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抗磨陶瓷材料有哪些?
2023年03月30日 发布 分类:粉体入门 点击量:1148
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高性能结构陶瓷具有高强、高韧、低密度、高硬和 耐高温抗蠕变、耐磨损、耐腐蚀和化学稳定性好等优异的性能,已逐步成为尖端技 术不可缺少的关键材料,如氮化硅基复相陶瓷及碳化硅表面梯度复相陶瓷都是陶 瓷发动机的最佳选材;氧化错复相陶瓷具有高的室温强度和断裂韧性,可以用它来 制作陶瓷发动机的活塞顶。在耐磨部件的研制中,人们已经逐渐认识到陶瓷耐磨 部件的优点,已有不少金属部件被陶瓷部件取代并有良好的效果。此外高性能结 构陶瓷还广泛应用于其它行业,在军事上用陶瓷作装甲材料;利用陶瓷良好的抗腐 蚀和抗热震性,使其成为高温热交换器的理想材料;由于高性能结构陶瓷的耐磨、 耐腐蚀、高强度、低磨擦系数以及生物相容性,在生物医学领域有了广阔的发展空 间;在涂层方面和隔热方面,高性能结构陶瓷也充分显示了它的功效。

高性能结构陶瓷主要有氧化物陶瓷、碳化物陶瓷和氮化物陶瓷,如氧化铝 )、二氧化锆、碳化硅、碳化硼、氮化硅、氮化硼等,为了提高陶瓷材料的韧性、抗切削等性能,也研究并制备了许多增韧陶瓷、复相陶瓷等。

氧化铝(AI2O3)陶瓷

氧化物陶瓷材料的原子通常以离子键结合为主,存在部分共价键,可以是一种元素的氧化物(如Al2O3.ZrO2),也可以是包含几种阳离子的氧化物(如莫来石 3A12O3 - 2SiO2)o由于大部分氧化物陶瓷具有高硬度、高熔点,优异的化学稳定 性和抗氧化性,良好的电绝缘性,在工业生产中得到了较广泛的应用。

1.陶瓷的晶体结构

氧化铝有许多同质异晶体,但主要的有三种 α- Al2O3、β- Al2O3、γ- Al2O3 。以α- Al2O3为主晶相的陶瓷材料具有很高的硬度和机械强度,良好的抗磨性,热导性,耐电强度和绝缘电阻高,介质损耗小,电性能随温度和频率的变化较稳定等优良性能,而且制造方便,表面均匀平整,被广泛用作电绝缘材料。

到目前为止,已发现的氧化铝晶体结构有十余种,但主要的有三种,即α- Al2O3、β- Al2O3和γ- Al2O3,在1300℃以上的温度时其它两种氧化铝几乎完全转变为α- Al2O3

α- Al2O3,属三方晶系,也称刚玉型结构,是Al2O3晶型中最稳定的结构。其结构为氧离子呈密排六方结构,铝离子则占据八面体空隙的三分之二。在一个密排六方晶胞中每层有六个氧离子,其中四个八面体空隙中填充了铝离子,形成了具有刚玉结构的α- Al2O3

 Al2O3陶瓷通常是指以α- Al2O3为主晶相的陶瓷材料。根据Al2O3含量的不同,有75瓷、85瓷、90瓷、95瓷和99瓷等牌号。

2.氧化铝陶瓷的耐磨性

Al2O3陶瓷材料由于来源广,价格便宜,抗磨性好,所以在工业中得到的应用最广。研究表明,95% Al2O3陶瓷材料的抗冲蚀磨损性能为高铬铸铁的5倍多,试验结果如表1所示。对于摩擦磨损,氧化铝含量较低时,氧化铝含量对氧化铝陶瓷的耐磨性产生影响,随Al2O3含量提高,其耐磨性提高,并且在湿 磨时效果更显著,如表2所示。

表1 95% Al2O3陶瓷与高铬铸铁抗冲蚀磨损性能对比


表2 不同条件下気化铝厲瓷的磨损性能

碳化硅(SiC)陶瓷

1.SiC陶瓷的晶体结构

SiC主要有两种结晶形态,即α-SiC和β-SiC。α-SiC属六方结构,是高温稳定的晶型;β-SiC属面心立方结构,是低温稳定的晶型。碳化硅是共价键很强的化合物,离子键约占12%,其晶体结构的基本单元是碳硅四面体,面心体中心有一个硅原子,周围环绕着四个碳原子。

α-SiC是高温稳定型,β-SiC是低温稳定型,在2100℃ ,β-SiC转变为α- SiC。通常2000℃以下合成的SiC主要是β-SiC,而2200℃以上合成的主要是α-SiC。不同晶型SiC的晶格常数如表3所示。

表3 几种SiC晶型的晶格常数


2.SiC陶瓷的耐磨性

SiC陶瓷高温强度高、抗蠕变、硬度高、耐磨、耐腐蚀、抗氧化、优异的热稳定性,1 400°C以上是最有价值的高温结构陶瓷,具有十分广泛的应用领域。

(1)摩擦磨损性能

碳化硅陶瓷材料的摩擦学性能除了受载荷、滑动速度、空气湿度、润滑条件、环 境温度、气氛及对磨件的影响外,还受其制备工艺、元素或化合物掺杂、第二相粒 子、气孔率、颗粒尺寸等影响。

热压碳化硅和烧结碳化硅陶瓷自配副在较干燥环境摩擦时,其摩擦系数一般 较高,为0.8左右。随着空气相对湿度的增大,摩擦表面生成的SiO2与H2O反应生成硅凝胶,由此使其摩擦系数降到0.25左右。在干燥环境下掺杂元素对摩擦系数影响较大,但相对湿度增大后,掺杂元素对摩擦系数的影响就很小,

(2)磨料磨损性能

尽管碳化硅陶瓷具有较高的硬度和强度,但对其磨料磨损特性的研究仅集中 在冲蚀磨损和少量三体磨料磨损试验中。碳化硅陶瓷的磨料磨损也受其显微结构和外界条件所影响。

在ASTM B-611型磨损试验机上,无压烧结碳化硅与45钢磨轮以不同磨料 进行的三体磨料磨损中,随磨料硬度的提高,碳化硅陶瓷的磨损量增大,而随碳化硅陶瓷密度增大,其磨损量降低,如下图所示。


磨料对无压烧结碳化硅耐磨性能的影响

氮化硅陶瓷

氮化硅(Si3N4)有两种晶型,即α—Si3N4和β—Si3N4,均属六方晶系,两者都是由[SiO4]四面体共用顶角构成的三维空间网络,α相在高温下可转变为β相,但一般认为两相在结构上只有对称性的差别(β相对称性较高),而无高低温相之分。

表4 氮化硅晶格常数和密度

在不同SiC磨粒粒径冲蚀磨损条件下Si3N4陶瓷的抗冲蚀磨损性能均为高铬铸铁的19〜21倍,如下图所示,且金属材料失去主要以腐蚀、切 削,冲击坑及晶粒剥落等为主,有一定方向性。Si3N4在各冲蚀磨损条件下其磨损表面都比较光滑,只是在粗磨粒冲蚀磨损时表面有少量粘接相失去,表现出优越的抗冲蚀磨损性能。Si3N4陶瓷的韧性高、结构致密、晶粒细小并有细小柱状晶存在是其抗冲蚀磨损性能优越的主要原因。



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