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陶瓷材料

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影響陶瓷耐磨性的因素有哪些?

2022-12-29 精城特瓷

        耐磨陶瓷材料廣泛應(yīng)用于研磨拋光材料、耐磨涂層、管道或設(shè)備內(nèi)襯、結(jié)構(gòu)件等領(lǐng)域,其耐磨性能直接決定機(jī)械設(shè)備和零件的安全使用壽命。 常見的耐磨陶瓷材料有氧化鋯、氧化鋁、立方氮化硼、氮化硅、碳化硼、碳化硅等。
        為了獲得耐磨性能更好的耐磨陶瓷材料,許多學(xué)者對陶瓷材料的磨損機(jī)理及影響陶瓷耐磨性能的因素進(jìn)行了研究。 一般來說,陶瓷的耐磨性受兩個因素影響,一是材料本身的結(jié)構(gòu),二是載荷、溫度、氣氛等外界因素。
 

1、力學(xué)性能對陶瓷耐磨性的影響

        在早期對陶瓷材料耐磨性能的研究中,認(rèn)為陶瓷材料的硬度與耐磨性能密切相關(guān)。 后來發(fā)現(xiàn),陶瓷的硬度和磨損之間的關(guān)系并不是那么明顯。 例如,氧化鋁陶瓷的硬度高于TZP氧化鋯陶瓷,但耐磨性不一定高于TZP陶瓷。
        雖然硬度在一定程度上可以反映晶界的結(jié)合強(qiáng)度,但磨損最終是由于材料脫離磨損面而形成的,因此陶瓷材料的硬度不再作為衡量磨損的預(yù)測指標(biāo)。 有研究表明,隨著材料斷裂韌性和硬度的提高,陶瓷的磨損率逐漸降低,耐磨性更好。
 

2、微觀結(jié)構(gòu)對陶瓷耐磨性的影響

        一般來說,材料的微觀結(jié)構(gòu)往往對材料的宏觀性能有很大的影響。 陶瓷材料是由晶粒和晶間組成的燒結(jié)體,其微觀結(jié)構(gòu)往往決定其宏觀性能。 許多研究表明,陶瓷材料的耐磨性與晶粒尺寸、晶界相組成、晶界應(yīng)力分布、氣孔等微觀結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系。
 

 

3、晶粒

        在工業(yè)上,金屬材料可以通過細(xì)化晶粒來提高其力學(xué)性能,稱為細(xì)晶強(qiáng)化。 主要原理是晶粒尺寸越小,晶界面積越大,晶界分布越呈鋸齒狀,可有效增加裂紋擴(kuò)展路徑,有利于分散材料中的應(yīng)力集中。 發(fā)現(xiàn)晶粒細(xì)化對陶瓷材料的耐磨性有一定的影響。
 

4、孔隙率

        氣孔率對陶瓷的性能有非常重要的影響。 氣孔相當(dāng)于缺陷的存在,會引起應(yīng)力集中,加速裂紋擴(kuò)展,降低晶粒間的結(jié)合強(qiáng)度,從而嚴(yán)重影響陶瓷的力學(xué)性能。 在摩擦作用下,孔隙可能相互連接形成裂紋源,加速材料磨損。
 

 

5、晶界相和晶間雜質(zhì)

        陶瓷由晶粒、晶界相和氣孔組成。 在燒結(jié)過程中,一些添加到陶瓷中的添加劑和雜質(zhì)主要以“第二相”或“玻璃相”的形式存在于晶界,它們的存在會影響晶粒間的結(jié)合強(qiáng)度。 在陶瓷摩擦磨損過程中,晶界處極易產(chǎn)生裂紋。 晶界結(jié)合強(qiáng)度低,在磨損過程中會造成沿晶粒的斷裂,導(dǎo)致整個晶粒被拉出,造成嚴(yán)重的磨損。
        多晶陶瓷的添加劑通常以玻璃相的形式存在于晶界上。 在摩擦過程中,產(chǎn)生的高溫降低了玻璃的粘度,導(dǎo)致塑性變形。 如果相鄰晶界的應(yīng)力不合適,就會在晶界處產(chǎn)生裂紋,造成嚴(yán)重的磨損。
        如果適量的添加劑能在晶界形成第二相,通常有利于材料的耐磨性。 例如,在氧化鋁中加入氧化鋯制成氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷,又稱ZTA陶瓷。 由于T-ZrO2應(yīng)力誘發(fā)臨界應(yīng)力的增加有利于陶瓷材料斷裂韌性和強(qiáng)度的提高,氧化鋯和氧化鋁可以抑制晶粒長大,在微觀結(jié)構(gòu)上達(dá)到微晶化的效果,從而進(jìn)一步 提高耐磨性。
 
??文/黃永泉(譯)
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