為關鍵應用選擇材料的6個因素

部分穩定的氧化鋯陶瓷是強大的，堅韌的，或崎嶇不平的，并提供出色的耐磨和耐腐蝕性。它們可以延長維護周期，降低生產成本，提高設備的可靠性和性能，并增加配合部件的使用壽命。毫無疑問，氧化鋯陶瓷是比氧化鋁、燒結SiC、碳化鎢或鋼更好的選擇。

Refractron專注于增韌氧化鋯，并提供三種核心配方:Izory?HD (Mg-PSZ的變體)，YTZP(H) Dark和ATZ(H)。

后兩者在高溫下常規致密化后進行HIPed(熱等靜壓)。HIPing用于去除微孔隙，從而提高強度。每種配方都有獨特的性能、設計考慮和成本驅動因素。在為關鍵應用或苛刻服務選擇材料時，必須將其性能與功能要求、制造限制、性能期望和商業目標一起考慮。

如何選擇適合惡劣環境的材料?

選擇可以分解為許多不同的因素，但我們已經從六個關鍵因素開始。每一個都應該單獨評估，然后根據可能的影響和風險進行排名。應該根據工作所需的最關鍵方面來做決定。例如，折射tron的HIPed YTZP提供了優異的強度，但Izory?HD更堅硬。Izory?HD對可能導致故障的裂縫具有更強的抵抗力。它也更經濟，因為它在加工中使用更便宜的原材料，可以快速和積極地研磨到精確的公差，并且不需要額外的HIPing。

需要考慮的六個關鍵因素:

• 韌性
• 強度
• 硬度
• 耐磨性
• 耐蝕性
• 應用的條件

1:斷裂韌性

圖示:Izory?HD中變形增韌的圖示

斷裂韌性與堅固性有關。它是一種表示抵抗裂紋擴展的方式，這種裂紋擴展可能由于內部缺陷和/或由于加工、處理和安裝而造成的外部損壞而導致災難性失效。斷裂韌性可以通過ASTM C1421標準測試來量化，該測試測量材料在切槽以模擬缺陷后的抗破壞能力。與許多性能一樣，這是比較先進材料斷裂韌性的方便起點。

每一種Refractron氧化鋯都有不同的斷裂韌性，但通常都被稱為“相變增韌”。這種類型的增韌機制利用了氧化鋯的亞穩態晶體轉變，這種轉變是由應力而不是由溫度變化觸發的。這種轉變會產生體積膨脹，從而減弱裂紋的擴展，而裂紋的擴展通常會導致陶瓷的災難性失效。Izory?HD，通常被稱為“陶瓷鋼”，具有最高的斷裂韌性，因為其他機制有助于韌性。

燒結碳化硅和碳化鎢材料有它們的優點，但它們提供的韌性只是折射氧化鋯的一小部分。如果在加工，處理和安裝或服務期間裂紋擴展過程中具有抗切屑的材料很重要，Izory?HD是一個很好的選擇。

2:強度

MOR(斷裂模量)是一種可以讓我們對陶瓷強度進行排序的特性。它是材料在彎曲試驗中受力時斷裂的點。試樣由負載砧裝置破碎，而金屬夾具在指定尺寸的試樣末端提供線支撐(圖1)。MOR以MPa單位報告為3點或4點測量，因此澄清方法很重要。

3點總是產生比4點高15%到20%的more值，因為峰值應力只施加在樣本的中點。相比之下，四點測試產生的峰值應力沿擴展區域分布，從而暴露出更大的材料長度/體積。

由于陶瓷的強度通常受到其體積中缺陷的非均勻分布的限制，因此折射公司報告的四點測試(ASTM C-1161)最能表征該材料。結構氧化鋁和燒結SiC陶瓷比HIPed YTZP和ATZ弱3-4倍，比Izory?HD弱近2倍。右邊的表格突出顯示了典型的值。

