استفاده از مواد سرامیکی مقاوم به فرسایش جدید در تجهیزات صنعتی و لوله کشی به دلیل عملکرد عالی آنها به طور فزاینده ای گسترش می یابد.با جایگزینی مواد فلزی معمولی، عمر خدمت و ظرفیت تولید مداوم تجهیزات به شدت بهبود یافته است.امروزه، اجزای سرامیکی مقاوم در زمینه سرامیک مهندسی در داخل و خارج از کشور عمدتا از مواد مانند آلومینیوم، زرکون، کربید سیلیکون،و نیترید سیلیکون.

در میان آنها، سرامیک آلومینا دارای مقاومت خوب در برابر فرسایش، مقاومت در برابر خوردگی، خواص مکانیکی، ظرفیت تولید عالی و بسیار مقرون به صرفه است.آنها برای کاربردهای صنعتی بسیار مناسب هستند و به یکی از رایج ترین مواد مقاوم در این زمینه تبدیل شده اندآنها را می توان در همه جا در شرایط وحشی و بدون محدودیت مانند سیستم های خرد و پردازش معدن، سیستم های خرد مواد اولیه و برش با سرعت بالا مشاهده کرد.

راز مقاوم بودن سرامیک آلومینیوم

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، و مواد سرامیکی با سختی بالا و مقاومت شکستگی دارای نرخ لباس کمتری هستند.دانشمندان از کشورهای مختلف تحقیقات گسترده ای در مورد بهبود سختی و مقاومت شکستگی مواد سرامیکی انجام داده اند که می تواند در جنبه های زیر تجزیه و تحلیل شود:

1 اندازه دانه های سرامیکی

دو نوع مواد سرامیکی آلومینیوم وجود دارد: سرامیک تک فاز و سرامیک چند فاز (به عنوان مثال، اضافه کردن یک مرحله دوم به ماتریس).در زمینه تحقیق در مورد ارتباط بین اندازه دانه و خواص تریبولوژیکی سرامیک، محققان عمدتاً تأثیر اندازه دانه های فاز ماتریس (یا فاز دوم) را بر خواص تریبولوژیکی سرامیک بررسی کردند.

روی و همکارانش 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، و کشش دانه ها و میکرو ترک های مرز دانه های سرامیک های زیر میکرو به طور قابل توجهی کمتر از سرامیک های آلومینیوم با دانه های ضخیم بود.Sedlacek et al. اثر اندازه های مختلف دانه های ماتریس آلومینا را بر روی عملکرد لباس با اندازه دانه های ماتریس آلومینا از 0.8 تا 4 مورد بررسی کردند.μتفاوت بین m و مرحله دوم SiC در مقیاس نانو است.تحقیقات نشان داده است که مقاومت لباس مادۀ آلومینیوم در اندازه زیر میکرو بهتر از سيرامک نانوکامپوزیت با اندازه دانه میکرومتر است.هنگامی که دانه های ماتریس در مقیاس زیر میکرو هستند، هیچ رابطه ای بین مقاومت در لباس و سختی شکستگی وجود ندارد.در حالی که میزان فرسایش سرامیک کامپوزیت آلومینیوم با ماتریس در مقیاس میکرومتر با افزایش سختی کاهش می یابد.

بدیهی است که از مثال های فوق می توان دید که دانه های پالایش می توانند به طور موثر به بهبود یکنواخت ساختار مواد کمک کنند.از جمله افزایش تراکم مواد و کاهش نقایص مواد.

2 مواد مرحله دوم

در زمینه تحقیقات در مورد خواص تریبولوژیکی سرامیک چند فاز آلومینا، ترکیب اجزای، که مواد ترکیبی را با اضافه کردن فاز های دوم مختلف، ذرات (یا موشک ها) تشکیل می دهد,همچنین راه اصلی برای بهبود خواص تریبولوژیکی (یا برش) سرامیک آلومینیوم است.با توجه به مکانیسم های مختلف تأثیرگذار، می توان آن را به چندین نوع تقسیم کرد، از جمله مکانیسم خود روان کننده مرحله دوم، اثر تقویت مرز دانه مرحله دوم،و مکانیسم واکنش شیمیایی اصطکاک مرحله دوم.

● مکانیسم خود چسبنده فاز دوممعرفی روغن های جامد فاز دوم مانند گرافیت، CaF2، PbWO4، MoS2، BN،و فلزات نرم به ماتریس سرامیکی Al2O3 می تواند به طور موثر ضریب اصطکاک مواد را کاهش دهد و خواص تریبولوژیکی آن را بهبود بخشد.روغن جامد 10٪ CaF2 به ماتریس سرامیکی کامپوزیت Al2O3 / TiC وارد شد و CaF2 برای تشکیل یک فیلم خود روان کننده بر روی سطح اصطکاک فشار داده و پوشش داده شد.فیلم خود روان کننده می تواند به طور موثر از چسبندگی بین مواد و جفت اصطکاک جلوگیری کند، ضریب اصطکاک را کاهش می دهد و نقش خود روان کننده ای دارد.

