耐磨陶瓷

耐磨陶瓷（精选7篇）

耐磨陶瓷 篇1

引言

新型耐磨陶瓷材料以其优良的性能使之在工业设备及管道上的应用越来越广泛[1,2,3], 通过对普通金属材料的替代, 使设备的使用寿命、连续生产能力等方面都有了极大的提高。现在国内外工程陶瓷领域的耐磨陶瓷部件多为氧化铝、氧化锆、碳化硅、氮化硅等材质, 比如陶瓷耐磨部件, 陶瓷刀具, 陶瓷喷嘴, 陶瓷轴承等一批陶瓷耐磨部件已经在市场上出售。耐磨陶瓷材料需要有的较高的高温强度和断裂韧性, 以及良好的耐冲蚀性能和化学稳定性。在耐磨零部件制造材料中, 氧化铝陶瓷是耐磨陶瓷材料的典型代表。中国特陶企业集中分布在北京、上海、天津、江苏、山东、浙江、福建、广东等沿海城市和地区以及华中部分城市地区, 西南西北等偏远地区以原军工三线企业为主。在特陶种类上, 中国几乎对所有耐磨陶瓷材料都进行着研究、开发和生产。在尖端高技术陶瓷的理论研究和实验水平处于世界先进行列, 高温超导陶瓷就是一例。

1 耐磨陶瓷性能及特点

耐磨陶瓷主要具有以下几个方面的主要性能和特点[2]:

(1) 硬度大、强度高。经江苏省陶瓷耐火材料质量监督检测宜兴站测定, 其洛氏硬度为80~90, 抗压强度高, 超过550MPa。

(2) 耐磨性能好, 使用寿命长。经测定, 其耐磨性相当于锰钢的180倍, 高铬铸钢的118倍, 广大用户的使用证明:耐磨陶瓷的运用大大延长了设备使用寿命, 减少了设备维修频次, 节省了大量的人力、物力、财力。

(3) 抗冲击。使用晶须纤维增韧技术, 可提高陶瓷韧性1倍以上。增韧陶瓷配方确保陶瓷不易破碎, 独特的球面设计以及优质的缓冲层, 可抵抗大块物料冲击。

(4) 耐高温。粘接牢固、耐热性能好, 陶瓷片采用耐热强力胶粘贴在设备内壁。该粘合剂在350℃下可长期运行不老化, 用于粘固型产品的无机粘合剂耐温750℃。粘合剂耐温性能和粘接力性能指标在国内遥遥领先。

(5) 防脱落。每块陶瓷可设有高强度耐磨螺柱, 采用专业的螺柱焊焊接工艺, 通过陶瓷焊接在底部钢板, 配合强力粘胶粘接, 双重保险, 防止脱落。

(6) 重量轻。耐磨陶瓷密度约为3.6g/cm3, 仅为钢铁的一半, 可大大减轻设备负荷。

(7) 易安装。这一新产品灵巧、轻便, 能划割, 能扭曲, 能分解, 可在各种形状的设备上安装。

(8) 使用范围广, 适应性强。凡火力发电厂、钢铁厂、冶炼厂、矿山及水泥厂等企业的制粉、选煤、输料系统、排灰、除尘系统等一切磨损大的机械设备上, 都可以根据不同的需求选择不同类型的产品。江苏大峘集团有限公司制作的矿渣立磨选粉设备上就采用了耐磨陶瓷贴片对部件进行保护, 使用效果良好。

2 耐磨陶瓷磨损机理

按照摩擦表面的润滑状态, 材料的摩擦可分为干摩擦、流体润滑摩擦、边界润滑摩擦以及这几种摩擦交叉的混合摩擦[4,5]。其中在液体介质润滑的情况下, 流体润滑的条件是摩擦面的摩擦系数小于0.05。按照润滑介质的不同, 材料的润滑包括固体润滑、液体润滑和气体润滑 (干摩擦) , 其中液体润滑最为普遍, 按照液体润滑介质的不同, 液体润滑又可分为水润滑、油润滑及其它介质润滑等。研究表明口, 陶瓷在干摩擦条件下的磨损机理主要涉及塑性变形引起的疲劳磨损、脆性断裂和摩擦化学磨损等几种形式。而在液体润滑条件下则以微断裂和摩擦化学磨损为主。

氧化铝陶瓷的磨损机理分为脆性断裂磨损和塑性形变磨损, 前者的磨损特点为沿晶断裂的晶粒脱落, 后者的磨损特点为穿晶断裂的微观切削, 前者的磨损率比后者大得多, 人们希望陶瓷的磨损为塑性形变磨损。陶瓷的内部因素对陶瓷塑性形变磨损机理具有重要的影响。氧化铝瓷球是一种摩擦磨损构件, 其磨损率受内部因素和外部因素的影响, 其中内部因素影响较大。氧化铝陶瓷的耐磨性与自身的材料的力学性能、显微结构的协同作用有着密切的关系, 即与其内部因素 (弹性模量E、硬度H、断裂韧性KIC、晶粒尺寸、晶界和孔隙率) 有关。

3 耐磨陶瓷的应用

耐磨陶瓷在航空航天中的应用研究主要集中在火箭喷嘴的耐热材料, 太空飞船的隔热瓦, 复合工程陶瓷材料以及宇宙飞船的观察窗涂层等, 尤其是对具有轻质耐热耐烧蚀高熔点高强度的陶瓷纤维的研制开发较为关注。

武装直升机在设计中重点强调战场生存力考虑, 在座椅和直升机的关键部位采用了陶瓷复合材料轻质装甲材料, 涉及到的耐磨陶瓷主要是氧化铝陶瓷和碳化硼陶瓷。碳化硼俗称人造金刚石, 是一种有很高硬度的硼化物。由于碳化硼是一种比碳化硅或碳化钨还要硬的固体, 在很久以前它已经作为一种粗砂研磨材料。由于它本身熔点高, 不易铸成人工制品, 但是通过高温熔炼粉末, 它可以加工成简单的形状。在军火工业中可用作制造枪炮喷咀。碳化硼较元素硼容易制造而且价格相对便宜, 其最大的用途就是在军事工业中。碳化硼还可以作为军舰和直升机的陶瓷涂层, 其重量轻并且有抵抗穿甲弹穿透热压涂层成整体防层的能力。还可用于硬质合金宝石等硬质材料的磨削、研磨、钻孔及抛光、金属硼化物的制造及治炼硼钢、硼合金和特殊焊接等。

