材料硬度与耐磨性的关系(耐磨陶瓷：就算功夫深，也难磨成针)

Posted 2023-05-29

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材料硬度与耐磨性的关系(耐磨陶瓷：就算功夫深，也难磨成针)

“只要功夫深，铁杵磨成针”是一句耳熟能详的谚语，比喻只要有毅力，肯下功夫，多么难的事也能做成功。这从侧面也说明在人们认知中“铁”是一种坚硬耐磨的材质。今天我们来了解一种比铁更耐磨的材料——耐磨陶瓷。

传统耐磨材料的弊端

事实上，一直以来“铁”质材料是一种常见的耐磨材料，尤其像锰钢、白口铸铁、合金钢等是几种广泛应用的耐磨材料。但这些材料存在一定的弊端，例如奥氏体锰钢具有良好的韧性，但是加工较困难；普通白口铸铁和低合金白口铸铁有较好的硬度和耐磨性，但脆性较大，只能承受较小的载荷；尽管中合金白口铸铁和高合金白口铸铁克服了脆性大的缺点，但生产成本较高。

磨损、腐蚀和断裂是设备零部件失效的主要原因，广泛发生于冶金、建筑、电力、机械等领域，而其中磨损问题对零部件的影响最为严重。尤其对于运输设备来说，约80%零件的失效原因是材料磨损，此时那些传统耐磨材料已难以满足恶劣工况下的使用要求。

耐磨陶瓷衬板，图源：启明星

在20世纪八十年代，渐渐的出现了一些如硼化物、碳化物以及氮化物之类的耐磨的陶瓷材料，随后各国都投入大量的资源开始了研究。随着研究的不断深入，新型耐磨陶瓷材料以其优良的性能使之在工业设备及管道上的应用越来越广泛，通过对普通金属材料的替代，使设备的使用寿命、连续生产能力等方面都有了极大的提高。

耐磨陶瓷性能及特点

陶瓷材料能在耐磨领域占有一席之地，主要具有以下几个方面的主要性能和特点:

（1）硬度大、强度高；

（2）耐磨性能好，使用寿命长。经测定，其耐磨性相当于锰钢的180倍，高铬铸钢的118倍；

（3）抗冲击性强；

（4）耐高温。粘接牢固、耐热性能好；

（5）重量轻。耐磨陶瓷密度约为3.6g/cm3，仅为钢铁的一半，可大大减轻设备负荷；

（6）使用范围广，适应性强。凡火力发电厂、钢铁厂、冶炼厂、矿山及水泥厂等企业的制粉、选煤、输料系统、排灰、除尘系统等一切磨损大的机械设备上，都可以根据不同的需求选择不同类型的陶瓷材料。

耐磨陶瓷的分类

按材质分类，常见的耐磨陶瓷材料主要有氧化物陶瓷、碳化物陶瓷和氮化物陶瓷。

（1）氧化物耐磨陶瓷

在制造耐磨零部件的材料中，氧化铝陶瓷是耐磨陶瓷材料的典型代表。氧化铝陶瓷因其高硬度和优异的化学稳定性及耐磨特性，广泛应用于冶金，石油化工，航空航天等领域。但是，氧化铝陶瓷的断裂韧性和抗热震性较差影响了其在工业领域尤其是对材料机械性能要求较高的领域中的应用。在氧化铝陶瓷中引入一定量其他化合物可以有效提高其韧性，从而进一步提高其耐磨性，故而以氧化铝为基体的复相陶瓷是现今研究发展的一大方向。

常见氧化物性能

（2）氮化物耐磨陶瓷

氮化物陶瓷起步较晚，自20世纪70年代才开始迅猛发展，几乎都是通过人工合成的，除了具有高强度、高硬度的特点，还具有优良的电学和热学性能。历经几十年的发展，氮化硅、氮化铝、氮化硼等氮化物陶瓷作为高强度机械部件、耐腐蚀部件、以及耐磨部件，已经广泛应用于航空航天、机械、冶金等领域。

（3）碳化物耐磨陶瓷

碳化物陶瓷由于具有高硬度、高强度和高耐磨性等特点，被广泛应用于耐腐蚀、耐磨损的高温环境中，常见的有碳化硅、碳化硼等高耐磨陶瓷。碳化硅具有弹性模量高、强度硬度高、热导率高、抗热震性好、耐磨损和耐腐蚀等优良性能，并且价格低廉。这些优良性能使得碳化硅陶瓷可以应用在许多金属或有机高分子耐磨材料不能胜任的工作环境中，例如，用于工况条件比较差的密封环；高速研磨或抛光的研磨盘；用于军工业中的装甲防护装置和防弹材料等等，在耐磨领域中展示着重要的应用前景。

碳化硼陶瓷的化学性质十分稳定，其硬度仅次于金刚石和CBN，这使其成为很好的耐磨或减摩材料，在磨料、轴承、密封环和切削刀具等方面有广阔的应用前景。但B4C陶瓷的摩擦学性能受温度、负载、摩擦速度及摩擦副材料的影响较大，所以在实际应用中要充分考虑工况和环境因素。

耐磨陶瓷的应用

1、结构件

耐磨陶瓷在航空航天中的应用研究主要集中在火箭喷嘴的耐热材料，太空飞船的隔热瓦等。武装直升机在设计中重点强调战场生存力，在座椅和直升机的关键部位采用陶瓷复合材料轻质装甲材料，涉及到的耐磨陶瓷主要是氧化铝陶瓷和碳化硼陶瓷。

陶瓷轴承是在机械加工、航空航天产业中使用较为广泛的一种产品，具有耐高温、耐寒、耐磨、耐腐蚀、抗磁电绝缘、高转速等特性。陶瓷轴承针对航空航天工业中恶劣环境下的调整、重载、低温、无润滑工况而开发，是新材料、新工艺、新结构的完美结合。

陶瓷球

2、研磨介质

金属研磨体存在着很大的缺点和弊端。首先就是质量重，极大地增加了磨机的工作负荷，造成很多的能量消耗。另外金属材质的耐磨性并不是很可观。陶瓷研磨体因具备高强度、高硬度、强耐磨性及优良的物理化学稳定性，在很多领域成为了研磨介质的首选。

3、涂层

耐磨陶瓷的应用多以耐磨陶瓷片、耐磨陶瓷内衬等形式为主，随着施工工艺的进步，耐磨陶瓷涂层也逐步走入了人们的视野。耐磨陶瓷涂层是以热喷涂工艺，在需保护物体表面形成耐磨陶瓷颗粒覆盖层，以达到对物体的保护目的。耐磨陶瓷涂层的应用方式灵活，加工性能好、应用领域非常广。耐磨陶瓷涂层可主要应用于：

（1）热障涂层；

（2）抗高温黏着磨损涂层；

（3）耐磨损耐腐蚀涂层；

（4）功能涂层。

耐磨陶瓷涂层在电子器件方面也有应用，超导耐磨陶瓷涂层可以用于磁屏蔽、微波元件、各类传输器、量子电子器件的表面处理。此外，耐磨陶瓷涂层还能应用于高温电绝缘产品、陶瓷片电容器的表面处理等。

参考来源：

[1]吴洋.陶瓷材料耐磨机理研究进展

[2]魏金栋等.耐磨陶瓷涂层制备方法的研究进展

[3]陈宏.耐磨陶瓷现状及发展

[4]张文毓.耐磨陶瓷涂层研究现状与应用

[5]孙梦珂.刚玉基耐磨复相陶瓷的研究