耐磨陶瓷耐沖擊試驗及分析

楊忠斌 馮文強 王強

摘 要：介紹耐磨陶瓷的兩種簡單耐沖擊試驗和Q235B鋼塊擊裂（開）耐磨陶瓷塊沖擊點壓強的一種估算方法，對設備合理選用耐磨陶瓷有一定的指導意義。

關鍵詞：耐磨陶瓷；耐沖擊；試驗；分析

IMPACT RESISTANCE TEST AND ANALYSIS OF WEAR-RESISTANT CERAMICS

Yang Zhongbin1 2 Feng Wenqiang1 2 Wang Qiang1 2

（1.Hebei Province Intelligent Furnace Top Equipment Engineering Research Center. Qinhuangdao 066318，China; 2.Qinhuangdao Qinye Heavy Industry Co.， Ltd. Qinhuangdao 066318，China）

Abstract：This paper introduces two simple impact tests of wear-resistant ceramics and a method for estimating the impact point pressure of Q235B steel blocks cracking （opening） wear-resistant ceramic blocks， which has certain guiding significance for the rational selection of wear-resistant ceramics for equipment.

Key words：wear-resistant ceramics; impact resistance; test; analysis

0 前 言

耐磨陶瓷是以Al2O3為原料、以稀有金屬氧化物為熔劑、經過1 650 ℃以上的溫度燒結制成的特種陶瓷，具有硬度高、耐磨與耐熱性好、重量輕的特點，在鋼鐵、火電、煤炭、礦山、化工、水泥、港口及其他機械等行業的輸料、制粉、排灰除塵等磨損較大設備上的應用越來越多。目前，國內常用的耐磨陶瓷Al2O3含量為95%（俗稱95瓷）和92%（俗稱92瓷）。

耐磨陶瓷還具有對微小缺陷十分敏感、斷裂韌度較低的物理特性。目前，對耐磨陶瓷的耐磨性、抗壓強度、抗彎強度及陶瓷斷裂韌性研究的公開資料及數據很多，并且基本一致。但對多大的沖擊點壓強能將耐磨陶瓷破裂，公開資料中的研究結果均為實驗室條件下取得的，并且沒有Q235B鋼塊沖擊耐磨陶瓷的研究數據。

相關資料表明，在測試Al2O3材料樣塊表面的維氏硬度時，當測試壓頭產生23.7 GPa的壓強后，壓頭下Al2O3樣塊表面的底痕邊緣會發生細微破碎，同時在任痕角上沿對角線延長方向上產生裂紋[2]。另有資料顯示，基于AD95陶瓷高壓聲速研究結果，對雨貢紐狀態的有效剪切模量進行了分析討論，結果表明：1）與無損傷情況下的理論有效剪切模量相比，實測的有效剪切模量在加載應力大于HEL之后具有明顯的下降過程，體現了材料開始發生等效損傷以及損傷程度不斷增加的過程。2）有效剪切模量雖然降低但并不降低到零，材料仍然具有一定表觀強度。3）當加載應力大于約40 GPa之后，有效剪切模量隨加載應力的增加逐漸增大，明顯低于理論有效剪切模量，但變化趨勢近乎平行，表明此時材料發生了嚴重的等效損傷，處于類流體狀態[3]。

秦冶重工公司的主導產品之一高爐爐頂裝料設備，是煉鐵高爐接收并向爐內傳輸爐料的關鍵設備，爐料中大多夾雜鋼板等硬物，如近年為提高出鐵產量，鋼鐵廠會在爐料中有計劃添加廢鋼，廢鋼等硬物沖擊力對設備的影響不容忽視。我們為確保設備應用耐磨陶瓷的部位使用壽命符合預期要求，對耐磨陶瓷進行了一些模擬工況條件的簡單耐沖擊試驗與分析。

