耐磨陶瓷的鉴别

耐磨陶瓷的鉴别湖南精城特种陶瓷有限公司 邵晓克 杨政 一、前言耐磨陶瓷以其超强的耐磨性、优异的性价比，已成为目前最优的耐磨材料之一，获得工业企业的广泛青睐，尤其是深受水泥生产企业的欢迎。但是，不可否认的是，耐磨陶瓷行业的无序竞争，使耐磨陶瓷在推广应用过程中出现了一些问题，这些问题使人们在耐磨陶瓷的认识上产生了一些的误区，对耐磨陶瓷的推广造成了不利的影响。本文从研究陶瓷磨损机理出发，对这些认识误区逐一加以探讨，提出影响耐磨陶瓷使用效果的关键性因素是陶瓷的品质、陶瓷与设备的结合方法、粘胶的选择及施工工艺的控制。希望对水泥企业及致力于水泥企业设备防磨的朋友有所帮助。二、耐磨陶瓷介绍耐磨陶瓷的范畴很广，理论上只要是以获取耐磨性为目的而生产的陶瓷产品都可称为耐磨陶瓷，包括SiC、Al2O3、Si3N4、ZrO2等。但是由于SiC、Si3N4、ZrO2生产成本高且制造难度大，难以大规模工业化并推广应用。因此目前所称的“耐磨陶瓷”，一般是指以AL2O3为主要原料生产的以获取其耐磨性能的陶瓷，这个概念最早由国内耐磨陶瓷主要生产企业之一湖南精城特种陶瓷有限公司提出，目前已被广泛接受。Al2O3是一种用途极其广泛的重要工业原料，Al元素在地壳中含量丰富，约占27%，仅次于Si在地壳中的含量。自然界除非常罕见的红宝石、蓝宝石是以结晶氧化铝形态存在外，绝大部分Al元素是以各种化合物形态存在，需要经过人工提纯并高温煅烧才能形成-Al2O3作为耐磨陶瓷的主要原材料加以利用。常用的耐磨陶瓷是95氧化铝陶瓷，其硬度仅次于金刚石，具有超强的耐磨性，可替代大量稀缺贵重金属。它是以氧化铝含量大于95%的氧化铝为原料，经1700高温烧结而成的，通过添加不同的添加剂，可以精确地控制化学组成和具有优异性能的陶瓷。Al2O3陶瓷以其优异的综合性能和较为合理的价格成为“耐磨陶瓷”的代名词。通常氧化铝陶瓷分为两大类，一类是高铝瓷，另一类是刚玉瓷。高铝瓷是以Al2O3和SiO2为主要成分的陶瓷，其中Al2O3的含量在45 左右，随着Al2O3含量的增多，高铝瓷的各项性能指标都有所提高；刚玉瓷是Al2O3含量在92以上的陶瓷。值得注意的是，目前耐磨陶瓷市场鱼龙混杂，一些厂家利用耐磨陶瓷定义不明确、用户分不清高铝瓷和刚玉瓷的区别的机会，将价格极其低廉的高铝瓷用做耐磨陶瓷，以此取得不正当竞争，不但损害了用户的利益，还对行业的健康发展造成不良的影响。目前，耐磨陶瓷国家标准正由以湖南精城特种陶瓷有限公司发起的耐磨陶瓷标准化委员会制定，相信随着耐磨陶瓷国家标准的推出，这种混乱的局面会得到遏制。三、 陶瓷磨损理论磨损是一个比较古老但又非常重要的课题。以前的磨损研究，大多集中于金属合金、涂层及聚合物。目前，人们对AL2O3、ZrO2、SIC、SI3N4等陶瓷及其复合物的摩擦、磨损及其机理进行了不少研究，由于陶瓷本身所具有的结构及性能特点与金属有很多的不同，使得照搬金属的摩擦磨损原理应用于陶瓷时，遇到了极大的困难，而适用于陶瓷的摩擦磨损理论还很不完善。磨损一般可分为切削磨损、疲劳磨损、粘着磨损、磨蚀磨损、冲击磨损等几大类，由于每种磨损的工作原理不尽相同，所以磨损机理也差别较大，但是在实际应用或试验中，他们往往不是孤立地作用，而是相互联系、相互影响的，有时是一种机理表现明显，有时是两种或几种机理共同作用。