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先进陶瓷应用②:耐磨陶瓷材料及其应用
2022年08月05日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:43
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据统计,摩擦约消耗掉全世界1/3的一次性能源,约有80%的机器零部件都是因为磨损而失效的。机械零部件的磨损失效与摩擦副材料的选用和使用工况密切相关。一般将在摩擦磨损条件下使用,其磨损量小的材料称为耐磨材料;将具有摩擦系数小的材料称为减摩材料;具有摩擦系数大的材料称为摩阻材料。针对不同的工况和机械零部件所要求的摩擦磨损性能,正确选择和使用合适的材料是非常重要的。如在高冲击环境下使用的耐磨材料一般选用高锰钢比较合适,但在小冲击载荷环境中,选用高锰钢就发挥不出高锰钢形变硬化的优势,而选用高铬铸铁则更为合适。此外,不管是减摩材料还是摩阻材料也都希望其同时具有良好的耐磨性能。材料具有好的耐磨性能不仅可延长机械零部件的使用寿命,减少零部件的更换及工人的劳动强度,而且可以节省能源和材料资源。所以,针对不同工况和机械零部件性能要求,正确选择耐磨材料在提高机械设备性能、节约能源等方面具有重要意义。

耐磨陶瓷及应用案例举例

氧化锆研磨桶

氧化锆研磨桶(华创精细陶瓷)

上一篇帖子分享了粉体工程的耐磨陶瓷应用案例,本篇来整理一下的耐磨陶瓷种类有哪些~

耐磨材料种类有哪些?

耐磨材料的种类很多,按照材料的化学构成可将其分为金属耐磨材料、陶瓷耐磨材料、聚合物耐磨材料和耐磨复合材料;按照材料结构可以分为整体耐磨材料和表面耐磨材料;按照耐磨材料的使用温度不同可分为常温耐磨材料和高温耐磨材料。

①金属材料。金属材料又可分为耐磨钢和耐磨铸铁。常用的有耐磨合金钢、高锰钢、轴承钢和工具钢等。除高锰钢是靠形变硬化提高耐磨性以外,其他耐磨钢主要是通过加入碳化物形成元素,与碳形成碳化物来提高钢的硬度和钢的耐磨性。目前,耐磨钢的发展趋势是微合金化(如加入B、Ti、Nb、V等)强化、稀土改性和复合化强化,这些微量元素在钢中形成化合物,如在钢中加入B等微量元素形成硼化物,加入Ti、Nb、V等形成高硬度碳化物提高钢的耐磨性。在铸造过程中加入WC和AlO。等颗粒强化钢基体形成钢基复合材料。

②陶瓷材料。用作耐磨陶瓷的材料主要有氧化物陶瓷、碳化物陶瓷和氮化物陶瓷等,典型的耐磨陶瓷有氧化铝、碳化硅、氮化硅等。陶瓷材料很脆,因此耐磨陶瓷材料的增韧是研究的主攻方向。硬质合金也称为金属陶瓷,是WC或TiC颗粒增强Co基合金,常用作刀具、磨具等要求非常耐磨的部件。

③聚合物耐磨材料。聚合物耐磨材料主要有尼龙、聚氨酯、环氧树脂和橡胶等。聚合物材料的不足是硬度低和使用温度低,因此常用陶瓷颗粒或纤维进行强化以提高其强度和耐磨性。

为经济目的,现代企业通常采用高速工艺技术,工厂的效率是由下列参数决定的∶装备特性和耐用性;投资成本、运行成本、维护和维修费用,其中最重要的是生产中安全可靠,和减少维修。所以,减少高速运行设备的磨损和腐蚀是非常重要的。由于陶瓷材料杰出的特性,采用陶瓷能解决许多应用中所要求的耐磨和耐腐蚀的问题。与金属材料和聚合物相比,陶瓷具有较好的耐磨性能、耐腐蚀性和绝热性。

