L'applicazione di nuovi materiali ceramici resistenti all'usura nelle attrezzature industriali e nelle condotte si sta diffondendo sempre più a causa delle loro eccellenti prestazioni.Sostituendo materiali metallici ordinari, la durata di vita e la capacità di produzione continua delle apparecchiature sono state notevolmente migliorate.Attualmente, i componenti ceramici resistenti all'usura nel campo della ceramica di ingegneria sia a livello nazionale che internazionale sono per lo più realizzati in materiali quali allumina, zirconia, carburo di silicio,e nitruro di silicio.

Tra queste, le ceramiche di allumina hanno una buona resistenza all'usura, resistenza alla corrosione, proprietà meccaniche, eccellente capacità produttiva e sono molto convenienti.Sono molto adatti alle applicazioni industriali e sono diventati uno dei materiali resistenti all'usura più comunemente utilizzati in questo settoreEssi possono essere visti ovunque in situazioni selvagge e sfrenate come sistemi di frantumazione e lavorazione del minerale, sistemi di rettifica delle materie prime e taglio ad alta velocità.

Il segreto della resistenza all'usura della ceramica di alluminio

Evans has conducted a systematic study on the factors affecting the wear rate of ceramic materials and found that the hardness and fracture toughness of ceramic materials are the key factors affecting their wear rate, e i materiali ceramici con alta durezza e resistenza alla frattura hanno tassi di usura inferiori.Gli studiosi di vari paesi hanno condotto ampie ricerche sul miglioramento della durezza e della resistenza alla frattura dei materiali ceramici, che possono essere analizzati nei seguenti aspetti:

1 Dimensione del grano ceramico

Esistono due tipi di materiali in ceramica allumina: ceramica monofase e ceramica multifase (cioè aggiungendo una seconda fase alla matrice).Nel campo della ricerca sulla correlazione tra dimensione del grano e proprietà tribologiche della ceramica, i ricercatori hanno principalmente studiato l'influenza della dimensione del grano della fase matrice (o seconda fase) sulle proprietà tribologiche della ceramica.

Roy et al. studied the friction and wear performance of submicron and micrometer scale single-phase alumina ceramics in biological environments and found that the wear rate of submicron ceramics in bovine serum albumin environment was much lower than that of micrometer scale ceramics, e le microfessure di estrazione del grano e del limite del grano delle ceramiche submicroniche sono state significativamente inferiori a quelle delle ceramiche di allumina a grano grossolano.Sedlacek et al. hanno studiato l'effetto delle diverse dimensioni dei granelli della matrice di allumina sulle prestazioni di usura, con dimensioni dei granelli della matrice di allumina comprese tra 0,8 e 4μLa variazione tra m e la seconda fase SiC è a nanoscala.La ricerca ha dimostrato che la resistenza all'usura della matrice di allumina in dimensioni submicroniche è migliore di quella della ceramica nanocomposita con dimensioni di granello micrometriche;Quando i grani della matrice sono a scala submicrona, non vi è alcuna relazione significativa tra resistenza all'usura e resistenza alla frattura,mentre il tasso di usura delle ceramiche composite di allumina con una matrice a scala micrometrica diminuisce con l'aumento della durezza.

Ovviamente, dagli esempi di cui sopra si può vedere che la raffinazione dei grani può contribuire efficacemente a migliorare l'uniformità della struttura del materiale,compresa l'aumento della densità del materiale e la riduzione dei difetti del materiale.

2 Materiale della seconda fase

Nel campo della ricerca sulle proprietà tribologiche delle ceramiche multifase di allumina, composizione di componenti, che forma materiali compositi aggiungendo varie seconde fasi, particelle (o baffi),è anche il modo principale per migliorare le proprietà tribologiche (o di taglio) della ceramica allumina.In base ai diversi meccanismi di influenza, può essere suddiviso in diversi tipi, tra cui il meccanismo di autolubrificazione di seconda fase, l'effetto di rafforzamento del confine del grano di seconda fase,e il meccanismo di reazione chimica a attrito di seconda fase.