陶瓷轴承是在航空航天产业中使用较为广泛的一种产品, 具有耐高温、耐寒、耐磨、耐腐蚀、抗磁电绝缘、高转速等特性。陶瓷轴承针对航空航天工业中恶劣环境下的调整、重载、低温、无润滑工况而开发, 是新材料、新工艺、新结构的完美结合。

4 耐磨陶瓷发展趋势

随着移动通信等新一代电子信息技术的迅速崛起, 作为一大批基础电子元器件技术核心的信息功能陶瓷日益成为中国发展相关高技术的需求重点。按照5%的世界市场占有率计, 2010年中国信息功能陶瓷材料及制品的年销售额为300亿元人民币, 对信息通讯产业发展具有举足轻重的作用。

中国是一个稀土大国, 其工业储量占世界总储量的70%以上, 发展稀土耐磨材料中国有着独特的资源优势。例如, 稀土永磁材料全世界的年平均增长率为23%, 而中国高达60%, 1995年全球的钕铁硼永磁材料的生产总量为6000 t, 其中中国为2000 t, 占总量的1/3, 中国西部还拥有一些储量丰富的资源, 如稀土、钨、钛、钼、钽、铌、钒、锂等, 有的工业储量甚至占世界总储量的一半以上, 这些资源均是特种耐磨材料的重要原材料。研究开发与上述元素相关的特种耐磨材料, 拓宽其应用领域, 取得自主知识产权, 将大幅度地提高中国相关特种耐磨材料及制品的国际市场竞争力, 这对实现西部资源的高附加值利用, 将西部的资源优势转化为技术优势和经济优势具有重要意义, 将有力地支持国家的西部大开发。

5 结束语

中国已确定“在发展中解决保护, 在保护环境的基础上实现持续发展”的原则, 签署了有关国际公约, 并通过了国家有关环境保护的法律、法规, 这些都为生态环境材料需求发展创造了有利条件。在未来的五到十年, 中国经济、社会及国家安全对耐磨材料有着巨大的需求, 耐磨材料是关系到中国能否顺利实现第三步战略目标的关键新材料。

摘要：介绍了耐磨陶瓷的现状及其性能特点, 并对其发展趋势进行了展望。

关键词：耐磨陶瓷,氧化铝,磨损机理

参考文献

[1]曹南萍.微晶刚玉瓷的生产[J].陶瓷.2008 (01) :30-31

[2]陈雷.氧化铝耐磨陶瓷在电厂、水泥厂的应用[J].江苏陶瓷, 2006 (2) :33-34

[3]谭咏絮.结构陶瓷[M].北京:轻工业出版社, 1989

[4]李世普.特种陶瓷工业学[M].武汉:武汉工业大学出版社, 1990.

[5]钦征骑.新型陶瓷材料手册[M].南京:江苏科学技术出版社, 1996.

自动生成金属陶瓷耐磨层节能技术 篇2

关键词：节能,金属陶瓷,降低摩擦系数

中国是全世界的工业制造中心, 我国2007年生产金属切削机床就达64.7万台、生产采矿设备246.1 5万吨、炼油化工设备4 4.8万吨, 2 0 0 9年生产的汽车达1300万辆, 首次超过美国成为全球最大的汽车生产国。我国有着世界上最庞大的机床、汽车运输、工业加工设施等机械设备, 这些设备要转动必然会有摩擦, 克服摩擦阻力必然会消耗能量。设备的摩擦系数与摩擦力有着密切的关系, 摩擦系数减少0.1, 则生产中的摩擦阻力就会降低10%, 设备做功的能耗也随之而降低。“自动生成金属陶瓷耐磨层, 降低设备摩擦系数”这项节能技术2007年获中国机械工业科学技术二等奖。

该技术形成的金属陶瓷保护层具有较高的表面光洁度和硬度, 能够降低摩擦系数和机械设备运行过程中的振动噪音, 并可延长设备使用寿命。该技术适用于使用润滑油、润滑脂的机床、工业加工设备、运输车辆等有转动摩擦产生的机械设施。

1 技术原理

自动生成金属陶瓷耐磨层技术是在设备的润滑油中按千分之三比例加入一种降低摩擦系数的合成材料, 该材料是由氧化镍、氧化铬、氧化铝、氧化铁等几种纳米级金属氧化物与羟基硅酸镁在稀土催化剂作用下合成的一种新型材料。含有这种新材料的润滑油被设备的机油泵压送到设备的各个润滑部位。由于设备高速运转和加的高速流动, 滑润油中的新材料微粒与传动轴、轴承、轴瓦等摩擦表面产生的划伤、拉毛等纹路的峰线凸出体产生高速撞击, 撞击产生的瞬间高温使纳米级低摩擦系数材料微粒融化, 落入划伤纹路的凹陷处。这样不断撞掉划伤、拉毛处的峰部, 填平纹路的凹部, 周而复始, 最终在摩擦表面形成一层光滑的金属陶瓷耐磨层。随着摩擦范围内损伤部位的峰部不断被撞平, 润滑油中所含金属陶瓷微粒不断减少, 微粒和峰部相撞的几率不断下降, 直到无法相撞时, 自动生成金属陶瓷耐磨层的进程自动停止。由于金属陶瓷层的摩擦系数比钢铁摩擦系数小很多, 所以设备运转中的摩擦系数得到大幅度降低, 达到降低摩擦损耗、节约能源目的。

2 纺纱机节能效果的测试方案

2009年3月, 仪征市节能监测中心对江苏仪征化纤纺织有限公司一台A513型纺纱机做了应用这种节能技术对比测试, 方案如下:

(1) 在A513C型纺纱机上接入DZFC-1型电能综合分析测试仪和BTVV71型数字式有功电度表;

(2) 在未使用节能技术的A513C型纺纱机上, 测出纺完416个16支纱锭的耗电量及相应的电压、电流等电力参数;

(3) 抽出A513C型纺纱机416个锭子槽里的锭子润滑油, 加入按千分之三比率配制的含纳米级金属氧化物微粒的锭子润滑油, 测出A513C型纺纱机在同等工况、相同负荷条件下5天、10天、15天、2 0天、2 5天后, 纺完4 1 6个1 6支纱锭所用的电量及相应的电压、电流等电力参数。