常见的耐磨陶瓷种类

一、氧化物陶瓷

1、氧化铝陶瓷

氧化铝陶瓷通常是指以α-氧化铝为主晶相的陶瓷材料。根据氧化铝含量的不同,有75瓷、85瓷、90瓷、95瓷和99瓷等牌号。以α-氧化铝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Al2O3晶体结构有十余种,但主要的有三种,在1300℃以上的温度时其它晶相几乎完全转变为α-Al2O3

氧化铝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(Cr15Mo3)的5倍多。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。

氧化铝球磨机耐磨衬砖及研磨介质

氧化铝球磨机耐磨衬砖及研磨介质

氧化铝陶瓷气流分级轮

氧化铝陶瓷气流分级轮(左,苏州珂玛)

2、氧化锆陶瓷

氧化锆研磨介质的密度高(氧化铝球比重约3.6g/cm3,氧化锆球比重约6.0g/cm3),强度和韧性很高,因此具有优异的耐磨性和非常高的研磨效率,并可防止物料污染,特别适用于湿法研磨和分散的场合,目前己广泛应用于陶瓷、磁性材料、涂料、油墨、医药食品等工业领域。例如:高级汽车漆、手机漆、喷墨油墨、高级化妆品等。氧化锆研磨珠凭借其高比重(氧化铝球比重约3.6g/cm3,氧化锆球比重约6.0g/cm3)、韧性大、优异的耐磨损性,逐步成为目前市面上使用最广泛的研磨介质。

铈稳定氧化锆研磨珠

铈稳定氧化锆研磨珠(来源:广州柏励司研磨介质)

在粉体工程中,氧化锆除了作为研磨介质,其另外一个重要应用便是作为砂磨机的配件关于砂磨机大家都不陌生,它的任务就是研磨。一台优秀的砂磨机,需要具备研磨效率高,设备性能稳定,产品质量高等优势。为了确保这些优势,就得对其配件提出要求:一,具有耐磨的性能,即研磨时磨损率低,不会对研磨产品造成严重污染;二,硬度够大,才能确保研磨的高效性。而在陶瓷件中,氧化锆是目前适用范围比较广的,也是应用在砂磨机内最成熟的陶瓷配件。在目前工艺较为成熟的四大金刚材料,氧化锆、氧化铝、碳化硅、氮化硅中,氧化锆的韧性最佳,在高速旋转的砂磨机中,作为转子优势更加明显。因为高速旋转的过程,转子和物料进行的接触磨削过程中,很容易导致陶瓷件出现裂纹,久而久之会致使陶瓷件断裂,唯有氧化锆陶瓷能够满足这种特殊使用工况的使用韧性,陶瓷转子的应用满足了许多无铁磁污染、高纯超细粉体的制备与应用需求。

氧化锆砂磨机零件

耐磨抗揍的氧化锆砂磨机零件

3、氧化氧化铝铝复陶瓷

氧化铝瓷球因其硬度高,化学性质稳定,价格适宜,受到广泛应用;氧化锆研磨球因其比重大,韧性好,也受到诸多市场的应用,但Al2O3陶瓷的脆性问题严重阻碍氧化铝陶瓷的应用和发展,近年来研究者们试图通过添加第二相来改善氧化铝陶瓷的力学性能。

氧化铝硬度高,氧化锆韧性好。两种材料形成高强高韧的优良复合材料,应用更加广泛。ZTA陶瓷在常温下具有较高的抗弯强度和断裂韧性,因此氧化锆增韧陶瓷具有优良的耐磨性。这种复合陶瓷材料既显现出氧化锆陶瓷高韧性和高强度的特性,又保留了氧化铝陶瓷高硬度的优点,而且随着这种综合力学性能的提高,其耐磨性也得到了较大的改善,两种材料的具体配比可根据用户的实际使用要求进行调整。氧化锆增韧氧化铝陶瓷性能优于99氧化铝陶瓷,价格低于氧化锆陶瓷。锆铝陶瓷研磨体/耐磨衬片引入微量元素锆改性增韧,利用相变增韧,形成多晶结构,强度和韧性提高,耐磨性好,使陶瓷研磨体/耐磨衬片的抗冲击韧性能力大幅度提高。