فاز دوم اثر افزایش مرز دانه هابا وارد کردن مرحله دوم (به طور عمده ذرات و موشک ها) به ماتریس سرامیکی آلومینیوماستفاده از تفاوت ضریب انبساط حرارتی بین ذرات پراکنده و مواد ماتریس، استرس باقیمانده را در طول فرآیند خنک سازی آماده سازی مواد ایجاد می کند و به تقویت مرزهای دانه می رسد.آنها نه تنها نیاز به غلبه بر انرژی مرز دانه ذاتی مواد ماتریس، اما همچنین انرژی اضافی که توسط فشارهای فشرده باقی مانده به ارمغان می آید، در نتیجه مقاومت گسترش ترک را افزایش می دهد.

از سوی دیگر، با توجه به ضریب انبساط حرارتی کوچکتر ذرات فاز دوم در مقایسه با ماتریس، اثرات حجم در طول خنک شدن مواد رخ می دهد،که منجر به ترک های کوچک در اطراف ذرات فاز دوم می شود.، باعث انحراف شکاف می شود و انرژی بیشتری برای گسترش شکاف مصرف می کند.علاوه بر این، ذرات فاز دوم به طور کلی شکل تقریبا کروی دارند، که نوک ترک را غیر فعال می کند، غلظت استرس را کاهش می دهد و از گسترش ترک جلوگیری می کند.در نتیجه بهبود خواص اصطکاک مواد.

مکانیسم واکنش شیمیایی اصطکاک مرحله دوم.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، تولید یک فیلم روان کننده و کاهش ضریب اصطکاک مواد، در نتیجه بهبود خواص اصطکاک مواد.

وارد کردن ذرات TiB2 به ماتریس سرامیکی Al2O3 برای آماده کردن ابزار برش سرامیکی کامپوزیت Al2O3/TiB2در طول آزمایش های برش با فولاد 45 # خاموش شده مشخص شد که زمانی که سرعت برش بیشتر از 120m / min است، یعنی دمای برش بیشتر از 800 °C است، TiB2 در ابزار برش سرامیکی ترکیبی Al2O3/TiB2 با اکسیژن واکنش نشان می دهد تا TiO2 و B2O3 تولید کند.با توجه به مقدار کم تر مولد انعطاف پذیری و سختی TiO2 در مقایسه با مواد ماتریس، مقاومت برش ابزار کاهش می یابد، که منجر به کاهش ضریب اصطکاک مواد، کاهش لباس چسبنده ابزار و بهبود مقاومت لباس ابزار می شود.

3 مکانیسم تریبولوژیکی

در سناریوهای مختلف کاربرد، مکانیسم های اصطکاک که توسط سرامیک آلومینیوم نشان داده می شود در واقع متفاوت است.بنابراین روش های مختلف تقویت باید ترکیب شود تا درمان مطابق با آن باشد..

مکانیسم فرسایش ابزار برش سرامیکی Al2O3/TiB2 در هنگام برش خشک با سرعت پایین با فرسایش چسب و فرسایش خیس کننده مشخص می شود.در برش خشک با سرعت بالا، مکانیسم فرسایش ابزار به عنوان فرسایش اکسیداسیون آشکار می شود.فیلم واکنش تولید شده بر روی سطح ابزار از طریق واکنش های شیمیایی اصطکاک نقش روان کننده جامد را بازی می کندبا افزایش محتوای TiB2 و سرعت برش، اثر ضد اصطکاک و ضد لباس فیلم واکنش افزایش می یابد.

خواص تریبولوژیکی مواد ابزار سرامیکی مبتنی بر Al2O3 با نوع افزودنی ها مرتبط است و مقاومت لباس آنها به ترتیب رو به کاهش است: Al2O3/SiCw، Al2O3/Ti (C، N) و Al2O3/TiC؛خواص اصطکاک ماده با سختی (H) ، مدولوس انعطاف پذیری (E) و سختی شکستگی (KIC) آن مرتبط است.میزان فرسایش W با افزایش E/H افزایش می یابد و با افزایش KIC کاهش می یابد;مکانیسم فرسایش مواد ابزار سرامیکی Al2O3/TiC عمدتاً فرسایش چسبنده است، در حالی که مکانیسم فرسایش مواد ابزار سرامیکی Al2O3/Ti (C، N) و Al2O3/SiCw عمدتاً فرسایش خیس کننده است.