● Meccanismo di autolubrificazione di seconda fase.Introduzione di lubrificanti solidi di seconda fase quali grafite, CaF2, PbWO4, MoS2, BN,e metalli molli nella matrice ceramica Al2O3 può ridurre efficacemente il coefficiente di attrito del materiale e migliorare le sue proprietà tribologiche.Il 10% di CaF2 è stato introdotto nella matrice ceramica composta Al2O3/TiC, e il CaF2 è stato estrusto e rivestito sulla superficie di attrito per formare un film autolubrificante.Il film auto lubrificante può efficacemente prevenire l'adesione tra il materiale e la coppia di attrito, riducono il coefficiente di attrito e svolgono un ruolo di auto lubrificazione.

La seconda fase è l'effetto di potenziamento dei confini dei grani.Introduzione di una seconda fase (principalmente particelle e muscoli) nella matrice ceramica di allumina,utilizzando la differenza di coefficiente di espansione termica tra le particelle disperse e il materiale di matrice, genera uno stress residuo durante il processo di raffreddamento della preparazione del materiale, ottenendo l'effetto di rafforzare i confini del grano.non solo hanno bisogno di superare l'energia di confine del grano intrinseca del materiale di matrice, ma anche l'energia aggiuntiva prodotta dalla tensione di compressione residua, aumentando così la resistenza alla propagazione delle crepe.

D'altra parte, a causa del minore coefficiente di espansione termica delle particelle di seconda fase rispetto alla matrice, si verificheranno effetti di volume durante il raffreddamento del materiale,che porta a micro-fissure intorno alle particelle di seconda fase, inducendo la deflessione delle crepe e consumando più energia per la propagazione delle crepe;Inoltre, le particelle di seconda fase hanno generalmente una forma approssimativamente sferica, il che passiva la punta della crepa, riducendo la concentrazione di stress e impedendo la propagazione della crepa.migliorando così le proprietà di attrito del materiale.

Il secondo meccanismo di reazione chimica di attrito.The mechanism of the second phase frictional chemical reaction refers to the chemical reaction between the second phase doped in the Al2O3 matrix and the gas in the air (mainly oxygen) or with the friction pair material during friction, producendo un film lubrificante e riducendo il coefficiente di attrito del materiale, migliorando così le proprietà di attrito del materiale.

Introduzione di particelle di TiB2 nella matrice ceramica Al2O3 per la preparazione di utensili di taglio in ceramica composita Al2O3/TiB2,Si è riscontrato durante gli esperimenti di taglio con acciaio temperato 45 # che quando la velocità di taglio è superiore a 120 m/min, ossia la temperatura di taglio è superiore a 800 °C, il TiB2 negli utensili di taglio ceramici compositi Al2O3/TiB2 reagisce con l'ossigeno per generare TiO2 e B2O3.A causa del modulo elastico e della durezza molto inferiori del TiO2 rispetto al materiale di matrice, la resistenza al taglio dell'utensile è ridotta, con conseguente diminuzione del coefficiente di attrito del materiale, riducendo l'usura dell'utensile e migliorando la resistenza all'usura dell'utensile.

3 Meccanismo tribologico

Sotto diversi scenari di applicazione, i meccanismi di attrito presentati dalle ceramiche di alluminio sono in realtà diversi,quindi diversi metodi di rafforzamento devono essere combinati per adattare il trattamento di conseguenza.

Il meccanismo di usura degli utensili di taglio in ceramica Al2O3/TiB2 durante il taglio a secco a bassa velocità è caratterizzato da usura da adesivo e abrasivo;Nel taglio a secco ad alta velocità, il meccanismo di usura dello strumento si manifesta come usura da ossidazione.Il film di reazione generato sulla superficie dell'utensile attraverso reazioni chimiche di attrito svolge un ruolo di lubrificazione solidaCon l'aumento del contenuto di TiB2 e della velocità di taglio, l'effetto anti-attrito e anti-usura della pellicola di reazione è rafforzato.

Le proprietà tribologiche dei materiali ceramici per utensili a base di Al2O3 sono correlate al tipo di additivi e la loro resistenza all'usura è in ordine decrescente: Al2O3/SiCw, Al2O3/Ti (C, N) e Al2O3/TiC;Le proprietà di attrito del materiale sono correlate alla sua durezza (H), al suo modulo di elasticità (E) e alla sua resistenza alla frattura (KIC).Il tasso di usura W aumenta con l'aumento dell'E/H e diminuisce con l'aumento della CIC;Il meccanismo di usura dei materiali ceramici per utensili Al2O3/TiC è principalmente l'usura adesiva, mentre il meccanismo di usura dei materiali ceramici per utensili Al2O3/Ti (C, N) e Al2O3/SiCw è principalmente l'usura abrasiva.