从不同的着眼点，人们对耐磨陶瓷摩擦磨损的研究可归结为外部因素对磨损特性的影响及内部因素与磨损特性的关系两个方面。外部因素主要有摩擦方式、环境、负载、滑动速度、温度及时间等。内部因素主要包括硬度、强度、韧性、弹性模量、粒径、气孔率、晶界相等。四、影响耐磨陶瓷使用效果的关键性因素(一) 影响耐磨陶瓷耐磨性能的因素要想获得高耐磨性的Al2O3陶瓷材料，不但要考虑使它具有高的密度、抗弯和耐压强度，而且要提高它的硬度和断裂韧性，而这些性质与Al2O3陶瓷的显微结构(闭气孔率、晶粒度、玻璃相的分布状态等)和它的磨损机理密切相关。氧化铝陶瓷制备环节中的各工艺条件都对它的烧结和显微结构有极大影响。它们包括：粉体的制备过程、粒径和粒度分布、成形方法、生坯密度、烧结温度、升温速率、保温时间、烧成气氛、是否加压等等。如精城的耐磨陶瓷就是采用了荣获国家科技进步三等奖的科研成果，核心是控制影响耐磨陶瓷性能三个主要因素：最佳的氧化铝原料及研磨级配、高密度坯体制备方法、合理的烧结温度和保温时间，所生产的耐磨陶瓷具有优异的综合性能，显微结构显示也非常有利于提高耐磨性能。1、原料粉体的影响耐磨陶瓷最重要的原料是高纯度的Al2O3粉，其性能好坏以及含量多少对氧化铝陶瓷有很大影响。陶瓷粉体在制备过程中难免要引人杂质，其中的有机杂质在烧结过程中将被烧掉，在致密化的过程中形成不规则的孔洞；而无机杂质则有可能在高温阶段与陶瓷粉体起反应或残留在基体中形成微裂纹。由杂质引起的这些微结构上的缺陷对氧化铝陶瓷的致密化有明显的影响，因此采用高纯度Al2O3粉末是制备性能优良的氧化铝陶瓷的重要前提条件。 典型的耐磨陶瓷生产是以经过多道工序提纯的工业烧结氧化铝粉料为原料，根据制品要求，按一定配方将粉料混合，然后经过成型烧结等工艺制成。这样制成的耐磨陶瓷具有极为优良的性能，但是由于整个工艺流程较长，因此生产成本较高。为了节省成本，市面上也有直接采用矿物（如高岭土）作为主要原料，添加少量烧结氧化铝。甚至也有人采用回收氧化铝陶瓷废料作为主要配料，这些已形成相的氧化铝陶瓷与周围分子无法形成有机结合体，致密性和耐磨性大打折扣。这也是为什么市面上耐磨陶瓷价差巨大的主要原因之一。2、原料粉粒细度的影响原料粉粒细度对制品性能影响很大，只有原料足够细，最后的烧成制品才有可能形成微晶结构，使它具有很好的耐磨性。Al2O3粉体颗粒越细，活性也越大，可促进烧结，制成的陶瓷强度也越高。小颗粒还可以分散由于刚玉和玻璃相线膨胀系数不同在晶界处造成的应力集中，减少开裂的危险性；细的晶粒还能妨碍微裂纹的发展,不易造成穿晶断裂,有利于提高断裂韧性，还可提高耐磨性。 3、成型方法的影响实践生产与大量研究表明：低气孔率、高致密度的氧化铝陶瓷结构性能优良。高致密度意味着陶瓷体内晶粒排列紧密，在承受外界载荷或腐蚀性物质侵蚀的时候不易形成破坏性的突破点。而要得到高致密度的陶瓷坯体，成型方法是关键。氧化铝陶瓷的成形一般采用干压、等静压、热压铸等方法。不同的方法具有不同特点，对氧化铝陶瓷烧结性能和显微结构的影响也会有所不同。一般对于形状复杂的制品多以注浆或热压铸工艺为主，对于形状简单的制品可采用干压成型。一般而言，干压成型的制品致密性要好于热压铸成型的制品。4、烧结的影响对于陶瓷的烧结，简单地讲就是陶瓷生坯在高温下的致密化过程。随着温度的上升和时间的延长，粉末颗粒之间发生粘结，烧结体的强度增加，把粉末颗粒的聚集体变为坚硬的具有某种显微结构的多晶烧结体，并获得所需的物理、机械性能的制品或材料。