استفاده از سرامیک های مقاوم به فرسایش آلومینیوم

1 کاربرد در سیستم های حمل و نقل مواد و زغال سنگ

فرسایش تجهیزات سیستم های حمل و نقل زغال سنگ و مواد عمدتاً ناشی از نیروی ضربه و اصطکاک است ، که قطعات فرسایش جدا کننده ، تیز و چاله زغال سنگ است.این قسمت ها به شدت مستعد فرسایش و حتی فرسایش هستند.هنگامی که نیروگاه ها و کارخانه های سیمان از صفحات فولادی منگنز پوشانده استفاده می کنند، مدت زمان استفاده معمولاً حدود 6 ماه است و آنها مستعد چسبیدن زغال سنگ و انسداد پودر هستند.اگرچه استفاده از ورق های پلی اتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا آسان نیست، مقاومت آنها در برابر ضربه و مقاومت در برابر لباس به اندازه ورق های فولاد منگنز خوب نیست.به خصوص زمانی که ذرات پودر زغال سنگ و سیمان در میان صفحه پوشش و صفحه فولاد فشرده شده و از بین می روند..استفاده از سرامیک های مقاوم در برابر فرسایش آلومینیوم به طور قابل توجهی عمر خدمات را بهبود می بخشد، پیشرفت های قابل توجهی در ایمنی تولید و مزایای اقتصادی را به ارمغان می آورد.

2 کاربرد در سیستم آسیاب

فرسایش سیستم تولید پودر زغال سنگ در نیروگاه های زغال سنگ عمدتاً ناشی از برخورد پودر زغال سنگ و فرسایش ضربه است.جریان هوایی پودر زغال سنگ با سرعت بالا باعث فرسایش شدید در خروجی کارخانه زغال سنگ، ورودی و خروجی جدا کننده پودر ضخیم و نازک و آرنج کانال هوا اولیه تجهیزات پودر سازی می شود.همین پدیده در پیچیدگی کانال هوا در سیستم انتخاب پودر کارخانه سیمان رخ می دهد.استفاده از سرامیک آلومینیوم مقاوم در برابر فرسایش تاثیر مثبتی بر تولید واقعی خواهد داشت.

3 کاربرد در سیستم های خاکستری و لاغری

در نیروگاه هایی که از سیستم های هیدرولیک حذف خاکستری و تخلیه slag استفاده می کنند، لوله های ورودی و خروجی مانند پمپ خاکستری، خندق خاکستری و نوزل ها به شدت فرسوده می شوند.بعد از استفاده از سرامیک آلومینیوم مقاوم به لباس، عمر خدمت طولانی است و مقاومت لباس خوب است، حل مشکلات مانند وظایف نگهداری مکانیکی سنگین و محیط بد.

4 به عنوان یک ماده خرد کننده

با توجه به سختي بالا، چگالي متوسط، مقاومت در برابر فرسایش، مقاومت در برابر خوردگي و قيمت کم،توپ های خردکننده آلومینیوم به طور گسترده ای در خرد کردن و پردازش مواد خام در صنایع مانند سیمان استفاده می شوند.مواد معدنی، سرامیک، مواد الکترونیکی، مواد مغناطیسی، پوشش ها و رنگ ها.در صنعت سرامیک ساختمانی، بهره وری از استفاده از توپ های آسیاب آلومینیوم 20 تا 40 درصد بالاتر از سنگ فلک و سنگ های طبیعی است.با کاهش منابع سنگ گلوله ای طبیعی با کیفیت بالا و میزان فرسایش بالای گلوله های سرامیکی معمولی، گلوله های آسیاب آلومینیوم به طور فزاینده ای توسط تولیدکنندگان بیشتری استفاده می شود.

5 استخراج نفت و گاز

سرامیک های مقاوم به فرسایش آلومینیوم می توانند به محیط های خشن، به ویژه آنهایی که دارای محتوای آلومینیوم بیش از 97٪ (از نظر جرم) هستند، سازگار شوند، که می توانند در تجهیزات حفاری برای نفت و گاز طبیعی استفاده شوند.کاربردهای معمول شامل نوزل ها، صندلی های شیرها، دستگاه های تنظیم کننده، لوازم جانبی پمپ ها و حتی لوازم جانبی حفاری است که می تواند در محیط های با فشار بالا، در نفت و گلدان خامه،و گاهی اوقات در حضور اسید ها و نمک ها کار می کنند.، با الزامات سختگیرانه تری برای مقاومت در برابر لباس و مقاومت در برابر خوردگی.