1 耐磨陶瓷的耐沖擊試驗

1.1 物體自由落體垂直沖擊平置耐磨陶瓷板的試驗

1.1.1 試驗情況

選取2種耐磨陶瓷板，進行了圖1所示的物體自由落體垂直沖擊它們的試驗，結果見表1。

試驗中，Q235B材質的40 mm×40 mm×40 mm鋼塊自由落體5.5 m擊裂（開）浮放在石板上的耐磨陶瓷板時，鋼塊被斜向下彈出、落地，鋼塊一尖角被壓碓成圖2-2中的三角形 。隨后，又多次用同樣尺寸的幾個鋼塊，自由落體2 m垂直沖擊另外的75 mm×75 mm×25 mm耐磨陶瓷板，陶瓷板除出現沖擊亮印之外，沒有損傷，鋼塊被彈起幅度很小，鋼塊邊角有不同程度的變形，均明顯小于前述擊裂（開）陶瓷襯板的鋼塊變形。

1.1.2 估算40 mm×40 mm×40 mm鋼塊自由落體5.5 m擊裂（開）耐磨陶瓷板的沖擊點壓強

1.1.2.1 繪制分析圖

圖2是我們根據試驗情況繪制的分析圖，其中A角是試驗用40 mm×40 mm×40 mm鋼塊擊裂（開）陶瓷板前的原始角，?BCD是方鋼塊A角被壓碓后的平面形狀，實測基本是邊長BD=CD的等腰三角形，以拓印后計算機繪圖方法測得的?BCD的面積SBCD=3 mm2，∠BCD=12°，所畫線AF⊥?BCD，F點在?BCD面上，E是DF延長線與BC邊的交點，DE⊥BC， AE⊥AD。因BD=CD，故直角三角形⊿BAD和⊿CAD全等，邊長AB=AC。直角等腰三角形⊿BAC中AE=BE=CE，AE⊥BC。∠CDE=∠BDE=6°，∠DEC=90°。

令CD=a、AF=h2，∠ADE=θ，則有：

AE=BE=CE=CD sin6=asin6

DE= CDcos6=acos6

Sinθ=AE/DE =asin6/（acos6）=0.1 051

AD=√DE2-AE2=a√0.989 1-0.010 9 =0.989a

h2= AD Sinθ=0.989a× 0.105 1 =0.103 9a

a=（1/0.1039 ）h2=9.62h2

SBCD=BC×DE/2=（2asin6）（acos6）/2=[（2×9.62 h2）sin6][ （9.62 h2）cos6]/2 =9.620 5 h2 2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1-1）

將實測的SBCD=3 mm2代入公式（1-1）得：

h2 =√SBCD/9.620 5=√3/9.620 5=0.558 4（mm）即h2 =0.000 558 4 m

1.1.2.2 估算鋼塊擊裂（開）耐磨陶瓷板的沖擊點壓強上限值

根據動量定理，40 mm×40 mm×40 mm鋼塊沖擊耐磨陶瓷板時，應有F?t=m?V，即F=m?V/?t ，式中F為鋼塊與耐磨陶瓷板的相互作用力（單位N），?t為二者的作用時間，s，m為鋼塊質量，kg），?V為鋼塊的速度變化量，m/s。

根據自由落體運動公式，鋼塊自由落體（g=9.8 m/s2）H=5.5 m時的瞬時速度V5.5為：

V5.5=√2gH=√2×9.8×5.5=10.383（m/s）

鋼塊自由落體H=5.5 m，用時t1=√2H/g=

√2×5.5/9.8=1.059 456 927（s）

鋼塊自由落體H=5.500 558 4 m，用時

t2=√2H/g=√2×5.5/9.8=1.059 510 707（s）

鋼塊自由落體5.5 m后，繼續下落0.000 558 4 m的用時t3= t2-t1=0.000 053 78 s因鋼塊沖擊耐磨陶瓷板后被斜向下彈出、落地，說明鋼塊擊裂（開）耐磨陶瓷板、與陶瓷板脫開的時刻還有一定向下速度，故|?V| ＜|0-V5.5| =10.383 m/s。鋼塊沖擊陶瓷板過程中，因受阻力，下行速度實際是小于繼續自由落體速度的，故?t＞t3，即1/?t＜1/t3。推得：

