耐磨陶瓷材料廣泛用于研磨拋光材料、耐磨涂層、管道或設(shè)備內(nèi)襯、設(shè)備結(jié)構(gòu)件等等領(lǐng)域，其耐磨性能的好壞直接決定了機(jī)械設(shè)備及零件等的安全使用年限。常見(jiàn)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、等等。
為了獲取耐磨性能更為優(yōu)異的
耐磨陶瓷材料，許多學(xué)者對(duì)陶瓷材料的磨損機(jī)理及影響陶瓷耐磨性能的因素做了研究，并提出來(lái)了許多觀點(diǎn)及結(jié)論。總的來(lái)說(shuō)，影響陶瓷耐磨性能額因素有兩方面：1、材料本身的組織結(jié)構(gòu)；2、外部因素如載荷、溫度以及氣氛等。 本文將從材料的自身結(jié)構(gòu)出發(fā)，對(duì)耐磨材料的耐磨的影響因素進(jìn)行簡(jiǎn)析。
一、力學(xué)性能對(duì)陶瓷耐磨性能的影響
在早期研究陶瓷材料的耐磨性能時(shí)，人們認(rèn)為陶瓷材料的硬度跟磨損性能有很大的關(guān)系，后來(lái)發(fā)現(xiàn)，陶瓷的硬度和磨損的關(guān)系并不是那么的明顯，例如氧化鋁陶瓷的硬度要高于TZP氧化鋯陶瓷，但耐磨性能并不一定高于TZP陶瓷。
硬度雖然在一定程度上能夠反應(yīng)晶界的結(jié)合強(qiáng)度，但磨損最終是由于材料脫離磨損表面而形成的，因此陶瓷材料的硬度不再作為衡量磨損的一個(gè)預(yù)見(jiàn)性指標(biāo)。
也有研究報(bào)道，陶瓷材料的脆性直接影響磨損率。有研究表明，隨著材料斷裂韌性的和硬度的提高，陶瓷的磨損率逐漸的降低，耐磨性越好。
二、陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)對(duì)耐磨性能的影響
通常情況下，材料的微觀結(jié)構(gòu)往往會(huì)對(duì)材料的宏觀性能有著極大的影響。陶瓷材料是晶粒和晶間組成的燒結(jié)體，其顯微結(jié)構(gòu)往往決定著其宏觀性能。有許多研究表明，陶瓷材料的耐磨性能與晶粒的大小，晶界相的組成，晶界上的應(yīng)力分布，氣孔等等顯微結(jié)構(gòu)有著極大的聯(lián)系。
1. 晶粒的尺寸對(duì)陶瓷耐磨性能的影響
工業(yè)上，金屬材料可以通過(guò)細(xì)化晶粒的方式來(lái)使其力學(xué)性能提高，這就是所謂的細(xì)晶強(qiáng)化。其原理主要在于晶粒的粒徑越小，晶界的面積也就越大，晶界的分布也就會(huì)越曲折，可以有效的增加裂紋擴(kuò)展的路徑，有利于分散材料內(nèi)部的應(yīng)力集中現(xiàn)象。人們通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，晶粒細(xì)化對(duì)陶瓷材料的耐磨性能也有這一定的影響。
學(xué)者們對(duì)氧化鋁及
氧化鋯耐磨陶瓷的耐磨性進(jìn)行研究中發(fā)現(xiàn)，較小晶粒以是塑性變形和部分的穿晶斷裂為主，磨損較少；較大晶粒則以材料內(nèi)部沿晶斷裂，甚至大晶粒從材料內(nèi)部拔出的方式發(fā)生較大的的磨損。而大尺寸的晶粒的拔出，將對(duì)陶瓷表面造成較大的缺陷，使材料的容易造成應(yīng)力集中,產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展,而使材料發(fā)生低應(yīng)力脆性斷裂。
2. 氣孔率對(duì)陶瓷耐磨性能的影響
氣孔對(duì)陶瓷的性能有著很重要的影響，氣孔相當(dāng)于一種缺陷的存在，它會(huì)造成應(yīng)力的集中， 加速裂紋的擴(kuò)展，降低晶粒之間的結(jié)合強(qiáng)度，嚴(yán)重影響陶瓷制品的力學(xué)性能。在摩擦力的作用下氣孔之間可能會(huì)彼此連接起來(lái)形成裂紋源，加速材料的磨損。
此外，有研究發(fā)現(xiàn)在不同的載荷下，陶瓷的磨損率并不一樣，在低載荷時(shí)氣孔不會(huì)造成裂紋的擴(kuò)展；而在高載荷的情況下，氣孔變得不穩(wěn)定，會(huì)在氣孔處形成裂紋及擴(kuò)展裂紋，導(dǎo)致制品磨損率極高，抗磨損突變能力變?nèi)酢?/div>
3. 晶界相以及晶間雜質(zhì)的影響
陶瓷是由晶粒，晶界相和氣孔等組成，在燒結(jié)的過(guò)程中，加入到陶瓷當(dāng)中的一些添加劑和一些雜質(zhì)成分主要是以“第二相”或者“玻璃相”的形式存在于晶界上，他們的存在會(huì)對(duì)晶粒之間的結(jié)合強(qiáng)度造成一定的影響。在陶瓷摩擦磨損的過(guò)程中，裂紋很容易在晶界處產(chǎn)生。較低的晶界結(jié)合強(qiáng)度會(huì)造成在磨損過(guò)程中的沿晶斷裂，引起整片晶粒的拔出，造成嚴(yán)重磨損。
多晶陶瓷的添加劑一般會(huì)以玻璃相的形式存在于陶瓷晶界上，在摩擦的過(guò)程，產(chǎn)生的高溫會(huì)降低玻璃的粘度，從而引發(fā)塑性變形，若鄰近的晶界的應(yīng)力不能相適應(yīng)則會(huì)引發(fā)晶界處的裂紋，引發(fā)嚴(yán)重磨損。
如果適量的添加劑可以在晶界處形成第二相，則往往是有利于材料的耐磨性能的，例如往氧化鋁中加入氧化鋯，做成氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷又名ZTA陶瓷，由于t-ZrO2應(yīng)力誘導(dǎo)相變臨界應(yīng)力的提高有利于陶瓷材料斷裂韌性和強(qiáng)度的改善，在微觀結(jié)構(gòu)方面， 氧化鋯和氧化鋁又能相互抑制晶粒長(zhǎng)大，達(dá)到微晶化效果。進(jìn)一步提高耐磨性能。湖南精城特種陶瓷有限公司生產(chǎn)的ZTA陶瓷在耐磨陶瓷領(lǐng)域的成功應(yīng)用就是很好的例子。
??文/湯志軍
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