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影响陶瓷材料耐磨性能的因素

http://www.momo35.com   来源:粉体圈  日期:2018/01/23

  耐磨陶瓷材料广泛用于研磨抛光材料、耐磨涂层、管道或设备内衬、设备结构件等等领域,其耐磨性能的好坏直接决定了机械设备及零件等的安全使用年限。常见的耐磨陶瓷材料有金刚石、氧化锆、立方氮化硼、氮化硅、碳化硼、碳化硅、各种刚玉等等。
  
  为了获取耐磨性能更为优异的耐磨陶瓷材料,许多学者对陶瓷材料的磨损机理及影响陶瓷耐磨性能的因素做了研究,并提出来了许多观点及结论。总的来说,影响陶瓷耐磨性能额因素有两方面:1、材料本身的组织结构;2、外部因素如载荷、温度以及气氛等。 本文将从材料的自身结构出发,对耐磨材料的耐磨的影响因素进行简析。
  
  一、力学性能对陶瓷耐磨性能的影响
  
  在早期研究陶瓷材料的耐磨性能时,人们认为陶瓷材料的硬度跟磨损性能有很大的关系,后来发现,陶瓷的硬度和磨损的关系并不是那么的明显,例如氧化铝陶瓷的硬度要高于TZP氧化锆陶瓷,但耐磨性能并不一定高于TZP陶瓷。
  
  硬度虽然在一定程度上能够反应晶界的结合强度,但磨损最终是由于材料脱离磨损表面而形成的,因此陶瓷材料的硬度不再作为衡量磨损的一个预见性指标。
  
  
  
  TZP氧化锆陶瓷研磨介质--耐冲击、低磨耗
  
  也有研究报道,陶瓷材料的脆性直接影响磨损率。有研究表明,随着材料断裂韧性的和硬度的提高,陶瓷的磨损率逐渐的降低,耐磨性越好。
  
  二、陶瓷的显微结构对耐磨性能的影响
  
  通常情况下,材料的微观结构往往会对材料的宏观性能有着极大的影响。陶瓷材料是晶粒和晶间组成的烧结体,其显微结构往往决定着其宏观性能。有许多研究表明,陶瓷材料的耐磨性能与晶粒的大小,晶界相的组成,晶界上的应力分布,气孔等等显微结构有着极大的联系。
  
  1、晶粒的尺寸对陶瓷耐磨性能的影响
  
  工业上,金属材料可以通过细化晶粒的方式来使其力学性能提高,这就是所谓的细晶强化。其原理主要在于晶粒的粒径越小,晶界的面积也就越大,晶界的分布也就会越曲折,可以有效的增加裂纹扩展的路径,有利于分散材料内部的应力集中现象。人们通过研究发现,晶粒细化对陶瓷材料的耐磨性能也有这一定的影响。
  
  学者们对氧化铝及氧化锆的耐磨性进行研究中发现,较小晶粒以是塑性变形和部分的穿晶断裂为主,磨损较少;较大晶粒则以材料内部沿晶断裂,甚至大晶粒从材料内部拔出的方式发生较大的的磨损。而大尺寸的晶粒的拔出,将对陶瓷表面造成较大的缺陷,使材料的容易造成应力集中,产生裂纹扩展,而使材料发生低应力脆性断裂。
  
  
  
  材料的断口形貌可通过SEM进行分析
  
  示例图沿晶断(右侧居多),也有穿晶断(左侧居多)
  
  2、气孔率对陶瓷耐磨性能的影响
  
  气孔对陶瓷的性能有着很重要的影响,气孔相当于一种缺陷的存在,它会造成应力的集中, 加速裂纹的扩展,降低晶粒之间的结合强度,严重影响陶瓷制品的力学性能。在摩擦力的作用下气孔之间可能会彼此连接起来形成裂纹源,加速材料的磨损。
  
  此外,有研究发现在不同的载荷下,陶瓷的磨损率并不一样,在低载荷时气孔不会造成裂纹的扩展;而在高载荷的情况下,气孔变得不稳定,会在气孔处形成裂纹及扩展裂纹,导致制品磨损率极高,抗磨损突变能力变弱。
  
  
  
  带有气孔的板状刚玉SEM图
  
  3、晶界相以及晶间杂质的影响
  
  陶瓷是由晶粒,晶界相和气孔等组成,在烧结的过程中,加入到陶瓷当中的一些添加剂和一些杂质成分主要是以“第二相”或者“玻璃相”的形式存在于晶界上,他们的存在会对晶粒之间的结合强度造成一定的影响。在陶瓷摩擦磨损的过程中,裂纹很容易在晶界处产生。较低的晶界结合强度会造成在磨损过程中的沿晶断裂,引起整片晶粒的拔出,造成严重磨损。
  
  多晶陶瓷的添加剂一般会以玻璃相的形式存在于陶瓷晶界上,在摩擦的过程,产生的高温会降低玻璃的粘度,从而引发塑性变形,若邻近的晶界的应力不能相适应则会引发晶界处的裂纹,引发严重磨损。
  
  如果适量的添加剂可以在晶界处形成第二相,则往往是有利于材料的耐磨性能的,例如就氧化铝陶瓷而言,由于晶粒在各向异性生长时会在晶界处产生残余的应力,当加入稀土添加剂Sm2O3时,可有效的促进了晶界上第二相六铝酸钙的形成,降低了晶界处玻璃相的含量,有效的缓解由于热膨胀系数不同而造成的晶界处的应力集中,增强了晶界结合强度,使得陶瓷的耐磨性能得到提高。
  
  参考文献
  
  1、陶瓷材料耐磨机理研究进展,佛山欧神诺陶瓷股份有限公司,吴洋。
 
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