為關(guān)鍵應(yīng)用選擇材料的6個因素
部分穩(wěn)定的氧化鋯陶瓷是強(qiáng)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(hù)周期，降低生產(chǎn)成本，提高設(shè)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(jié)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(guī)致密化后進(jìn)行HIPed(熱等靜壓)。HIPing用于去除微孔隙，從而提高強(qiáng)度。每種配方都有獨特的性能、設(shè)計考慮和成本驅(qū)動因素。在為關(guān)鍵應(yīng)用或苛刻服務(wù)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(yè)目標(biāo)一起考慮。
如何選擇適合惡劣環(huán)境的材料?
選擇可以分解為許多不同的因素，但我們已經(jīng)從六個關(guān)鍵因素開始。每一個都應(yīng)該單獨評估，然后根據(jù)可能的影響和風(fēng)險進(jìn)行排名。應(yīng)該根據(jù)工作所需的最關(guān)鍵方面來做決定。例如，折射tron的HIPed YTZP提供了優(yōu)異的強(qiáng)度，但I(xiàn)zory?HD更堅硬。Izory?HD對可能導(dǎo)致故障的裂縫具有更強(qiáng)的抵抗力。它也更經(jīng)濟(jì)，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(guān)鍵因素:
- 韌性
- 強(qiáng)度
- 硬度
- 耐磨性
- 耐蝕性
- 應(yīng)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(guān)。它是一種表示抵抗裂紋擴(kuò)展的方式，這種裂紋擴(kuò)展可能由于內(nèi)部缺陷和/或由于加工、處理和安裝而造成的外部損壞而導(dǎo)致災(zāi)難性失效。斷裂韌性可以通過ASTM C1421標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(jī)制利用了氧化鋯的亞穩(wěn)態(tài)晶體轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變是由應(yīng)力而不是由溫度變化觸發(fā)的。這種轉(zhuǎn)變會產(chǎn)生體積膨脹，從而減弱裂紋的擴(kuò)展，而裂紋的擴(kuò)展通常會導(dǎo)致陶瓷的災(zāi)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(jī)制有助于韌性。
燒結(jié)碳化硅和碳化鎢材料有它們的優(yōu)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(wù)期間裂紋擴(kuò)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(qiáng)度
MOR(斷裂模量)是一種可以讓我們對陶瓷強(qiáng)度進(jìn)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(fù)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(chǎn)生比4點高15%到20%的more值，因為峰值應(yīng)力只施加在樣本的中點。相比之下，四點測試產(chǎn)生的峰值應(yīng)力沿擴(kuò)展區(qū)域分布，從而暴露出更大的材料長度/體積。
由于陶瓷的強(qiáng)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(jié)構(gòu)氧化鋁和燒結(jié)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(jié)構(gòu)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(xì)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(jié)合，通過一個小的菱形方形金字塔尖傳輸負(fù)載到它。通常大于200克(力)的載荷用于在樣品上產(chǎn)生菱形壓痕。維氏金字塔數(shù)(Hv)由F/mm2計算，其中F =以千克為單位的負(fù)荷，mm2 =縮進(jìn)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(zhuǎn)換為MPa。一般來說，高壓是獨立于測試力的，盡管用更大的負(fù)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(guān)，因此應(yīng)避免使用不同方法的數(shù)據(jù)進(jìn)行硬度比較，但下表可以提供初步指導(dǎo)。
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(chǎn)品具有高評級，從環(huán)磨損測量，ASTM G174(選項C)，使它們成為許多不同應(yīng)用的適當(dāng)選擇。測試使用的是市售高硬度3μm氧化鋁顆粒膠帶。當(dāng)施加100g的力時，膠帶會通過指定數(shù)量的膠帶，通常為75道。這將產(chǎn)生有限深度的劃痕，由摩擦學(xué)軟件進(jìn)行分析，報告磨損為mm3的材料損耗。使用低硬度介質(zhì)(如石英)腐蝕高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)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(guān)，產(chǎn)生從高到低的順序:碳化鎢，燒結(jié)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(chǎn)生侵蝕的應(yīng)用中，拋光的Izory?HD盡管具有最低的Hv和耐磨性，但仍表現(xiàn)出卓越的性能。也許，這可以用它的摩擦系數(shù)(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(xué)環(huán)境，磨料顆粒等。然而，使用Mg-PSZ滑動鋼進(jìn)行的臺式測量的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)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(jié)合而變得復(fù)雜。這些包括:
- 溫度
- 壓力
- 化學(xué)物質(zhì)的濃度pH/eH
- 陶瓷的“潤濕”等
陶瓷與流體的連續(xù)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(yīng)的動力學(xué)。一個簡單的標(biāo)準(zhǔn)測試是不可能覆蓋所有變量的。事實上，還有其他的并發(fā)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(xué)物質(zhì)，通常在ppm范圍內(nèi)，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(nèi)部，而是在晶界處分離。即使晶粒耐腐蝕，在邊界處的微化學(xué)往往是弱點。這強(qiáng)調(diào)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(xì)微差異會導(dǎo)致巨大的性能差異?？紤]到固有的復(fù)雜性，refrtron可以提供一般指導(dǎo)，但如果用戶對特定流體化學(xué)和環(huán)境條件的潛在腐蝕有疑問，則建議用戶與供應(yīng)商進(jìn)行現(xiàn)場或?qū)嶒炇乙?guī)模的測試。
6:應(yīng)用的條件
通常還有其他與應(yīng)用程序相關(guān)的條件需要考慮。溫度就是一個例子。許多標(biāo)準(zhǔn)化測試是在室溫下進(jìn)行的，如果應(yīng)用要求強(qiáng)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(huán)，產(chǎn)生熱應(yīng)力或在負(fù)載下長時間浸泡，從而導(dǎo)致變形，則會使應(yīng)用更加嚴(yán)峻。我們將簡單地闡明討論應(yīng)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(guān)維護(hù)，以及設(shè)計限制。有代表性的現(xiàn)場測試是選擇材料的最佳方法，因為標(biāo)準(zhǔn)化測試是在受控環(huán)境中進(jìn)行的，通常只關(guān)注一個參數(shù)。嚴(yán)酷的應(yīng)用可以同時測試強(qiáng)度、韌性和耐腐蝕性。