3 纺纱机节能测试数据

3.1 没使用节能技术条件下的数据 (见表1)

3.2 使用节能技术条件下的数据 (见表2)

4 运行情况与数据分析

A 5 1 3 C型纺纱机于采用“自动生成金属陶瓷耐磨层, 降低设备摩擦系数”节能技术以来, 设备一直平稳运行, 具体情况如下:

(1) A513C型纺纱机经过9个月的运行, 节电率一直稳定在10.1%左右, 设备的噪音有所下降。

(2) A513C型纺纱机生产一个月后, 抽样检查金属陶瓷耐磨层生成状况, 共抽取10根纺锭的转杆, 检查纱锭转杆根部与锭杆槽底部两者摩擦面, 发现每处摩擦面均生成有光滑的、银灰色金属陶瓷耐磨层。

(3) 通过耗电量和节电率的曲线对比分析 (见图1) , 使用节能技术后, 设备的耗电量下降和节电率提高可分为三个阶段:在0~1 5天之间是耗电量下降阶段, 节电率达9.4%;在15~2 0天之间是耗电量缓降阶段, 节电率为0.6%;在20~2 5天之间是停止阶段, 节电率只有0.1%, 总节电率达1 0.1%。

耐磨陶瓷在高温风机叶轮上的应用 篇3

高温风机叶轮设计采用的是耐热钢板,几年来已先后修补了3次、更换了一次叶轮。已经不能长时期地满足窑高产的要求。

陶瓷的硬度HRA一般大于88,最高可达HRA92以上,其耐冲刷、耐磨损性能至少是高铬铸铁的6倍以上,是16Mn钢材的30倍以上,在风机叶轮的工作表面胶粘、镶嵌或焊接一层具有优异耐磨性能的陶瓷,其平均年磨损量不到0.2mm。而1.5mm厚瓷片每平方米仅重5.5公斤,且韧性良好,并适应高温及振动工况下结合牢固可靠、不脱落,其最高使用温度近500℃,同时可使风机的运作效率提高10%～30%。陶瓷片布置示意图见图2。镶嵌耐磨陶瓷的风叶见图3。

陶瓷在水泥厂易磨损件上的使用日益广泛。陶瓷材料的高硬度与金属材料易加工成型有机结合,对水泥厂设备产生积极影响。

耐磨陶瓷 篇4

1 耐磨陶瓷涂料简述

耐磨陶瓷涂料实际上是一种不掺杂任何金属的凝胶型材料, 是将人工合成的原料通过先进的技术和严格的工艺加工制成的散粉状的陶瓷材料, 这种材料中含有耐碱和耐酸的物质。在施工作业的现场, 在这种材料中混杂进特制的胶水, 通过机器或者人工的方式将其涂在机器设备的表层或者内里, 之后会经过一段时间的化学反应, 最终达到与陶瓷相同的硬度和强度, 所以才将其称之为耐磨的陶瓷涂料。它有着很多的特点:

1.1 刚度和强度都很高。

有着很高的刚度和强度的耐磨陶瓷涂料它的主要构成是结合系统以及耐磨骨料, 它的密度很大, 并且存在着明显的缺陷, 其强度可以达到130Mpa, 在这方面, 要远远强于耐火浇注料以及普通的混凝土。它的主要成分是离子化合物和人工化合物, 因为离子键能够牢固的结合, 所以其刚度和强度都非常的大, 对抵御无聊的冲击和剪切具体重要作用, 结合系统则是用复合强化的方式进行特殊的处理, 这种化学结合也能够使其强大得到很大提高。

1.2 有着极强的抗震性及韧性。

耐磨陶瓷涂料所选用的措施是使定向网状和无定向的钢钎维增强, 同时利用耦合来使其韧性又能够得到一定程度上的增强, 能够有效的使受到冲击力后的磨损甚至剥落有所减少。另外, 因为离子键和它的共价键之间的结合属于强结合键, 所以它的键能会比普通键能要高, 低温不会对它产生太大的影响, 并且由于它极高的振动频率, 使得常温也不能够对它产生太大的影响, 所以热震损毁现象在它身上是不会发生的。

1.3 整体性很好。

耐磨陶瓷涂料在措施上采取的是双重强补, 而且很多还采取了多重强补, 这种措施能够使材料的性能得到有效的改善和提升。由于陶瓷材料的膨胀系数很低, 所以它的体积不会发生太大的变化, 相对较稳定, 也不可能会出现产生裂缝的现象, 所以它的整体性很好。并且由于在施工的过程中一般来说都是整体的施工, 不会出现需要接缝的情况, 所以能够使它的整体性得到进一步的提高。

1.4 与环境的相容性很好。

在材料的选用上, 耐磨陶瓷材料采用的是具有耐碱和耐酸性质的人工合成的材料, 所以也不会担心会出现与矿渣发生化学反应的情况, 并且这种材料是在高温下进行的合成, 其结构也会较为完整, 晶体的发育也会相对完善, 这种情况下, 环境的温度不会对它造成太大的影响。另外, 它在材料的属性上属于环境的惰性材料, 所以对环境的敏感程度也相对较差。

1.5 对环境不会造成污染。

耐磨陶瓷涂料为无机非金属材料, 主要成份为硅酸盐, 和地球岩石圈成份相近, 不会造成土质恶化和重金属离子污染, 不会影响生态环境, 是一种绿色环保型的产品。由于具有上述特点, 常温耐磨陶瓷涂料的耐磨性能是16Mn钢的9倍、65Mn钢的8倍、耐火浇注料的45倍, 可适宜于大量推广应用。

2 耐磨陶瓷涂料的施工方法与养护

水泥厂可以根据不同的设备或零件的操作温度, 选用不同种类的耐磨陶瓷涂料, 具体可参见生产商提供的使用说明书。根据磨损介质和冲刷速度的不同, 一般在风管、弯头和旋风分离器处的施工厚度为20mm, 局部磨损严重的部位, 如选粉机下料锥斗、下料溜槽等处, 可以增加施工厚度至30mm或40mm。在施工厚度为20mm的情况下, 经过除油脂、除漆等底层后, 直接在设备母板上焊接钢网, 通常采用花网式焊接, 焊点之间的间距为200~300mm。然后将现场搅拌均匀的耐磨陶瓷干粉、水、钢纤维的混合物涂抹上即可。由于陶瓷涂料的常温固化速度非常之快, 因此, 每次搅拌好后应尽快施工完, 这个施工时间期限根据现场温度的不同, 一般为30~60min。残留的混合物在开始凝固后就不能继续使用了。

