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1、工程陶瓷的磨损机理与氧化铝陶瓷耐磨性的提高陈达谦(山东工业陶瓷研究设计院 淄博 255031)摘 要 文章简单介绍了几种典型工程陶瓷的磨损机理。探讨了通过改善工艺条件, 提高氧化铝陶瓷的耐磨性。关键词 工程陶瓷 Al2O3陶瓷 磨损机理 耐磨性前言腐蚀、 磨损和断裂是材料失效的 3种主要形式, 其中由于摩擦导致磨损失效约占设备损坏的 70% 80% , 每年损失都在上千亿美元 1。改善润滑、 降低磨损可以带来巨大的经济效益, 据估计约占各国国民生产总值 2% 以上。可见提高材料的耐磨性是各国科技工作者十分关注的热点之一。工程陶瓷具有硬度高、 强度大、 耐高温、 化学稳定性优异、 绝缘性佳和介电
2、性能优等一系列特点, 广泛应用在电子、 化学、 石油化工、 农药、 建材、 矿产等工业领域, 尤其是作为高温、 耐腐耐磨材料, 发挥着巨大作用。使用场合最多的有: 黄金矿产、 矿渣和煤炭等粉体或悬浮液输送管线的内衬; 旋风分离器、 燃气轮机、 泵体的叶片、 柱塞、 套管和各种阀门; 制药、 陶瓷业高速搅拌机研磨体、 挤出模具和陶瓷剪刀; 电缆、 电线和纺织行业的导轮;化肥工厂裂解炉用喷嘴或食品、 陶瓷业中喷雾干燥器用喷嘴; 林业中切削木材的切割刀具及机械行业中各种切削刀具、 高精度密封元件、 量具、 刃具等等。目前可供选用的工程陶瓷材料有氧化物陶瓷(如 Al2O3、 ZrO2陶瓷) 、 氮化物
3、陶瓷( 如 Si3N4、 Sialon 材料) 和碳化物陶瓷( 如 SiC 等) 等。如何提高它们的耐磨性是整套设备延长寿命的关键之一, 也是取得最佳经济效益的根本途径。本文将介绍几种典型工程陶瓷材料的磨损机理, 根据有关资料及工作体会, 谈谈如何提高氧化铝陶瓷材料的耐磨性问题,供有关人士参阅。1 关于几种陶瓷材料磨损机理假说工程陶瓷用作耐磨部件的工况是十分复杂的, 有干摩与湿摩( 有润滑介质); 滚动与滑动; 有无腐蚀介质或环境; 不同材质的摩擦副; 不同的使用温度、 表面状态及摩擦系数大小等。所以要想简单的用一种假说或机理来说明所有磨损行为是困难的。下面简单介绍干摩擦条件下两种基本磨损机理
4、及几种陶瓷材料的磨损机理。1. 1 粘着理论 2该理论认为, 在一定压力下, 硬质材料在干摩时, 会产生瞬时高温, 有时甚至会超过 1000 e 以上, 这会使材料产生一定程度的塑性变形, 两种物体会发生粘着。在相对移动时, 这些粘着点又可能被剪切断而产生/ 滑溜0。摩擦就是粘着与滑溜交替进行的跃动式过程, 这种过程就会使运动受到阻力, 即等于各粘着点被剪切断时阻力之总和。还有人认为, 由于摩擦偶件的表面粗糙, 硬物质会嵌入软物质并形成粘着, 在相对移动时, 这些粘着点也会被剪切断, 这也是构成摩擦力的另一个因素。上述两种粘着点的形成和破坏就造成了材料的磨损。1. 2 分子) 机械理论 2在很
5、大压力影响下, 摩擦偶件接触时是弹性、 塑性的混合状态, 而且表面互相啮合而接触, 并且在相对滑动时, 互相啮合点被剪断, 因而构成相对运动的阻力。摩擦力就是各个啮合点被剪断时的阻力。与此同时, 在接触部位会产生分子引力, 它如同施加负荷一样, 所以在摩擦偶件相对运动时, 一方面要克服机械的互相啮合, 另一方面还要克服分子引力, 这就造成了材料的磨损。根据上述两种理论认为, 磨损实际上是摩擦所造成的必然结果, 是一种物理) 化学) 机械现象的综合。材料的磨损形式至今尚无统一分类, 大致可归纳为如表 1所述的几种磨损类型。表 1 磨损的几种型式分类序号 分类条件 磨损种类1按摩擦表面发生的现象区