L'applicazione di ceramiche resistenti all'usura dell'alumina

1 Applicazione nei sistemi di trasporto di materiali e carbone

L'usura delle apparecchiature dei sistemi di trasporto del carbone e dei materiali è principalmente causata dalla forza di impatto e dall'attrito, con le parti di usura che sono le spalle separatrici, le tees e la cascata del carbone.Queste parti sono estremamente soggette all'usura e addirittura all'usura.Quando le centrali elettriche e le impianti di cemento utilizzano piastre di acciaio al manganese rivestite, il tempo di utilizzo è generalmente di circa 6 mesi e sono soggette a aderenza al carbone e blocco di polvere;Sebbene l'utilizzo di lamiere di polietilene ad altissimo peso molecolare non sia facile da bloccare, la loro resistenza agli urti e all'usura non sono buone come quelle delle lamiere di acciaio al manganese,specialmente quando le particelle di polvere di carbone e di cemento vengono compresse e cadono nella giunzione tra la piastra di rivestimento e la piastra di acciaio.L'uso di ceramiche resistenti all'usura dell'alumina migliorerà notevolmente la durata di vita, porterà significativi miglioramenti alla sicurezza della produzione e benefici economici.

2 Applicazione nel sistema di fresatura

L'usura del sistema di produzione di polvere di carbone nelle centrali elettriche a carbone è causata principalmente dalla collisione di polvere di carbone e dall'usura da impatto.Il flusso d'aria di polvere di carbone ad alta velocità provoca un forte usura dell'uscita del mulino di carbone, dell'ingresso e dell'uscita del separatore di polvere grossa e fine e del gomito del condotto d'aria primario dell'apparecchiatura di polverizzazione.Lo stesso fenomeno si verifica nella curva del condotto d'aria del sistema di selezione della polvere dell'impianto di cemento.L'uso di ceramiche di alluminio resistenti all'usura avrà un impatto positivo sulla produzione effettiva.

3 Applicazione nei sistemi di cenere e scorie

Nelle centrali elettriche che utilizzano sistemi idraulici di rimozione delle ceneri e scarico delle scorie, i tubi di entrata e uscita come pompe per le ceneri, fossati e ugelli sono gravemente usurati.Dopo l'uso di ceramiche di allumina resistenti all'usura, la durata di vita è lunga e la resistenza all'usura è buona, risolvendo problemi come compiti di manutenzione meccanica pesante e ambiente povero.

4 Come mezzo di macinazione

A causa della sua alta durezza, densità moderata, resistenza all'usura, resistenza alla corrosione e basso prezzo,le sfere di rettifica dell'alluminio sono ampiamente utilizzate nella rettifica e nella lavorazione di materie prime in industrie come il cementoSono un mezzo di macinazione di alta qualità.Nel settore della ceramica edilizia, l'efficienza di usura delle sfere di rottura in allumina è dal 20% al 40% superiore a quella del selce e dei ciottoli naturali.Con la riduzione delle risorse di pietra a sfera naturale di alta qualità e l'elevato tasso di usura delle sfere di ceramica ordinarie, le sfere di rettificazione in allumina saranno sempre più utilizzate da un numero sempre maggiore di produttori.

5 Estrazione di petrolio e gas

La ceramica resistente all'usura dell'alluminio può adattarsi a ambienti difficili, in particolare quelli con un contenuto di alluminio superiore al 97% (in massa), che può essere utilizzato nelle attrezzature di perforazione per il petrolio e il gas naturale.Le applicazioni tipiche includono ugelli, sedili di valvole, dispositivi di regolazione, accessori per pompe e persino accessori per trapano che possono vibrare in ambienti ad alta pressione, in petrolio e malta di fango,e talvolta lavorano in presenza di acidi e sali, con requisiti più severi per la resistenza all'usura e alla corrosione.