在施工厚度超过20mm的情况下, 则需要先在设备母板上焊接隔离钢筋。施工厚度为30mm时, 采用6mm的钢筋;施工厚度为40mm时, 采用8~10mm的钢筋。然后再在钢筋上焊接钢网, 搅拌、涂抹程序与施工厚度20mm时一样。如果是高温情况下的应用, 例如三次风阀门, 则先在阀体上安装耐火浇注料, 其厚度根据母板使用的材质和许可的热耗来确定。然后再在耐火浇注料表面焊接钢网, 涂抹耐磨陶瓷涂料。定向纤维的使用, 增强了耐磨陶瓷涂层的韧性, 使其具有一定的抗形变能力, 因此无论是在现场安装好的设备上施工, 还是在车间里施工完毕后再吊装, 都不会影响它的强度和使用寿命。耐磨陶瓷涂料常温下 (20℃) 养护三天就可以达到所需要的强度和硬度, 就可投入使用。

3 耐磨陶瓷涂料的使用寿命

耐磨陶瓷层的使用寿命与粉尘颗粒的大小、浓度、速度和冲刷角有关, 颗粒越小, 浓度越低, 冲刷速度越低以及冲刷角度越小, 耐磨陶瓷层的使用寿命就越长。通常在矿渣微粉生产线的网管里, 微粉比表面积为420~450m2/kg, 浓度在350g/m3, 速度在28~30m/s, 冲刷角度为30°的情况下, 20mm的耐磨陶瓷层可以使用8~10年。生料磨和熟料磨粉磨的物料比矿渣的易磨性好, 相同的施工厚度, 使用寿命在10年以上。

结束语

实践证明, 应用耐磨陶瓷涂料保护易磨损部位, 施工方便快捷, 耐磨性、耐高温性好, 无剥落现象, 表面几乎无磨损。能够达到设计要求和维护的目的, 大大降低了维护费用和生产成本, 提高了设备的运转率。

参考文献

[1]周婷.耐磨陶瓷涂料的制备及性能研究[D].西安:西安建筑科技大学, 2011.

[2]张巍.水泥窑用耐火材料的研究进展[J].水泥工程, 2013, 2:5-10, 23.

耐磨陶瓷 篇5

陶瓷材料以其特有的性能和丰富的资源优势,已成为继金属材料、高分子材料之后又一重要的工程材料。但是,由于整体陶瓷材料脆性大,可加工性差,一直束缚了其广泛应用。在金属及其合金表面实施陶瓷化涂层,可以在保证原金属材料使用性能的前提下,同时赋予材料表面特殊的性能,拓宽其适用范围。等离子体微弧氧化技术便是一种在金属表面进行陶瓷化改性处理的新方法。铝合金具有密度小、比强度高、导热性能好、抗大气环境腐蚀性能好、易于成形加工等优点,使其在工程界得到广泛的应用,但它的耐蚀性和耐磨性都较差,对其进行相应的表面处理成为亟需解决的问题。等离子体微弧氧化技术是在阳极氧化基础上发展起来的,但两者在机理上、工艺及膜层性能方面都有许多不同[1,2]。与传统的阳极氧化法相比,微弧氧化陶瓷涂层与基体结合牢固,结构致密,具有良好的耐磨、耐腐蚀和电绝缘等特性,应用前景广阔[3,4,5]。本工作在6063铝合金表面制备了微弧氧化涂层,并考察了氧化时间对涂层结构及性能的影响,以为其进一步应用提供参考。

1 试 验

设备为20 kW直流脉冲微弧氧化装置,由微弧氧化电源、电解槽、搅拌系统和冷却系统组成。试样材料为6063铝合金,成分:0.45%～0.90% Mg, 0.20%～0.60% Si, 0.35% Fe, 0.10% Cu, 0.10% Mn, 0.10% Cr, 0.10% Zn, 0.10% Ti,其他为Al(质量分数))。微弧氧化样品为30 mm×25 mm×3 mm的薄片。微弧氧化工艺流程为:砂纸打磨→除油→去离子水漂洗→微弧氧化→自来水漂洗→自然干燥,电解液为分析纯的Na2B4O7·10H2O水溶液,浓度为10 g/L。将试样作阳极浸在处理液中,以带冷却系统的不锈钢容器作为阴极,电源以恒流方式工作,阴阳极电流密度为20 A/dm2,微弧氧化时间为30～90 min。

试验开始时,在直流低电压和工作液的作用下,阳极铝合金表面发生电化学氧化产生有一定电阻率的阳极氧化薄膜。随着时间的延长,电压逐步升高,原因是铝合金表面生成的陶瓷膜越来越厚,因而绝缘性能越来越强,而要维持相同的电流,电压只能是越来越高,直至升高到300 V以上。此时氧化膜绝缘能力更强,在工件的表面形成一层电晕。当电压提高到370 V左右时,将对铝合金表面产生的绝缘膜击穿产生微电弧(电火花)放电,此时可以看到表面上有很多白色的细小火花亮点,此起彼伏,连续、交替转移放电;当电压升高到500 V或更高时,微电弧火花放电的亮点成为蓝白色,更大更粗,而且伴有连续的噼啪放电声。此时,微电弧火花放电通道3 000 ℃以上的高温使铝合金表面熔融的铝原子与工作液中的氧原子发生电、物理、化学反应结合而成Al2O3陶瓷层[6,7,8]。随着试验的进行,弧光的颜色变红,火花变得越来越大。试验中发现,微弧氧化刚开始时膜厚增加较快,以后随着时间的延长逐渐变慢,如果氧化处理的时间足够长,最后微弧氧化膜的厚度将不再增加。

采用Thermo ARL X’TRA型X射线衍射仪(XRD)测定试样的相结构。用Hitachi S - 4700型扫描电镜(SEM)观察试样的表面形貌并进行能谱分析。用HMV - IT显微硬度计测试试样的显微硬度。采用WTM - 2E型球 - 盘摩擦磨损试验机考察试样在干摩擦下的磨损性能,磨损试验配副:Φ 4 mm SiN陶瓷球,载荷10 N,转速336 r/min。采用中国科学院兰州化学物理研究所研制的WS - 2005划痕仪测定涂层与基体的结合力,载荷范围为0～100 N,划痕长度为4 mm。