|F|=m|?V|/?t＜0.5×10.383/0.000 053 78=96 532.17（N）

此時耐磨陶瓷板被沖擊點的壓強p為：

p=|F|/ SBCD＜96 532.17（N）/（3x10-6 m2）=32 178×106 Pa=32.18 GPa

以上估算結果，說明鋼塊擊裂（開）

75 mm×75 mm×25 mm的“95”耐磨陶瓷板的沖擊點壓強p＜32.18 GPa。

1.1.2.3 估算鋼塊擊裂（開）耐磨陶瓷板的沖擊點壓強下限值

自由落體鋼塊沖擊耐磨陶瓷襯板的過程，也是鋼塊重力勢能mgH轉變為動能即沖擊功，隨后轉變為鋼塊與陶瓷板變形能及熱能、剩余動能的過程。在鋼塊擊裂（開）陶瓷板的過程中，沖擊功消耗的能量一部分轉變為鋼塊的變形能，設定該變形能數值為E（單位J）。

Q235B鋼塊屬于塑性金屬材料，在尖角沖擊耐磨陶瓷板的過程中，受到耐磨陶瓷板的反作用力，因沖擊力大而使尖角產生塑性變形。同一金屬材料在溫度相同時，屈服強度即產生塑性變形的應力是恒值，因此，鋼塊尖角在沖擊陶瓷板并自身塑性變形的瞬間，不考慮鋼塊溫度變化，鋼塊與陶瓷板由小變大的接觸面，單位為Pa的壓強p是恒值，沖擊方向就是邊角變形方向，即如圖2所示的AF方向。

假設耐磨陶瓷板被擊裂（開）前，鋼塊被壓碓是沿AF方向逐漸變形，在沿AF方向被壓碓到h（單位m）位置時，對應的三角形面積是S（h），鋼塊又被壓碓微量Δh時，Δh對應的沖擊功消耗能量就是pS（h）Δh，邊角被壓碓面積達到SBCD 即h= h2時耐磨陶瓷板被擊裂（開），根據能量守恒定律，有：

E=ΣpS（h）Δh? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1-2）

參考公式（1-1）得： S（h） =[（2×9.62 h）sin6]

[ （9.62 h）cos6]/2 =9.620 5 h2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1-3）

根據公式（1-3），公式（1-2）就轉變為h的函數公式：

E=Σ9.620 5ph2?h

利用積分推得：

E=∫h2 09.620 5ph2dh=∫0.0005584 09.620 5ph2dh=

3.206 8p h3l0.0005584 0 +C=3.206 8×0.000 558 43p+C=

5.583 5×10-10p+C? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1-4）

在E=0時，沒有變形能，也就不存在產生變形的作用力，即此情況下p=0，代入上式就有C=0

公式（1-4）即為：

E=5.583 5×10-10p? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1-5）

重0.5 kg的40 mm×40 mm×40 mm鋼塊自由落體2 m時，具有的能量mgH=0.5 kg×9.8 m/s2×

2 m=9.8 J，前述的試驗中，此鋼塊沒有將陶瓷板擊裂（開），說明擊裂（開）陶瓷板的沖擊功應大于

9.8 J。由公式（1-5）推得擊裂（開）耐磨陶瓷板的p為：

5.583 5×10-10 p＞9.8

p＞1.755×1010 Pa即p＞17.55 GPa

以上估算結果，說明鋼塊擊裂（開）

75 mm×75 mm×25 mm的“95”耐磨陶瓷板的沖擊點壓強p＞17.55 GPa。

1.1.2.4 對估算結果的說明

以上的估算結果說明：具有9.8 J沖擊功的Q235B鋼塊沖擊75 mm×75 mm×25 mm的“95”耐磨陶瓷板，在尖角被碓成近3 mm2、沖擊點壓強大于17.55 GPa后，可能會將耐磨陶瓷擊裂（開）；具有26.95 J沖擊功的Q235B鋼塊沖擊75 mm×

75 mm×25 mm的“95”耐磨陶瓷板，在尖角被碓成3 mm2時，會將耐磨陶瓷被擊裂（開），此時沖擊點壓強小于32.18 GPa。

以上的估算結果，與前文所述參考資料中介紹的23.7 GPa測試壓頭會使“Al2O3樣塊表面的底痕邊緣會發生細微破碎，同時在任痕角上沿對角線延長方向上產生裂紋”[2]和資料中介紹的發生嚴重等效損傷時的40 GPa有差異[3]。我們認為有以下三方面原因：