6、分氧化磨损、 热磨损、 研磨磨损( 或称磨粒磨损、 机械磨损) , 点触磨损等。2按磨损表面破坏原因区分研磨磨损、 分子机械磨损、 腐蚀磨损、 接触疲劳磨损等。3按磨损发生本质( 机械作用) 区分 机械磨损: 包括研磨磨损、 啮合磨损、表面疲劳磨损和擦伤磨损等 分子机械磨损: 粘着磨损 腐蚀机械磨损: 化学腐蚀磨损、 氧化磨损等。4按摩擦偶件相对物理性质区分软物体被硬物体磨损、 硬物体被软物体磨损、 相同物体的磨损1. 3 几种工程陶瓷磨损简介对于工程陶瓷材料, 属于那一种磨损状态、 产生何种磨损 行为、 磨损机理是什么? 许多科技工作者进行过初步试验与探讨, 以下只介绍几种常见的陶瓷材料的磨
7、损机理。#9#全国性建材科技期刊) ) 5陶瓷6 2000 年 第 4 期 总第 146期1. 3. 1 ZrO2材料的磨损机理对于 ZrO2材料, 研究较多的是 3Y) TZP( 即用 Y2O3稳定的 四方氧化锆材料)。当它与其他材料对摩时, 由于润滑条件不同, 磨损机理也不一样。刘惠文等人 3用 52100 钢球/ ZrO2对 摩时, 在有水润滑时, 磨损机理是微裂纹和微犁削, 即摩擦初期, 材料的微裂纹产生细小的磨屑, 在继续滑动时, 又造成微犁削, 从而造成磨损; 在干摩擦条件下, 是表面微裂纹和硬质颗粒 引起的磨粒磨损, 即在摩擦初期是表面断裂, 导致裂纹扩展而形成陶瓷的片状剥落,
8、在研磨过程中, 又被研成较小的片状碎屑而使表面磨损。他们又进行了TZP/GCr15钢球在不同磨损条件下的试验, 分析其磨损机理 4: 在微磨损条件下, 磨损机制是塑性变形和微断裂; 在较严重磨损条件下, 则转变为表面断裂 和磨粒磨损; 当在高速、 高负荷条件下, 在 TZP 表面形成连续的偶件钢材料的转移膜而产生负磨损( 即钢球产生磨损); 对钢球而言, 整个过程产生的磨损机理为塑性变形和氧化磨损。 1. 3. 2 Al2O3材料的磨损机理氧化铝陶瓷材料是目前使用最广、 生产数量最大的工程陶瓷材料。研究较多的是用它作为切削工具, 如何提高它的使用 寿命, 因此对摩擦磨损机理的研究报导对象较多的
9、是 Al2O3-TiB2、 Al2O3- TiCN 等复合材料。邓建新等人 5研究了 Al2O3-TiB2陶瓷刀具切削加工过程, 测定了它的摩擦磨损曲线后认为, 它的磨损机制是: 耕犁、 粘着和脆性微断裂。由于 TiB2的硬度高于 Al2O3, 所以在一定的加入量(TiB2加入量 30% ) 时,随着TiB2的加入量增加, 其抗磨性随之提高。赵兴中等人6 对TiCN- Al2O3陶瓷与不锈钢对摩时的磨损机理进行探讨认为, 在干摩擦时, 主要是粘着磨损, 即在摩擦过程中, 由于不断 产生粘着、 撕裂、 引起不锈钢向陶瓷表面转移, 陶瓷材料也向不锈钢中扩散。但是当采用水或油润滑时, 它处于边界润滑
10、状态, 接触界面材料的粘着、 撕裂、 转移与扩散现象依然存在, 水 润滑比油润滑更加明显。同时他们还指出, 粘着磨损产生的磨屑不是从固体材料直接脱落下来, 而磨屑的形成, 实际上是经过了一种/ 元素传递0过程。在水或油润滑时, 不锈钢表面粘 着、 撕脱下的磨屑会很快吸附一些水或油分子, 使其表面能大大降低, 摩擦面的表面能也会降低, 粘附在不锈钢母体的磨屑 明显减少, 同样陶瓷表面也很难粘附, 表面也难以形成转移膜,致使磨屑很快脱离摩擦面, 导致了在水油润滑时, 反而有更大的磨损的/ 反常0结果。 1. 3. 3 Si3N4材料的磨损机理Si3N4以其硬度高、 强度大等性能, 已在轴承等行业广
11、泛地应用, 然而对它的摩擦磨损行为的研究还是初步的。赵明等 人7对 Si3N4/Si3N4、 Si3N4/Al2O3和 Si3N4/SiC 3 种摩擦副在干摩擦条件下的摩擦磨损行为进行了试验, 其结果见表 2所示。他们认为, 其磨损机理是: Si3N4/ Si3N4是摩擦氧化。在摩擦作用下 A- Si3N4容易转化为B- Si3N4, 它们自己配对, 具有较好的耐磨性能; Si3N4/Al2O3、 Si3N4/SiC 磨损机理是沿晶块状剥离。在对摩 后期, Si3N4表面会吸附 Al2O3磨屑而形成Al2O3磨屑吸附层, 使其摩擦系数降低从而对摩擦副起到减摩作用。Si3N4由于受摩擦热的影响,