2 结果与讨论

2.1 XRD谱分析

图1为铝合金在电流密度20 A/dm2、不同微弧氧化时间下氧化膜的X射线衍射图谱。由图可以看出,不同的微弧氧化时间制备的涂层,除了较强的铝合金基体衍射峰外,绝大多数为α - Al2O3与γ - Al2O3,且两者含量基本相同。但是,氧化90 min所得涂层与氧化30 min的涂层相比,α - Al2O3与γ - Al2O3相的衍射峰明显增强,说明此时涂层结晶性能较好。氧化铝的稳定晶相为六边形的α - Al2O3,γ - Al2O3则为亚稳定相。氧化铝从水溶液中结晶或者水合氧化铝(比如Al2O3·H2O)结晶时生成γ相氧化铝,如果温度高达1 000 ℃以上,不稳定的γ - Al2O3将转化为α - Al2O3。刚玉结构的α相的出现,说明了微弧放电区等离子体的温度非常高,并使陶瓷氧化膜硬度有了较大提高。

2.2 SEM形貌分析

图2与图3为试样经不同时间微弧氧化后涂层表面SEM形貌。由图可知,氧化膜表面呈现圆饼状结构,在每一圆饼的中心,存在一个放电通道,这种现象是熔融的Al2O3从放电通道中流出,并在其周围迅速凝固所形成的。另外,有些微裂纹杂乱无章地分布在涂层表面,这是由于氧化铝迅速固化产生的热应力造成的。不同处理时间试样表面陶瓷膜层的形貌有所不同,相对于30 min的氧化时间,90 min氧化制备的涂层表面的圆饼平均直径随处理时间的增长而变大,而且表面更加致密,均匀,孔隙减少,而氧化30 min制备的涂层表面具有明显的烧结熔融痕迹,表面残留了许多0.5～2.0 μm的类似火山口的孔隙,这些孔隙的位置就是涂层制备中能量密度的集中区。同时,氧化90 min制备的涂层的X射线能谱分析结果表明,涂层中氧元素占41.69%,铝占27.19%。不同氧化时间下,所制备的陶瓷涂层的横截面形貌有待于进一步研究。

2.3 显微硬度分析

图4为涂层氧化90 min后的显微硬度值。

由于所制备的涂层表面存在微孔和裂纹,粗糙度较高,不同的点测出的显微硬度值有一定的偏差。因此,涂层的显微硬度采取测多个点,取平均值,载荷为1.96 N。结果表明,显微硬度最大值为1 600 HV,最小值为799 HV,总的平均值为1 180 HV。同时,为了使测得的数据更加准确可靠,对用砂纸打磨过的涂层的显微硬度进行了测试,其最大值为1 380 HV,最小值为900 HV,总的平均值为1 190 HV。通过比较发现,砂纸打磨前后,涂层的平均显微硬度值变化不大。从上述数据可以发现,微弧氧化膜的硬度远高于基体铝合金的硬度。

2.4 耐磨性能检测

图5为氧化90 min所得涂层与SiN球对磨60 min的摩擦系数曲线,可以看出,干摩擦条件下,摩损开始时的摩擦系数约为0.85,随着磨损时间的延长,摩擦系数逐渐降低,直至0.70,这是由于涂层摩擦表面愈来愈光滑的缘故。摩擦60 min后,采用精度为0.01 mg的赛多利斯(Sartorius)BT255天平测其质量损失,试样质量由原来的8.381 67 mg变为8.381 50 mg,说明所制备的涂层具有良好的耐磨性能。

2.5 结合力

采用WS - 2005自动划痕试验机测定涂层与基体的结合力大小,测量方式为声发射测量。不同制备时间下微弧氧化陶瓷涂层的划痕试验结果见图6。从图6可看出,微弧氧化30 min后,铝合金微弧氧化陶瓷涂层与基体间的临界载荷约为72 N,而微弧氧化90 min后,铝合金微弧氧化陶瓷涂层与基体间的临界载荷约为85 N,结合力明显增强。

通过上述性能测试表明,微弧氧化90 min所制备的陶瓷涂层性能较好,具有好的结晶性、均匀致密的表面结构、高的抗耐磨性能和强的结合力。

3 结 论

在电流密度20 A/dm2条件下,微弧氧化处理时间对所制备涂层的组织结构和性能有着较大的影响。微弧氧化90 min时制备的涂层结晶更加完全,表面更加致密、均匀,孔隙减少,显微硬度平均值约为1 180 HV,陶瓷涂层与基体间的临界载荷约为85 N,通过摩擦磨损试验表明,涂层具有高的耐磨性能。

摘要：铝合金微弧氧化陶瓷涂层结构致密,与基体结合牢固,具有良好的耐磨、耐蚀和电绝缘性能,应用前景广阔。采用微弧氧化工艺在6063铝合金表面沉积了Al2O3陶瓷涂层,考察了不同微弧氧化时间对涂层的微观结构、显微硬度、结合力及摩擦磨损性能的影响。结果表明:在电流密度一定的条件下,处理时间对涂层组织结构和性能有着较大的影响,随着微弧氧化时间的延长,涂层中α-Al2O3与γ-Al2O3相的衍射峰明显增强,制备的涂层表面更加致密,孔隙减少,同时所制备的涂层具有高的显微硬度(平均1180HV)和好的抗耐磨性能,涂层与基体间的临界载荷约为85N,即涂层与基体间有强的结合力。

关键词：微弧氧化,陶瓷涂层,铝合金,微观结构,性能

参考文献

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耐磨陶瓷 篇6

等离子弧粉末堆焊技术以联合型或转移型等离子弧为热源, 能量密度大, 效率高, 连续工作稳定可靠, 粉末选择范围宽, 涂层厚度及力学性能可灵活调整, 操作维护简单, 生产成本低, 是表面改性技术的重要分支, 已在各机械制造领域获得广泛的应用。电磁作用焊接技术通过电磁搅拌作用, 改变焊接熔池液态金属结晶过程中的传质和传热过程, 从而改变晶粒的结晶方向, 细化一次组织, 减小偏析, 提高焊缝金属的塑性和韧性, 降低气孔、裂纹等焊接缺陷。目前, 外加磁场用于等离子弧堆焊铁基自熔合金粉末的研究已有报道, 而通过外加磁场改善原位合成陶瓷相增强铁基堆焊合金的组织结构和性能的研究鲜见报道[1~3]。