样品的致密化速率、最终结构往往也反映了它经历过什么样的热处理过程。 烧结是陶瓷制备的关键阶段，烧结气氛对陶瓷材料的制备影响很大。过高的烧成温度或过长的保温时间都会促进晶体生长，使微细的原料在高温下发育成粗大晶粒，液相量增加，这样不但强度下降，同时耐磨性也会减弱。当然温度太低易导致烧结体不致密，制品耐磨性也不好。采用先进的电窑烧结可以精确控制烧结的升温、保温及降温过程，对提高耐磨陶瓷的性能有重要作用，但是电窑烧结成本及耐火材料的消耗比气窑及煤窑要高一些。(二) 如何鉴别耐磨陶瓷1. 看外观鉴别耐磨陶瓷的优劣最简单直观的方法是从外观上辨别，优质的耐磨陶瓷表面光滑细腻，无明显缺陷，迎光看边缘通透、色泽光润且有晶体光泽。劣质的耐磨陶瓷杂质较多，表面粗糙、颜色暗淡。 劣质耐磨陶瓷 优质耐磨陶瓷2.测性能指标1)密度：密度高的产品意味着氧化铝含量高，同时也意味着结构致密，因此测密度是最简单直接的方法。但完全凭密度指标还很难判断陶瓷品质的优劣，还要借助其他手段。2)Al2O3含量：一般来说， Al2O3的含量对产品的耐磨性影响巨大，Al2O3含量越高，耐磨性越好。3)硬度：硬度是考量产品耐磨性的重要指标之一，尤其是在特殊情况下会起关键性作用，如高速粒子低冲蚀角的磨损情况下。4)韧性是目前研究得最多、与磨损量关系也最为密切的内部因素。人们现在普遍的认识是韧性与耐磨陶瓷的摩擦磨损关系极大。目前改善氧化铝陶瓷的断裂韧性有以下几种途径：(1)颗粒弥散增韧；(2)纤维和晶须增韧；(3)氧化锆相变增韧；(4)复合增韧；(5)自增韧等。精城自主研发的利用晶须和纤维增韧技术已经比较成熟，可提高陶瓷韧性1倍以上。晶须本身具有很好的力学性能，晶须在拔出和断裂时，都要消耗一定的能量，有利于阻止裂纹的扩展。此外，晶须在陶瓷中对裂纹的桥联、钉扎或偏转等作用也能显著提高氧化铝陶瓷的韧性。这种经过增韧的氧化铝陶瓷被广泛用于冲击磨损严重的部位。陶瓷的断裂韧性和硬度被认为是影响耐磨性最重要的性能。一方面，这些性能取决于显微结构特点，另一方面也与陶瓷的损毁机理有关。所以选择高性能的耐磨陶瓷要特别注意对硬度和断裂韧性这两个指标进行考评。3.观察微晶结构评价与选择耐磨陶瓷时，应把所有与耐磨性相关的性能，显微结构及工作条件作为一个整体考虑。对于脆性的Al2O3材料的磨损是由于小的磨屑颗粒压入摩擦面的表面并促使陶瓷表面裂纹形成。当磨屑颗粒与Al2O3接触时，处于“初级弹性”状态，这必将促进裂纹的形成，产生放射状和横向裂皱。在Al2O3陶瓷显微结构中，刚玉结晶周围的边界层(具有微小结晶的玻璃相)裂纹就会从这些边界层开始，在残余的微裂纹和制造过程中形成的其他缺陷处形成“应力集中”，从而形成网状裂纹。在磨屑颗粒的不断作用下，边界层开始被破坏而造成晶粒脱落。所以玻璃相的结合强度将直接影响着Al2O3陶瓷的耐磨性。 有学者曾对气孔率与摩擦磨损的关系做过较为详细的研究，结果表面：在气孔率不太大时对摩擦磨损的影响不大，而气孔率进一步增大时，磨损率升高很快。掺杂物的介入会引起陶瓷高温性能的下降，从而影响陶瓷的耐磨性。而改善晶界相的组成、结构和性能，可以大大提高陶瓷抗断裂磨损的能力。(三)粘胶耐磨陶瓷应用效果关键在于如何解决陶瓷与设备的结合问题，除了选型正确以外，粘胶质量的好坏是至关重要的影响因素。