12、 磨屑会完全被氧化生成SiO2, 但因SiC导热性好, 只有部分 SiC 被氧化。表 2 Si3N4材料磨损试验结果摩擦副样品磨损体积损失( 3)SSSi3N4Si3N43.73.7SASi3N4Al2O34.1138. 3SCSi3N4SiC18.2103. 4以上只是简单介绍了几种典型的工程陶瓷材料的磨损机 理, 尽管是初步的, 但是从中可以对它的磨损机理做些了解, 这 对今后提高它们耐磨性指明了方向, 为扩大工程陶瓷材料的应用与开发打下基础。2 如何提高 Al2O3陶瓷的耐磨性Al2O3陶瓷作为磨机的内衬和磨介, 在建筑卫生陶瓷等行业中应用已越来越广泛。使用材料的 Al2O3含量一般在
13、90% 99% 之间, 为了制得密度高、 耐磨性好的陶瓷体, 必须有性能合适的原料, 能获得高的生坯密度的成形方法以及必须有适当的 烧结温度和保温时间, 只有这三大要素同时满足要求, 方能达此 目的。2. 1 性能合适的 Al2O3原料 根据上述陶瓷材料的磨损机理, 一般为耕犁、 粘着和脆性微断裂。产生耕犁现象是由于在外界压力作用下, 对摩所产生 的磨屑对摩擦面表面造成刻痕, 所以要制备高耐磨性的氧化铝材料, 必须使制品具有合适的相组成和显微结构。因此要求所 用的原料除具有硬度大的A- 相组成外, 还必须满足细度的要 求。只有原料足够细, 最后的烧成制品才有可能形成微晶结构, 使它具有很好的耐
14、磨性。如果材料的硬度不大, 即A- 相 含量太少, 被耕犁、 刻划的程度加重, 耐磨性就不好。一般希望 Al2O3原料中A- 相的含量超过 95% 为宜, 细度应控制在 2Lm( 平均粒径) 左右, 这样就能保证 Al2O3陶瓷具有刚玉的晶相组 成和 5Lm 以下的微晶结构。2. 2 可获得高密度生坯的成形方法 Al2O3陶瓷的成形方法可以是多种多样的, 它包括注浆成形( 含高压注浆) 、 压力成形( 含等静压成形)、 热压注工艺(含注 射成形) 、 流延工艺及近几年发展起来的直接凝固注模( DCC)和凝胶注成形(gel- casting) 等等。人们可以根据制品的形状、 大小和性能要求来选择
15、合适的成形工艺。作为耐磨部件, 一般 均采用压力成形或注浆工艺。它们基本上可以满足各种工况下对氧化铝陶瓷材料的要求。不管采用何种成形工艺, 都希望得 到的生坯密度达到 60% (TD) 。这样可以保证烧结制品的气孔少、 结构致密、 烧成收缩小, 可保证制品的尺寸公差符合要求。 一般对于形状复杂的制品多以注浆工艺为主, 对于尺寸要求较 精密、 形状简单的制品可选用压力成形。表 3列出了采用不同氧化铝原料, 用压力和注浆成形制备的几种氧化铝的性能8。#10#全国性建材科技期刊) ) 5陶瓷6 2000 年 第 4 期 总第 146期表 3 3 种氧化铝陶瓷机械性和耐磨性Al- 91Al- 95Al
16、- 98密度(g/ )3. 59 3.613.68 3. 703. 775 3. 815吸水率( % ) 0. 02 0. 02 0. 02杨氏模量( GPa)240 265270 285330 380弯曲强度(MPa)310 370270 300250 325硬度HV101150 1200980 11001 240 1 300断裂韧性( MPa#m1/ 2)2.8 3.02. 4 2. 83. 2 3. 7体积损失 ASTMB6110. 32 0.360.37 0. 480. 34 0. 40ASTMG65(13 16) 10- 3(20 24) 10- 3( 16 18) 10- 32. 3 适当的烧成制度Al2O3陶瓷的矿相组成, 一般是由刚玉、 玻璃相和气孔组成。过高的烧成温度或过长的保温时间都会促进晶体生长, 使 微细的 Al2O3原料在高温下发育成大晶粒, 液相量增加, 这样 不但强度下降, 同时耐磨性也会减弱。当然温度太低、 烧结不好、 密度降