本工作在等离子弧堆焊制备原位合成陶瓷相增强铁基合金时施加纵向磁场, 研究磁场电流对堆焊层组织结构、硬度、耐磨性能的影响规律, 并对纵向磁场的作用机理进行了初步分析和讨论。

1 试验

1.1 基材前处理

基材为20G碳钢, 尺寸为100 mm×80 mm×12mm, 经打磨并用丙酮室温清洗2~3 min, 干燥后备用。

1.2 堆焊

(1) 堆焊合金粉末20%高碳铬铁 (66.7%Cr, 4.0%C) , 25%钛铁 (30%Ti) , 6%石墨 (纯度为99.5%) , 其余为铁粉 (200目, 纯度99%) 。堆焊前采用水玻璃作粘结剂预置在试板表面, 厚度约为3 mm, 晾干后在100℃烘干2 h。

(2) 堆焊装置及工艺参数采用LU500-4型粉末等离子堆焊设备堆焊。固定优化焊接电流160 A, 纵向磁场电流分别为0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5 A, 电源功率50 k W, 电弧电压30 V, 电极直径3.2 mm, 电弧横向摆动频率0.75 Hz, 电弧横向摆动宽度2.2 cm, 焊枪喷嘴距工件表面4.0 mm, 空冷。

1.3 测试分析

利用OLMPUS BX-6型金相显微镜观察堆焊层显微组织。利用HRC-150型洛氏硬度计测量堆焊层表面的硬度。将试块用电火花切割成尺寸56 mm×27mm×11 mm, 在MLS-23型湿砂橡胶轮试验机上进行磨损试验:胶轮直径150 mm, 转速240 r/min, 胶轮表面压力1.5 MPa, 20~50目石英砂, 用砂量1.5 kg;用精度0.1 mg的TG328A型分析天平称重得到m0, 磨损3 min后烘干, 称重得到m1, 计算磨损失重:△m=m0-m1。

2 结果与讨论

2.1 堆焊层的组织结构

图1为不同纵向磁场电流作用下堆焊层的金相显微组织。从图1可以看出:灰色基体上分布着长条状或六边形M7C3复合碳化物以及呈条状或颗粒状的二次碳化物;未施加磁场时堆焊层表面的初生M7C3硬质相粗大杂乱地分布在堆焊层基体中, 既有长条状又有六边形;当外加纵向磁场电流为0.5 A时, 堆焊层中也存在成簇生长的长条状初生M7C3硬质相, 但得到了明显细化;随着磁场电流的增加, 电磁搅拌作用加强, 堆焊层中长条状的M7C3硬质相开始减少, 六边形的M7C3陶瓷硬质相增多, 且分布呈现出均匀化趋势;当磁场电流为2.0 A时, 堆焊层中大量的M7C3陶瓷硬质相基本呈六边形均匀分布在基体中, 且晶粒得到显著细化, 保证了堆焊层具有较高耐磨性能;继续增大磁场电流, 堆焊层中M7C3陶瓷硬质相减少, 重新变为杂乱无章的分布, 且既有长条状又有六边形。

在电磁搅拌作用下, 随着磁场电流的增加, 磁场强度增强, 作用于熔池的电磁力也随之增大, 磁场对熔池的搅拌作用增强。电磁搅拌使树枝晶尖端机械剪断。施加恒定的磁场时, 在固定界面前沿的熔体中存在强制的切向对流, 剧烈的对流使从模壁上冲刷下来的晶核和从枝晶上熔蚀、折断的晶核增多, 这些晶核又可以作为长大的核心。凝固前沿的温度梯度降低, 温度均匀化, 这些作用均能使晶粒增多、组织细化[4]。当磁场强度过大时, 电磁阻尼将会占主导地位, 抑制了熔体自然对流, 使得熔池金属的流动方式由层流变成紊流, 增加了熔池金属的黏度和摩擦阻力, 从而抑制了热量的对流传输, 使温度起伏减小, 过冷度随之减少, 进而使形核的质点和形核率下降, 硬质相的数目减少。

2.2 堆焊层的硬度及耐磨性

图2为堆焊层的硬度和磨损量随纵向磁场电流的变化。从图2可以看出:当纵向磁场电流小于2.0A时, 随着磁场电流的增加, 堆焊层的硬度增加, 磨损量降低;当纵向磁场电流大于2.0 A后, 硬度减小, 磨损量增加;当纵向磁场电流为2.0 A时, 堆焊层硬度最高 (62.5 HRC) , 磨损量最小 (仅为0.104 6 g) 。当纵向磁场电流较低时, 堆焊层中M7C3硬质相较少且多呈长条状分布, 因而耐磨性较低;随着磁场电流增大, M7C3硬质相逐渐增多, 晶粒不断细化且形态逐渐向六边形转变, 表明硬质相呈杆状垂直于被磨面, 材料受力较少, 故能提高材料的耐磨性;当磁场电流为2.0 A时, 六边形M7C3硬质相最多且均匀分布, 因此硬度和磨损量均达到最佳值;随后继续增大纵向磁场电流, 由于堆焊层中M7C3硬质相数量减少, 且重新变为长条状分布, 导致堆焊层的性能随之降低。因此, 最佳纵向磁场电流为2.0 A。

2.3 磁场作用机理

利用交流纵向磁场控制凝固, 磁场与电场交互作用产生电磁搅拌和抑制熔体流动。一方面熔池中的一次结晶方向紊乱, 固液相界面也不光滑, 因而热流方向不一致、不稳定, 这些运动方向不一致的带电熔体中, 电流和感应磁场相互作用产生一定的电磁力, 促使熔体流动, 即发生电磁搅拌;另一方面, 固定的磁场会对液体金属产生电磁阻尼作用, 抑制熔体流动。在适当的磁场强度下, 电磁搅拌起主要作用, 细化一次、二次结晶组织, 改善堆焊层的性能;过大的恒定磁场作用下, 电磁阻尼作用占主导地位, 抑制了熔体的自然对流, 因而抑制了热量的对流传输, 使温度起伏减少, 晶粒变得粗大, 对堆焊层的性能起负面作用。也就是说, 磁场电流过强会使堆焊层的性能下降, 同时随着搅拌速度增加, 机械能向电磁能的转化增大, 电磁搅拌力增大, 熔体运动加剧[5], 在细化晶粒的同时也对堆焊层中的合金元素起到冲淡作用, 抑制碳化物的形成, 从而影响其金属性能。

