ZrO2/Al2O3復相陶瓷材料抗磨損特性的研究

2015-10-09 12:03:52倫文山余乃驍徐澤躍陸麗芳

江蘇陶瓷 2015年3期

倫文山余乃驍徐澤躍陸麗芳

（江蘇省陶瓷研究所有限公司，宜興 214221）

0 引言

耐磨材料是新材料領域的核心，在全球新材料研究領域中，耐磨材料約占85%。隨著信息社會的到來，特種耐磨材料對高新技術的發展起著重要的推動和支撐作用，是21世紀信息、生物、能源、環保、空間等高技術領域的關鍵材料，成為世界各國新材料領域研究發展的重點，也是世界各國高技術發展中戰略競爭的熱點。

腐蝕、磨損和斷裂是材料失效的3種主要形式，其中由于摩擦導致磨損失效約占設備損壞的70%～80%，每年損失都在上千億美元。改善潤滑、降低磨損可以帶來巨大的經濟效益，據估計約占各國國民生產總值2%以上。各國學者開展了大量的研究工作，其研究思路可歸納為以下3個方面:(1)細化晶粒。提高材料結構均勻性，包括提高材料致密度、降低材料缺陷等；(2)組分復合化。即通過添加各種第二相、顆粒(或晶須)形成復合材料；(3)相變增韌。目前可供選用的工程陶瓷材料有氧化物陶瓷(如 Al2O3、ZrO2陶瓷)、氮化物陶瓷(如 Si3N4、Sialon材料)和碳化物陶瓷(如SiC)等。如何提高它們的耐磨性是整套設備延長壽命的關鍵之一，也是取得最佳經濟效益的根本途徑。

二氧化鋯(ZrO2）陶瓷具有耐高溫、耐化學腐蝕、抗氧化、耐磨、熱膨脹系數大以及熱容和導熱系數小等特性，因此決定了它是一種非常理想的高溫耐火材料、研磨材料和高溫隔熱材料。但是，二氧化鋯還具有馬氏體相變的特性，相變時會產生體積變化，陶瓷產品易產生裂紋，其成本相比于氧化鋁也是較高。

本文主要研究如何將氧化鋯與氧化鋁復合，開發出復合型ZrO2/Al2O3復相材料，既可以大幅度提高陶瓷材料的耐磨性能，降低單一氧化鋁陶瓷耐磨性不足的缺點，又可以實現節能降耗的作用。

1 試驗過程

1.1 試驗原料及設備

試驗原料:氧化鋁（0.85μm），氧化鋯，八水合氧氯化鋯，六水合硝酸釔，氧化釔，氨水(25%)，聚乙二醇 400，去離子水，PVA溶液。

主要設備:TYE-1000型壓力試驗機，KSF1600型燒結爐，顯氣孔體密測定儀，掃描電子顯微鏡和磨損試驗機等。

1.2 試樣的制備

將ZrOCl2·8H2O晶體溶于去離子水按一定比例配成的溶劑中，配成一定濃度的氧氯化鋯溶液，然后加入3mol%的Y(NO3)3·6H2O晶體，待其溶解后加入適量的聚乙二醇400并攪拌約30min，記為A溶液；取適量的Al2O3溶于去離子水中配成一定濃度的漿液，記為B溶液；將A溶液加入到B溶液中，在攪拌的條件下，將一定濃度的氨水緩緩地加入到混合溶液中至沉淀完全；靜止陳化一段時間后過濾、洗滌至沉淀中無Cl-1存在，放入烘箱中于100℃下干燥，在1100℃下煅燒3h，制備得到復合粉體。在Φ130mm的模具中半干法機壓成型；成型后的試樣放入恒溫烘箱中100℃下進行低溫烘干處理，在1600 ℃高溫下燒結，保溫時間均為3h。