决定耐磨陶瓷的使用效果，主要是确保陶瓷不脱落。水泥厂部分设备温度很高，有的长期运行于500的高温，偶尔可能达到600的高温。大部分防磨厂家采用传统的环氧树脂类的有机粘胶。这类粘胶主要是有机成分，不耐高温，且易老化。满足不了长期运行的要求，即使采用燕尾槽装卡或螺柱焊装卡，一旦长期在超高温情况下运行，粘胶极易老化变脆粉碎。总结目前市面上用于耐磨陶瓷粘贴粘胶，普遍存在如下缺陷：1、耐温性不好：多数设备运行时都是在一定温度的情况下工作的，传统的环氧类粘胶耐温只有120左右，不能很好满足设备的运行工况，一旦工况不稳极易造成耐磨陶瓷片的脱落；2、韧性不够：耐磨陶瓷的热膨胀率与设备基材金属的膨胀率不同，而设备运行中温度的变化是经常性的，这就要求胶层能补偿两者之间因膨胀率不同而造成位移所形成的扯力，传统的环氧胶粘剂脆性较大，不能很好满足设备在温度变化时对胶粘剂韧性的要求，从而造成耐磨陶瓷片的脱落；3、不耐老化：一般来说耐磨陶瓷可以完全满足设备防护周期内耐磨防护的要求，胶粘剂的老化性能将决定设备防护周期内耐磨陶瓷片是否脱落的关键因素，传统胶粘剂处于设备运行多变及苛刻的条件下老化性往往不能很好的满足要求，往往陶瓷磨损甚微，就已经脱落，造成社会资源的浪费；4、耐腐蚀性不足：有些设备是在一定腐蚀的工况下运行的，如果只考虑粘接效果而忽视了对胶粘剂耐腐蚀性方面的要求，也往往使耐磨陶瓷片脱落而造成防护失败。 有机粘胶在高温下整体剥落随着对耐磨陶瓷应用研究的逐渐深入，一些厂家认识到市场上使用的粘胶并不能很好地满足耐磨陶瓷粘贴的使用要求，转而寻求开发耐磨陶瓷专用粘胶，其中不乏精品。如精城和清华大学材料系合作研发的GWJ系列耐高温无机粘合剂，就以强度高、韧性好、耐热性好、耐老化性能优异及施工方便等特性得以广泛应用。这种粘胶最值得称道的是针对设备运行骤热骤冷的情况，改良了粘接剂的微纤维结构，使其热膨胀系数介于钢铁和陶瓷之间（910-6m/ m.K），可以很好地调节由于陶瓷与钢铁热膨胀不一致所带来的对陶瓷的挤压，最大限度地保证陶瓷在各种恶劣的环境中长期运行不脱落。(四)施工工艺耐磨陶瓷的施工一般要先对设备进行修复、设备打磨、调胶、涂胶、粘贴、固化几个步骤，特殊产品还需要焊接等工作。1、设备挖补：在施工之前要求对磨损的设备进行挖补，要求光滑平整；2、打磨除锈：对设备进行打磨，要求完全除去表面锈蚀，然后用清洗剂清洗表面异物；3、调胶：调胶必须按比例进行，负责可能造成粘胶变脆或长期不固化；4、涂胶：要确保陶瓷四面及底面全部涂满胶；5、粘贴：粘贴后要将陶瓷压实，挤出空气，粘贴倒顶要用辅助设备压实直到完全固化。这些看似简单的工作，实施起来却没那么容易。耐磨陶瓷的安装施工是个需要细心且费时的工作，细节往往决定成败。大家都知道，高速风粉对设备的冲刷非常严重，陶瓷间缝隙如果和风向平行，很容易形成沟槽，很快就会脱落。精城首创并长期坚持的错位粘贴法可以有效避免风粉对陶瓷间隙的冲刷，耐磨陶瓷可靠性大大增强。再如目前在高温风管广泛应用的焊接工艺，大部分厂家是采用普通电焊将碗式垫片将陶瓷固定在设备上，从理论上是可行，但是这种工艺操作复杂且无法检验焊接效果，在大面积使用时可靠性较低。我们对几家厂家的产品进行抽检，外观检查时看不出焊接质量，只有在破坏试验时才能验证，发现30%的焊点存在虚焊、脱焊现象。为了从根本上提高产品可靠性，精城引进了新式焊接工艺，这种工艺最大的优点是可靠性高且可及时对焊接强度进行复检。