3 结论

(1) 在外加纵向磁场的作用下, 增加磁场电流时堆焊层中M7C3硬质相逐渐增多, 且逐渐由长条状向六边形转变;当磁场电流为2.0 A时, M7C3硬质相最多且均匀分布, 晶粒得到显著细化, 耐磨性最好;继续增大磁场电流, 电磁阻尼占主导地位, 形核率下降, 晶粒变得粗大, 堆焊层的性能下降。

(2) 只有在磁场参数和焊接规范相匹配的情况下, 通过电磁搅拌细化堆焊层一次、二次结晶组织, 才能获得最佳的耐磨性。

参考文献

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耐磨陶瓷 篇7

氧化铝陶瓷材料具有强度高, 硬度高, 耐高温, 耐腐蚀, 绝缘性高等优异的物理化学性能, 并且氧化铝陶瓷原料丰富, 价格低廉, 在众多领域中有广泛的实际应用[1,2,3,4]。高铝瓷耐磨性的好坏成为制约氧化铝陶瓷发展的原因之一, 国内外对提高陶瓷耐磨性的方法进行了大量的研究[5,6,7]。人们普遍认为, 通过对添加剂种类和含量的控制, 调控氧化铝陶瓷显微结构, 可以制备出晶粒尺寸细小, 致密度高的高铝陶瓷, 提高陶瓷耐磨性[8,9]。

近年来, 有研究学者发现掺入少量稀土化合物能够提高陶瓷耐磨性能。Y2O3/Ce2O3的掺入能够降低陶瓷烧成温度, 提高陶瓷性能[10,11], La2O3作为添加剂可以制备出晶粒尺寸细小的氧化铝陶瓷[12], 复合稀土氧化物的掺入能够更进一步提高氧化铝陶瓷耐磨性能[13,14]。另外, 有研究者发现, 钛离子的变价作用能够降低陶瓷烧成温度, 制备出晶粒长径比大的氧化铝陶瓷材料[15]。

稀土氧化物中, 存在变价离子的主要为氧化铈, 氧化镨, 氧化铽。目前, 关于氧化铽的掺入对氧化铝陶瓷耐磨性影响的研究较少, 考虑到+3价铽离子与+4价铽离子半径相差大, 本文以CaO-SiO2-MgO烧结助剂为基础, 研究Tb4O7的掺入和烧结气氛对95瓷耐磨性的影响。

1实验

1.1 Tb3Al5O12的合成

以纯度为99.95% 的氧化铝粉和纯度为99.99% 的Tb4O7为原料, 按照表1进行配料, 混合均匀, 利用冷等静压成型制备出直径为10 mm的圆片状样品, 记为TAA, TAC。将TAA样品置于硅钼炉中空气烧结;TAC样品在还原气氛下烧结。烧结温度均为1650 ℃, 保温3 h。

1.2原料及氧化铝陶瓷的制备

实验以工业 α-Al2O3, SiO2, MgO, CaO及Tb4O7为主要原料, 配料如表2所示。每组原料经过球磨混合均匀, 采用冷等静压成型制得球状坯体。将A, B两组试样置于硅钼炉中空气烧结;C组试样在还原气氛下烧结, 烧结温度为1525 ~ 1650 ℃, 自然冷却, 得到陶瓷试样。

1.3性能的测试

根据国标GB/T 3810.3-2006[16]测试陶瓷样品的吸水率 (Wa) 和体积密度 (Db) , 计算公式分别为 (1) 和 (2) :

式中:M1- 干样品的质量, g, ;

M2- 浸在水中饱和样品的质量, g ;

M3-吸水饱和试样在空气中的质量, g;

Dl=1.0 g·cm-3。

陶瓷样品的线收缩率根据国标QB/T 1548-1992[17]进行计算, 计算公式 (3) 为:

其中, L1为未烧的生坯的平均直径 (mm) , L2为烧成后陶瓷样品的平均直径 (mm) 。

陶瓷材料的耐磨性是反映陶瓷样品综合力学性能的指标[18], 而陶瓷材料耐磨性可以通过磨损率的大小来表征。根据行业标准JC/T 848.1-1999[19]计算材料磨损率, 计算公式如 (4) 所示:

式中:Wt - 磨耗, ‰ ;

K=4.17×10-4, 为修正系数, mm-1;

D-样品的平均直径, mm;

M4-样品球磨前的质量, g;

M5-样品球磨后的质量, g。

2结果与讨论

2.1 Tb3Al5O12的分析

图1为合成出的TAA和TAC样品, 在还原气氛条件下合成的样品为白色, 在空气中合成出的样品略黄。 由于Tb3+为白色, Tb4+为褐色, 且高温下Tb3+与Tb4+相互转换[20], 表明TAC中主要含+3价铽离子, TAA中为+3价铽离子和+4价铽离子共存。说明在空气中合成Tb3Al5O12时, 在降温过程中, 部分Tb3+转变成Tb4+。

通过图2分析, 我们发现TAC样品中只含Tb3Al5O12的相, TAA样品中含有Tb3Al5O12, (TbxTb1-x) AlO (3.5-x/2) 及少量Al2O3。推断在空气中合成Tb3Al5O12时, 在降温过程中由于Tb3+转变成Tb4+, 导致Tb3Al5O12的晶体结构被破坏, 部分Tb3Al5O12分解成 (TbxTb1-x) AlO (3.5-x/2) , Al2O3。通过对两种合成出的样品的SEM显微结构 (图3) 分析发现:TAC样品的晶粒具有规则的形状, 晶粒尺寸较大。TAA样品的晶粒呈现不定形态, 晶粒尺寸较小。这是由于空气中合成Tb3Al5O12时, 整个反应过程中一直受到O2的抑制作用, 并且在降温过程中Tb3Al5O12晶体表面的Tb3+转变成Tb4+, 导致Tb3Al5O12晶体表面分解成 (TbxTb1-x) AlO (3.5-x/2) , Al2O3, 使得Tb3Al5O12晶体尺寸变小, 且呈现不定形态。