1）實驗室試驗用的耐磨陶瓷，其質量指標通常優于工業產品的質量指標。

2）試驗中取沒將陶瓷板擊裂（開）的9.8 J沖擊功作為擊裂（開）陶瓷板的沖擊點壓強下限因子，所得數值明顯會比實際值小，這樣設計選型時會更安全。如果有必要，可以大于9.8 J沖擊功的Q235B鋼塊繼續試驗，找出準確的沖擊點壓強下限值。

3）試驗中選用的耐磨陶瓷板是浮放在石板上的，鋼塊尖角沖擊使耐磨陶瓷板破裂（開），耐磨陶瓷板不是被固定好實施剪切，因此，陶瓷破裂時所受沖擊壓力會小于40 GPa。

1.2 物料自由落體沖擊45°耐磨陶瓷板的試驗

為了解高爐爐頂裝料設備在工況條件下，物料對內襯耐磨陶瓷板部件的沖擊情況，我們分別選取25 mm厚的“95”陶瓷板和“92”陶瓷板，粘接了兩塊1 800 mm×1 800 mm試板（鋼板厚25 mm），在帶有高清錄像儀的爐頂設備試驗平臺上，進行了圖3所示的物料自由落體9 m沖擊45°陶瓷板的試驗，結果見表2，陶瓷板出現的現象見圖4。

試驗顯示，重6.89 kg、沖擊功810 J的Q235B鋼板沒有擊裂（開）陶瓷板，810 J與1.1試驗中擊裂（開）陶瓷板的重0.5 kg鋼塊沖擊功26.95 J的比值為30.06。

2 耐磨陶瓷板耐沖擊試驗結論

通過以上的試驗及分析，我們可以得出以下結論：

1）粘接在鋼板上的陶瓷板，顯著比浮放在石板上的陶瓷板耐沖擊，即被擊裂（開）的風險小很多。

2）粒度75 mm的燒結礦自由落體9 m、以45°沖擊（沖擊功172 J）粘接在25 mm厚鋼板上的25 mm厚“92” 或“95”陶瓷板，擊傷陶瓷板的風險很小。

3）自由落體12 m的6.89 kg、190 mm×185 mm×25 mm鋼板（Q235B材質），以45°沖擊（沖擊功810 J）粘接在25 mm厚鋼板上的25 mm厚“92” 或“95”陶瓷板中部的同一部位三次，不會擊裂（開）陶瓷板，會砸出小凹坑，但無肉眼可見裂紋。

4）粘接在鋼板上的陶瓷板，如果用膠的質量或粘接質量欠佳，在硬物的沖擊下，即使表面沒有被擊傷，也有與鋼板脫離的風險。設計時，應根據工況條件，對陶瓷板選用適宜的固定方法，例如除膠粘之外，還可以選用膠粘與焊接壓塊相結合、膠粘與燕尾槽卡板固定相結合等方法，膠的質量一定要符合工況條件。

5）陶瓷板暴露在外的邊沿受硬物沖擊時，容易被擊傷（如掉岔）。設計時，應盡量使陶瓷板邊沿不被沖擊，如果邊沿被沖擊不可避免，在邊沿貼放尺寸適當的金屬護板也是一種可行的保護方法。

6） 相互粘接的陶瓷板，其接縫處受硬物沖擊時，接縫的邊沿容易被擊傷。設計時，應盡量使縫隙最小。

參考文獻

[1] 陳文，吳建青，許啟明.《材料物理性能》[M].武漢：武漢理工大學出版社，2010.

[2] newmaker. 《陶瓷的力學性能》.佳工機電網.

[3] 孫占峰. 氧化鋁陶瓷沖擊壓縮損傷及殘余強度實驗研究[D].中國工程物理研究院，2012.

[4] 苗玉金.耐磨陶瓷在高爐爐頂裝料設備上的應用與調研[J].通用機械，2014（2）：27-31.

[5] 成大先.《機械設計手冊》[M].（第5版）北京：化學工業出版社，2007.