3: 硬度

對于結構陶瓷來說，高硬度很重要，因為它主要描述了抗刮擦的能力。反過來，它涉及到在使用過程中由于有時含有細顆粒的流體的摩擦或侵蝕而造成的磨損(見下文)。

Refractron測量維氏硬度(ASTM C1327)來表征這種特性。顯微鏡與一個安裝和水平樣品的舞臺和一個裝置相結合，通過一個小的菱形方形金字塔尖傳輸負載到它。通常大于200克(力)的載荷用于在樣品上產生菱形壓痕。維氏金字塔數(Hv)由F/mm2計算，其中F =以千克為單位的負荷，mm2 =縮進面積。這個F/mm2單位不能反映真實壓力，但如果需要，可以通過可用的公式轉換為MPa。一般來說，高壓是獨立于測試力的，盡管用更大的負載來驗證這一點是很好的做法。例如，該屬性被報告為Hv2，有時也被報告為Hv2/20，其中2 = 2kg(力)和20 = 20秒施加的力。

努氏試驗法和洛氏試驗法有時也用于測量高級陶瓷的硬度。由于這些方法充其量只能定性地與維氏硬度相關，因此應避免使用不同方法的數據進行硬度比較，但下表可以提供初步指導。

4:耐磨性

耐磨性，也稱為抗磨性，是陶瓷表面承受侵蝕、摩擦或摩擦退化的能力。折射tron的氧化鋯產品具有高評級，從環磨損測量，ASTM G174(選項C)，使它們成為許多不同應用的適當選擇。測試使用的是市售高硬度3μm氧化鋁顆粒膠帶。當施加100g的力時，膠帶會通過指定數量的膠帶，通常為75道。這將產生有限深度的劃痕，由摩擦學軟件進行分析，報告磨損為mm3的材料損耗。使用低硬度介質(如石英)腐蝕高強度結構陶瓷樣品的耐磨性測量不能用于可靠的材料比較。

除了一個例外，耐磨性與Hv相關，產生從高到低的順序:碳化鎢，燒結SiC, HIPed ATZ，其次是氧化鋁，HIPed YTZP和Izory?HD。HIPed ATZ是一個有趣的異常，因為它的電阻是迄今為止典型的高級陶瓷氧化物列表中最好的，甚至大于其組成相，氧化鋁和YTZP。

在不同材料之間的摩擦或滑動可能產生侵蝕的應用中，拋光的Izory?HD盡管具有最低的Hv和耐磨性，但仍表現出卓越的性能。也許，這可以用它的摩擦系數(CF)來解釋，這是一種難以測量的特性，包括多種變量，如潤滑劑，化學環境，磨料顆粒等。然而，使用Mg-PSZ滑動鋼進行的臺式測量的文獻數據表明，陶瓷具有非常低的CF。

5:耐腐蝕

陶瓷的腐蝕，主要是由流體引起的，由于許多變量的結合而變得復雜。這些包括:

• 溫度
• 壓力
• 化學物質的濃度pH/eH
• 陶瓷的“潤濕”等

陶瓷與流體的連續接觸，無論是停滯的還是與速度的接觸，在很大程度上決定了影響陶瓷耐久性的潛在反應的動力學。一個簡單的標準測試是不可能覆蓋所有變量的。事實上，還有其他的并發癥。腐蝕往往伴隨著侵蝕。所有的陶瓷從來都不是“純”的，因為它們含有其他化學物質，通常在ppm范圍內，來自使用的原材料和蓄意添加和/或偶然加工的污染物。它們不存在于晶粒內部，而是在晶界處分離。即使晶粒耐腐蝕，在邊界處的微化學往往是弱點。這強調了你如何制作它以及你使用的東西很重要!

原材料和加工過程的細微差異會導致巨大的性能差異。考慮到固有的復雜性，refrtron可以提供一般指導，但如果用戶對特定流體化學和環境條件的潛在腐蝕有疑問，則建議用戶與供應商進行現場或實驗室規模的測試。

6:應用的條件

通常還有其他與應用程序相關的條件需要考慮。溫度就是一個例子。許多標準化測試是在室溫下進行的，如果應用要求強度，或在250°C或更熱的情況下耐磨和耐腐蝕，則可能沒有什么價值。如果這些條件包括快速循環，產生熱應力或在負載下長時間浸泡，從而導致變形，則會使應用更加嚴峻。我們將簡單地闡明討論應用程序條件的重要性，而不是試圖闡明幾個場景。

重要的是要考慮所有六個因素，并可能包括其他因素，如價格、可用性、故障影響和相關維護，以及設計限制。有代表性的現場測試是選擇材料的最佳方法，因為標準化測試是在受控環境中進行的，通常只關注一個參數。嚴酷的應用可以同時測試強度、韌性和耐腐蝕性。