晶斷裂,甚至大晶粒從材料內(nèi)部拔出的方式發(fā)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(yīng)力集中,產(chǎn)生裂紋擴展,而使材料發(fā)生低應(yīng)力脆性斷裂。

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材料的斷口形貌可通過SEM進行分析

示例圖沿晶斷(右側(cè)居多),也有穿晶斷(左側(cè)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(dāng)于一種缺陷的存在,它會造成應(yīng)力的集中, 加速裂紋的擴展,降低晶粒之間的結(jié)合強度,嚴(yán)重影響陶瓷制品的力學(xué)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(fā)現(xiàn)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(wěn)定,會在氣孔處形成裂紋及擴展裂紋,導(dǎo)致制品磨損率極高,抗磨損突變能力變?nèi)酢?br/>

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帶有氣孔的板狀剛玉SEM圖

  3、晶界相以及晶間雜質(zhì)的影響

  陶瓷是由晶粒,晶界相和氣孔等組成,在燒結(jié)的過程中,加入到陶瓷當(dāng)中的一些添加劑和一些雜質(zhì)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(jié)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(chǎn)生。較低的晶界結(jié)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(yán)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(chǎn)生的高溫會降低玻璃的粘度,從而引發(fā)塑性變形,若鄰近的晶界的應(yīng)力不能相適應(yīng)則會引發(fā)晶界處的裂紋,引發(fā)嚴(yán)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(chǎn)生殘余的應(yīng)力,當(dāng)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(shù)不同而造成的晶界處的應(yīng)力集中,增強了晶界結(jié)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。

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