锆铝复合研磨介质

锆铝复合研磨介质(右)淄博启明星

二、碳化物陶瓷

碳化物陶瓷由于自身具有高硬度、高强度以及高耐磨性等特点,因而广泛的应用于耐腐蚀、耐磨损的高温环境中,常见的有碳化硅、碳化硼等高耐磨陶瓷。

1、碳化硅陶瓷

碳化硅陶瓷以其优异的性能广泛应用于国防、机械、冶金、电子等工业领域。在众多的陶瓷材料中,碳化硅由于其硬度高、耐高温、热稳定性好、热膨胀系数低以及优良的热传导性能,一直是材料科学研究的热点。碳化硅相比氧化锆应用于砂磨机研磨筒,至少有散热快,成本低,更耐磨等几个优势。散热快的优势,可以防止物料在研磨体内因温度过高发生团聚,从而提高研磨效率。在耐磨方面,碳化硅有出色的表现,但其也有韧性不足,容易碎裂的缺点,要做成大桶是相当不容易的。

直径800mm碳化硅研磨陶瓷

散热好又耐磨的砂磨机研磨内桶-直径800mm碳化硅研磨陶瓷

2、碳化硼

热压碳化硼、属非金属难熔化合物,是人造磨料中最硬的物质之一,热压制品有很高的耐磨能力,灰黑色有光泽。碳化硼陶瓷具有良好的耐磨性能,因此在耐磨领域具有重要应用,应用碳化硼陶瓷制作的喷嘴,在严酷条件下具有较长的使用寿命,远高于氧化铝、碳化钨等材料制作的喷嘴。

在粉体工程单元操作中,用离心式喷雾干燥器制取陶瓷粉料,具有污染小、 干燥速度快、 含水量均匀、 颗粒粒度分布狭窄、 粉体流动性好等优点,但很多陶瓷粉硬度较高,对高速旋转的离心喷头磨损严重,使用碳化硼可以有效提升喷头的使用寿命。

超耐磨的碳化硼喷头 

超耐磨的碳化硼喷头

三、氮化物陶瓷

1、氮化硅陶瓷

氮化硅陶瓷比重小,热膨胀系数低,抗热冲击性好,断裂韧性高,在航天航空、汽车发动、机械、化工等领域都有着广泛的用途,尤其是作为新型高温结构材料更是优势明显。

在粉体工程领域,氮化硅气流粉碎机分级轮的密度为3.2g/m,自身本体重量是金属材质的2/3。氮化硅分级轮的最大的使用特点是防止金属污染,另外比重比氧化锆陶瓷小40%,不但也可以大大降低电机能耗,也对电机要求小,在现有电机下可以实现超频,以得到粒径更细的颗粒。

轻量耐磨的氮化硅陶瓷分级轮

轻量耐磨的氮化硅陶瓷分级轮(新疆新特能源)

氮化硅作为一种新型的磨介在进入工业应用领域,凭借着极低的磨损率及优异的力学性能等,备受关注,尽管受限于氮化硅的成本及加工水平等原因,氮化硅的应用并没有那么广泛,而且氮化硅比重比较小并不利于高效研磨,但研磨介质的使用的低磨损量要求来说,氮化硅还是一个及其有潜力的研磨材料。

氮化硅磨介

用了十年的氮化硅磨介,磨损量只有一丢丢

(广州石潮特种陶瓷用过的研磨介质)

2、氮化铝

氮化铝陶瓷拥有高硬度和高温强度性能,可用作切割工具、砂轮和拉丝模以及制造工具材料、金属陶瓷材料的原料。还具有优良的耐磨损性能,可用作耐磨损零件,但由于造价高,只能用于磨损严重的部位。将某些易氧化的金属或非金属表面包覆AIN涂层,可以提高其抗氧化、耐磨的性能;也可以用作防腐蚀涂层,如腐蚀性物质的处理器和容器的衬里等。

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粉体圈编辑:Alpha

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