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氧化铝陶瓷“耐磨”的秘密,中国化工网,okmart.com
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氧化铝陶瓷“耐磨”的秘密
2021年03月30日    阅读量:     新闻来源:中国化工网 okmart.com  |  投稿

“摩擦”是一种相当常见的现象,时时刻刻伴随着人类的活动,如走路需要摩擦、汽车的行驶需要摩擦、火车的奔跑也需要摩擦。这种相对运动造成的物理现象看似对人类很友善,但其实也经常露出狰狞的一面。


比如说在工业上,两个物体之间的“摩擦”往往是有害的,会导致物体接触表面的磨损,严重的磨损甚至会使得正常工作的运动机构失效中国化工网okmart.com。为了应对这个工业大敌,人们往往会使用具备优良耐磨性能的先进陶瓷材料作为普通金属或塑料的代替,或在易损工件的表面覆盖上耐磨陶瓷提高其耐久性能。


与普通金属或塑料相比,耐磨陶瓷具有以下优势:硬度大、强度高、耐磨性能好,超出锰钢,高铬钢100倍以上、耐高温、耐酸碱腐蚀、重量轻,仅为钢铁的一半,可以大大降低设备的负荷。而在这其中,氧化铝陶瓷因具有十分亲民的价格,相当适合工业应用,已成为该领域最常使用的耐磨材料之一,在矿石破碎处理系统、原材料粉磨系统、高速切削等比较“狂野奔放”的场合随处可见。

氧化铝陶瓷“耐磨”的秘密 中国化工网,okmart.com

氧化铝陶瓷衬板


由于陶瓷材料摩擦磨损性能对其能否良好地服役至关重要,因此要想要氧化铝陶瓷“驾驭”住摩擦,就必须要去认识及研究它与摩擦之间的关系。


氧化铝陶瓷与摩擦的关系


Evans曾对影响陶瓷材料磨损率的因素进行系统研究,发现陶瓷材料的硬度和断裂韧性是影响其磨损率的关键因素,且具有高硬度和断裂韧性的陶瓷材料磨损率较低。针对提高陶瓷材料硬度和断裂韧性的目标,各国学者开展了大量的研究工作,具体可分为以下几个方面进行分析:


1.陶瓷晶粒尺寸


氧化铝陶瓷材料有单相陶瓷和复相陶瓷(即在基体中加入第二相)之分,在晶粒尺寸与陶瓷摩擦学性能相关性研究领域,研究者们主要考察了基体相(或第二相)的晶粒尺寸对陶瓷摩擦学性能的影响。


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氧化铝陶瓷的SEM图


如Roy等研究了亚微米和微米级单相氧化铝陶瓷在生物环境下的摩擦磨损性能,发现在牛血清蛋白环境中亚微米陶瓷的磨损率要远低于微米级陶瓷,且亚微米陶瓷的晶粒拔出和晶界微裂纹明显少于粗晶氧化铝陶瓷。Sedlacek等研究了不同氧化铝基体晶粒尺寸对磨损性能的影响,其中基体氧化铝晶粒尺寸在0.8~4μm之间变化,而第二相SiC为纳米尺寸。研究表明氧化铝基体处于亚微米尺寸时耐磨性能好于晶粒尺寸为微米尺度的纳米复合陶瓷;基体晶粒处于亚微米尺度时,耐磨性与断裂韧性之间没有明显关系,而基体处于微米尺度的氧化铝复相陶瓷的磨损率随着硬度增加而下降。


显然,通过上述例子可看出,通过细化晶粒可有效帮助提高材料结构均匀性,包括提高材料致密度,降低材料缺陷等。


2.第二相材料


在氧化铝复相陶瓷摩擦学性能研究领域,组分复合化,即通过添加各种第二相、颗粒(或晶须)形成复合材料也是提升氧化铝陶瓷摩擦学(或切削)性能的主要途径。根据不同的影响机制,可分为第二相自润滑机制、第二相晶界增强作用、第二相摩擦化学反应机制等几种类型。