耐磨陶瓷的施工一般要在复杂的环境下进行，是一项需要细致而费时的工作绝不是临时拼凑的队伍可以胜任的。遗憾的是，一些用户很重视耐磨陶瓷及粘胶的选择，却忽视了对耐磨陶瓷安装的控制。一些厂家为了节省成本，也往往在当地临时组建施工队伍，这些临时组建的队伍无论从操作技术还是从责任心都很难得到控制，致使昂贵的耐磨陶瓷很快脱落，功亏一篑，达不到预期的效果。 粗糙的安装工艺普通焊接陶瓷运行一段时间后脱落 规范的安装工艺(五)正确选型是耐磨陶瓷使用的关键材料的磨损特性与材料的强度等机械性能不同,它是一个与磨损工况条件密切相关的系统特性。设备的磨损程度,是设备本身选用的材料、环境参数(如冲角、冲蚀速度、冲蚀时间和温度等) 、磨粒性能(如硬度、粒度和形状等) 、靶材性能(如硬度、断裂韧性和显微组织结构等)共同作用的结果。所以,耐磨材料的选择必须结合其实际使用条件来考虑。设备的磨损和防磨是一个矛盾体，掌握常用耐磨材料各自的特点，再根据不同部位的磨损性质和工作条件，有针对性地选择适宜的耐磨材料和防磨方法，才能有效提高设备的综合抗磨损能力，从而提高设备的整体寿命和可靠性。所以产品选型是方向性问题，材质选准了，再辅以合适的安装工艺，自然能收到满意的使用效果。提到耐磨陶瓷的选型，很多人还停留在耐磨陶瓷片的印象上，殊不知耐磨陶瓷经过十多年的发展，在广大耐磨陶瓷科技工作者的努力下，已出现多种针对不同使用工况的耐磨陶瓷产品，这些产品涵盖了从常温到上千度的高温，从粉粒冲刷到矿石输送大部分工况，可以满足气力输送、水力输送、物料输送系统大部分设备的防磨需求。下表是精城系列耐磨陶瓷的适用范围：产品系列代号结构特点适用范围直粘型NMC-Z耐高温无机粘胶粘贴用于350以下气力输送系统设备防磨粘固型NMC-G螺柱焊+耐高温无机粘胶胶合用于350-750气力输送系统设备防磨燕尾型NMC-Y用燕尾条将陶瓷固定在设备上用于动态运行设备或超高温（1000）工况下设备防磨胶粘型NMC-J将平面陶瓷硫化在橡胶内用于100以下物料输送系统设备防磨常温抗冲击型NMC-K将球面陶瓷硫化在橡胶内用于100以下物料输送系统高冲击设备防磨高温抗冲击型NMC-WK螺柱焊+耐高温无机粘胶胶合用于100-750物料输送系统设备防磨滚筒包陶瓷橡胶NMC-B将具有表面小颗粒的陶瓷硫化在带沟槽橡胶中用于替代传统滚筒包胶研究水泥厂设备磨损的原理，在选型时，首先要考虑的是物料转运方式，即是气力输送还是靠皮带或自然落差的物料输送，一般来说气力输送系统的设备磨损严重，但冲击不大，此时提高耐磨陶瓷的硬度是合适的。而物料输送系统的防磨以提升防磨材料的韧性为主，硬度为辅。通过实践发现，将陶瓷加厚并通过改良配方提高陶瓷的断裂韧性可以大幅度提高耐磨陶瓷的抗冲击性能。其次要考虑设备的工作温度，这决定了耐磨陶瓷安装方式的选择，原则是在确保耐磨陶瓷可靠的情况下尽可能选择最经济的安装方式。如果是大块物料输送，还要综合物料性质、颗粒大小、落差、冲蚀角等因素评估冲击的强度，以确定选用合适的耐磨陶瓷。当然，在产品选型时还要考虑安装及更换的便利性，现在已有一些厂家能提供整体设备制作服务，对一些不方便现场安装陶瓷的设备如小口径管道、风机叶轮、设备衬板等都可在工厂做好，这样不但安装和更换方便，可靠性也大大增强。下面以水泥厂设备防磨为例，来说明产品选型时应遵循的一般的原则。需要指出的是，以下