1.3 性能表征

(1)采用顯氣孔體密測定儀對燒結后的試樣的體積密度表征。

(2)采用掃描電子顯微鏡SEM對燒結后的試樣進行形貌分析。

(3)采用磨損試驗機計對燒結后的試樣進行耐磨系數測試。

2 結果與討論

2.1 ZrO2/Al2O3復相陶瓷的體積密度分析

ZrO2/Al2O3復相陶瓷的體積密度以及吸水率如圖1所示，陶瓷材料的密度大小是影響其耐磨性主要因素之一，復相陶瓷結構越致密，密度越大，其耐磨性相應的就越好。由圖1中可知，隨著氧化鋯含量由3wt%提高到8wt%時，復相陶瓷的體積密度出現升高的現象，吸水率相應的呈下降的現象。當氧化鋯含量＞8wt%時，其密度的變化趨勢趨于平緩，升高的幅度很小。氧化鋯的加入對氧化鋁起到抑制晶粒長大的作用，使氧化鋁復相體系具有一定的細晶化，提高了材料的致密度。有此可知，氧化鋯的添加量為8 wt%時得到較為理想的體積密度。

圖1 氧化鋯含量對體積密度以及吸水率的影響

2.2 ZrO2/Al2O3復相陶瓷的耐磨系數分析

2.2.1 化學共沉淀法添加氧化鋯對復相陶瓷材料的耐磨性的影響

ZrO2/Al2O3復相陶瓷的體積密度以及吸水率如圖2所示，耐磨系數的大小直接決定材料的抗磨損特性。陶瓷材料的磨損系數越小，其抗磨損性能越好。由圖可知，隨著氧化鋯含量由3wt%升高到8wt%時，其磨損系數不斷減小，當含量為8wt%時，磨損系數出現極小值，繼續增加氧化鋯的含量，其磨損系數的變化趨于平緩的狀態。通過該圖得到氧化鋯的添加量為8wt%較為合適。添加的氧化鋯作為第二相存在，由于在燒結過程中產生馬氏體相變，對復相體系起到相變增韌的作用，使復合陶瓷的斷裂韌性有相應的提高。

圖2 氧化鋯含量對耐磨系數的影響

2.2.2 直接添加氧化鋯對復相陶瓷材料的耐磨性的影響

圖3中1為不添加氧化鋯，2和3為選取氧化鋯含量為8wt%時，采用直接添加法和化學共沉淀法兩種方式加入氧化鋯，然后檢測其磨損系數的大小。

圖3 氧化鋯不同加入方式對耐磨系數的影響

由圖3可知，不加氧化鋯、直接加入氧化鋯和采用化學共沉淀法加入氧化鋯，對其磨損系數有較大的影響，不加氧化鋯和直接加入氧化鋯得到的磨損系數明顯大于化學共沉淀加入氧化鋯得到的磨損系數，造成原因是氧化鋯本身易團聚，直接加入氧化鋯后其在氧化鋁中很難均勻地分散，使得氧化鋯團聚體較多，對其耐磨性及其他力學性能產生較大的影響。化學共沉淀法得到的結果較為理想，氫氧化鋯沉淀溶液和氧化鋁溶液混合陳化時能使氫氧化鋯很好地附著在氧化鋁表面，在煅燒時得到的氧化鋯也能很好地分散且能完全包裹在氧化鋁表面，相對的其耐磨性得到大幅度地提高。

2.3 ZrO2/Al2O3復相陶瓷的斷口形貌分析

選取氧化鋯含量為8wt%時的復合陶瓷材料進行斷口的SEM分析試驗，得到的結果如圖4所示，圖中顯示的是3張不同倍數的SEM圖片，通過X3000和X5000的圖片可以看出，斷口結構中晶粒間基本沒有縫隙，晶粒和晶粒間緊密地粘合在一起，說明該復相陶瓷材料在1600℃時能很好地完成燒結。通過圖中結構發現，白色的物質可能是氧化鋯團聚體，氧化鋁結構中還是存在部分氧化鋯團聚體，氧化鋯沒有完全地分散在氧化鋁中。造成的原因可能是1100℃煅燒后的粉體在濕磨的過程中產生了少部分的團聚顆粒。