①第二相自润滑机制


在Al2O3陶瓷基体中引入石墨、CaF2、PbWO4、MoS2、BN、软金属等第二相固体润滑剂能有效地降低材料的摩擦因数,从而提高材料的摩擦学性能。邓建新等在Al2O3/TiC复合陶瓷基体中引入了10%CaF2固体润滑剂,通过切削和摩擦实验都发现:CaF2在摩擦表面被挤压涂抹成自润滑膜,自润滑膜能有效地阻止材料与摩擦副之间的黏着作用,降低摩擦因数,起到自润滑作用。


②第二相晶界增强作用


在氧化铝陶瓷基体中引入第二相(主要是颗粒及晶须),利用弥散颗粒与基体材料间热膨胀系数的差异,在材料制备冷却过程中产生残余应力,达到晶界增强的作用,当裂纹沿晶界扩展时,不仅要克服基体材料固有的晶界能,还要克服残余压应力所带来的附加能量,因而增加了裂纹扩展抗力;另一方面,由于第二相颗粒的热膨胀系数小于基体的热膨胀系数,材料冷却过程中会产生体积效应,在第二相颗粒周围将产生微裂纹,诱导裂纹偏转,使裂纹的扩展消耗更多的能量;此外,一般第二相颗粒都近似呈圆球形,使得裂纹尖端钝化,从而减小应力集中而阻止裂纹扩展,从而提高材料的摩擦学性能。


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晶须增韧机制示意图(左图:拔出桥接机制;右图:裂纹偏转机制)


③第二相摩擦化学反应机制


第二相摩擦化学反应机制是指掺在Al2O3基体中的第二相在与对磨副材料摩擦时与空气中的气体(主要是氧气)或与对磨副材料发生化学反应,产生润滑膜,降低材料摩擦因数,从而提高材料的摩擦学性能。


邓建新等在Al2O3陶瓷基体中引入TiB2颗粒制备Al2O3/TiB2复合陶瓷刀具,刀具在与45#淬硬钢进行切削试验时发现:当切削速度大于120m/min,即切削温度大于800℃时,Al2O3/TiB2复合陶瓷刀具中的TiB2与氧气发生化学反应,生成TiO2和B2O3,由于TiO2的弹性模量和硬度都比基体材料低得多,使得抗剪切强度减小,从而材料的摩擦因数下降,减轻了刀具的黏着磨损,提高刀具的耐磨性。


3.摩擦学机制


不同应用情况下,氧化铝陶瓷表现出的摩擦学机制其实也不同,因此应结合不同的强化方式对症下药。目前针对这一方面,已有研究者们进行了广泛的研究,并取得了一些规律性认识:


邓建新等研究了Al2O3/TiB2、Al2O3/TiC/CaF2两种高温自润滑陶瓷刀具材料的摩擦学机制。研究发现:低速干切削时,Al2O3/TiB2陶瓷刀具的磨损机制表现为黏着磨损和磨料磨损;而在高速干切削时,刀具的磨损机制表现为氧化磨损,刀具表面经由摩擦化学反应生成的反应膜起到固体润滑作用,使刀具的耐磨性能提高,随着TiB2含量和切削速度的增加,反应膜的减摩抗磨作用增强。


姚淑卿等研究了添加不同第二相的3种Al2O3基陶瓷刀具材料的摩擦学性能及机制,研究表明:Al2O3基陶瓷刀具材料的摩擦学特性与添加剂的种类有关,其抗磨性能由大到小顺序依次为Al2O3/SiCw,Al2O3/Ti(C,N),Al2O3/TiC;且材料的摩擦学性能与其硬度(H)、弹性模量(E)和断裂韧性(KIC)有关,磨损率W随E/H增加而增大,随KIC增加而减小;Al2O3/TiC陶瓷刀具材料的磨损机制以黏着磨损为主,Al2O3/Ti(C,N)和Al2O3/SiCw陶瓷刀具材料的磨损机制以磨粒磨损为主。


总结


材料的摩擦磨损性能是一个综合性能的表现,受众多因素影响。但各方面研究都表明,细化晶粒和组分复合化确实能够有效提高氧化铝陶瓷材料的强度和断裂韧性,进而提升其摩擦学性能。若该方面的研究可继续精进,必能有效推动氧化铝陶瓷材料在各个领域中的进一步应用。


资料来源:

Al2O3陶瓷材料的摩擦学研究进展,黄伟九,吴桂森。


标签:化工应用化工原料技术中心今日头条聚合物塑料塑料原料塑料制品
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