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陶瓷材料

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影响陶瓷耐磨性的因素有哪些?

2022-12-29   来源:精城特瓷   作者:黄永泉(译)   阅读:

        耐磨陶瓷材料广泛应用于研磨抛光材料、耐磨涂层、管道或设备内衬、结构件等领域,其耐磨性能直接决定机械设备和零件的安全使用寿命。 常见的耐磨陶瓷材料有氧化锆、氧化铝、立方氮化硼、氮化硅、碳化硼、碳化硅等。
        为了获得耐磨性能更好的耐磨陶瓷材料,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进行了研究。 一般来说,陶瓷的耐磨性受两个因素影响,一是材料本身的结构,二是载荷、温度、气氛等外界因素。
 

1、力学性能对陶瓷耐磨性的影响

        在早期对陶瓷材料耐磨性能的研究中,认为陶瓷材料的硬度与耐磨性能密切相关。 后来发现,陶瓷的硬度和磨损之间的关系并不是那么明显。 例如,氧化铝陶瓷的硬度高于TZP氧化锆陶瓷,但耐磨性不一定高于TZP陶瓷。
        虽然硬度在一定程度上可以反映晶界的结合强度,但磨损最终是由于材料脱离磨损面而形成的,因此陶瓷材料的硬度不再作为衡量磨损的预测指标。 有研究表明,随着材料断裂韧性和硬度的提高,陶瓷的磨损率逐渐降低,耐磨性更好。
 

2、微观结构对陶瓷耐磨性的影响

        一般来说,材料的微观结构往往对材料的宏观性能有很大的影响。 陶瓷材料是由晶粒和晶间组成的烧结体,其微观结构往往决定其宏观性能。 许多研究表明,陶瓷材料的耐磨性与晶粒尺寸、晶界相组成、晶界应力分布、气孔等微观结构有很大关系。
 

 

3、晶粒

        在工业上,金属材料可以通过细化晶粒来提高其力学性能,称为细晶强化。 主要原理是晶粒尺寸越小,晶界面积越大,晶界分布越呈锯齿状,可有效增加裂纹扩展路径,有利于分散材料中的应力集中。 发现晶粒细化对陶瓷材料的耐磨性有一定的影响。
 

4、孔隙率

        气孔率对陶瓷的性能有非常重要的影响。 气孔相当于缺陷的存在,会引起应力集中,加速裂纹扩展,降低晶粒间的结合强度,从而严重影响陶瓷的力学性能。 在摩擦作用下,孔隙可能相互连接形成裂纹源,加速材料磨损。
 

 

5、晶界相和晶间杂质

        陶瓷由晶粒、晶界相和气孔组成。 在烧结过程中,一些添加到陶瓷中的添加剂和杂质主要以“第二相”或“玻璃相”的形式存在于晶界,它们的存在会影响晶粒间的结合强度。 在陶瓷摩擦磨损过程中,晶界处极易产生裂纹。 晶界结合强度低,在磨损过程中会造成沿晶粒的断裂,导致整个晶粒被拉出,造成严重的磨损。
        多晶陶瓷的添加剂通常以玻璃相的形式存在于晶界上。 在摩擦过程中,产生的高温降低了玻璃的粘度,导致塑性变形。 如果相邻晶界的应力不合适,就会在晶界处产生裂纹,造成严重的磨损。
        如果适量的添加剂能在晶界形成第二相,通常有利于材料的耐磨性。 例如,在氧化铝中加入氧化锆制成氧化锆增韧氧化铝陶瓷,又称ZTA陶瓷。 由于T-ZrO2应力诱发临界应力的增加有利于陶瓷材料断裂韧性和强度的提高,氧化锆和氧化铝可以抑制晶粒长大,在微观结构上达到微晶化的效果,从而进一步 提高耐磨性。
 
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