2.2陶瓷样品的性能

图4为所制得C和B两组陶瓷试样, C组陶瓷显白色, B组陶瓷略黄, 说明C组陶瓷中主要含+3价铽离子, B组陶瓷中+3价铽离子和+4价铽离子共存。不同温度下烧成的3组陶瓷试样的吸水率, 线收缩率, 密度和磨损率的测试结果如表3所示。

由表3可知, 1525 ℃烧结的A组陶瓷试样吸水率为0%, B, C两组陶瓷试样在1565 ℃烧结后吸水率分别为0.0183%, 0.0023%。这表明:掺入Tb4O7提高氧化铝陶瓷烧成温度, 且在还原气氛条件下烧成温度提高的少。Tb4O7的掺入与CaO, Al2O3等组分结合形成晶界间相, 阻碍铝离子的扩散, 抑制陶瓷烧成。由于稀土离子半径较大, 位于晶界处阻碍固相扩散过程, 抑制氧化晶粒长大, 使气孔排除充分, 从而提高陶瓷烧成温度。

图5是3组陶瓷试样的线收缩率随烧成温度变化的曲线, 由图可知:3组陶瓷试样的线收缩率随烧成温度的升高均先升高而后趋于平缓。在烧成温度低于1625 ℃时, A组陶瓷试样具有最大线收缩率, B组陶瓷试样次之, 线收缩率最小的是C组陶瓷试样;当烧成温度高于1625 ℃ 时, A组陶瓷试样的线收缩率升高趋势减缓, 而B, C组陶瓷试样仍有较大的升高趋势。结合图5和图6可以看出, 3组陶瓷试样的密度随温度升高的趋势与线收缩率曲线一致。说明掺入Tb4O7能使陶瓷试样气孔排出充分, 提高陶瓷致密度, 使得高温下陶瓷样品具有较大的密度。

图7是3组陶瓷试样的磨损率随烧成温度变化的曲线, 随着烧成温度的升高, A, B及C三组陶瓷试样的磨损率均先减小后增大。当烧成温度低于1600 ℃时, A组陶瓷试样磨损率最低, 这主要是由于掺入Tb4O7提高陶瓷烧成温度引起的。当烧成温度高于1600 ℃时, 在相同烧成温度下, C组陶瓷试样的磨损率比A组陶瓷试样的磨损率低, B组陶瓷试样的磨损率是三组陶瓷试样中最低的。其中A陶瓷试样在1575 ℃时具有最低磨耗, 最低磨损率为0.0035‰, B和C两组陶瓷试样在1625 ℃时具有最低磨耗, C组陶瓷试样的最低磨损率为0.0034‰, 较同温度点下A组试样的磨损率 (0.0048‰) 降低了29.17%, B组陶瓷试样的最低磨损率为0.0028‰, 较同温度的A组试样的磨损率 (0.0048‰) 降低了41.67%。 显而易见, 掺入Tb4O7可以提高氧化铝陶瓷耐磨性, 在空气中烧成的陶瓷试样具有低的磨损率。结合之前的分析表明, 烧成温度的升高可以提高陶瓷的致密度, 从而提高陶瓷试样的性能。当烧成温度过高, 氧化铝晶粒出现异常长大, 导致陶瓷试样的磨损率升高。Tb4O7的掺入抑制氧化铝陶瓷烧成, 使气孔排除充分, 导致高温下陶瓷样品具有较高的致密度, 降低陶瓷样品的磨损率。

2.3陶瓷试样的物相分析

由图8可以看出, 3组陶瓷试样的主要物相为Al2O3, MgAl2O4, CaAl12O19, 其中只有C组陶瓷试样发现有少量Tb3Al5O12物相生成。表明在空气中烧结陶瓷试样时, Tb3Al5O12分解成 (TbxTb1-x) AlO (3.5-x/2) , Al2O3, 化学反应方程式为:

另外, 对比三组陶瓷试样的Al2O3物相的XRD分析发现, 掺入Tb4O7陶瓷样品的Al2O3峰的d值出现左偏, 说明有少量铽离子固溶到氧化铝晶粒。有研究报道, 稀土氧化物固溶到氧化铝晶粒能够抑制氧化铝晶粒长大, 提高陶瓷力学性能[21]。

2.4陶瓷试样的显微结构分析

图9为三组陶瓷试样的显微结构图。三组陶瓷试样均有少量气孔存在。A组试样平均晶粒大小为2 ~ 5μm, 且晶粒分布不均匀, 异常长大的晶粒较多。随着Tb4O7的掺入, 氧化铝晶粒尺寸明显减小, 气孔减少, 没有明显的异常长大现象发生。与A组试样相比, B组试样晶粒尺寸减小, 平均晶粒尺寸为1.5 ~ 3μm, 在氧化铝晶粒间有少量的细小晶体生成, 晶粒尺寸为0.2 ~ 0.5μm。C组试样的平均晶粒尺寸为2 ~ 3μm, 未发现细小晶体。这是因为掺入Tb4O7的试样在还原气氛下烧结时生成的Tb3Al5O12晶体晶粒尺寸较大, 在空气中烧结掺入Tb4O7的陶瓷试样时, Tb3Al5O12晶体分解成晶粒尺寸细小的 (TbxTb1-x) AlO (3.5-x/2) 和Al2O3。一方面由于分解出的晶粒尺寸细小的 (TbxTb1-x) AlO (3.5-x/2) 和Al2O3晶体位于氧化铝晶界间, 能够增强了陶瓷试样的断裂韧性, 另一方面由于Tb4O7的掺入抑制氧化铝晶粒长大, 使得陶瓷试样氧化铝晶粒尺寸减小。从而Tb4O7的掺入改善氧化铝陶瓷显微结构, 提高陶瓷试样耐磨性。

3结论

(1) 空气中合成Tb3Al5O12时, 由于Tb3+转变成Tb4+, 导致部分Tb3Al5O12分解成 (TbxTb1-x) AlO (3.5-x/2) , Al2O3。

(2) 掺入Tb4O7抑制氧化铝晶粒长大, 使气孔排出充分, 提高陶瓷的致密度, 有利于氧化铝陶瓷耐磨性的提高。