兩種陶瓷試樣耐磨性能檢測裝置及其實驗分析?

王 寧，霍 平，巴 芳，張亞娟，孟林林，鄭占申

（1．河北聯合大學以升創新教育基地，河北 唐山 063009；2．河北聯合大學機械工程學院，河北 唐山

063009；3．河北聯合大學 材料科學與工程學院，河北 唐山 063009）

0 引言

生產實踐中，陶瓷片作為襯片被廣泛應用在承受沖擊磨損的地方，如選煤設備中的旋流器。選煤時煤粉及雜質顆粒對旋流器器壁產生很大的沖擊磨損，為了延長旋流器的使用壽命，提高生產效率，一般的方法是在旋流器的器壁上粘貼氧化鋁的陶瓷板作為耐磨襯里［1］，所以陶瓷襯里的耐磨性能直接影響著旋流器的使用壽命。目前陶瓷片耐磨性能的檢測裝置大部分針對大型陶瓷試樣，檢測裝置體積較大、價格昂貴，實驗中耗材較多，費用支出高，所以小規模的實驗室通常采用燒制小型陶瓷試樣進行實驗的方法降低實驗成本。本文針對小型陶瓷試樣開發設計了兩套檢測其耐磨性能的實驗裝置，并對裝置的組成及其使用原理進行了介紹，同時對實驗數據進行了分析比較。

1 鋼球噴射實驗裝置

1．1 實驗裝置的組成

耐磨性是材料重要的物理性能，用來評價材料在磨損及沖刷條件下的使用性能。鋼球噴射實驗裝置是依據GB／T 18301《耐火材料常溫磨損性實驗方法》設計的，用于陶瓷材料常溫磨損性能的測定。鋼球噴射實驗裝置結構示意圖如圖1所示。

1．2 工作原理

實驗的具體步驟如下：①準備兩種不同配方及燒結工藝的陶瓷試樣，分別標為陶瓷試樣1、陶瓷試樣2；②分別稱量陶瓷試樣1、陶瓷試樣2的質量并記錄；③將陶瓷試樣1固定在擋板上，使陶瓷試樣與發射甬道對心放置；④打開電源開關，使空壓機自動充氣達到額定壓力自動停止；⑤打開氣缸的排氣口，并同時打開兩個電磁型時間繼電器的電源開關，在開始的0．1s內鋼球下落，然后再經過0．9s電磁閥開關開啟，氣缸里的氣體經過電磁閥沖擊鋼球使其在發射甬道內加速運動，最后以一定的速度沖擊陶瓷試樣1；⑥經過10min后關閉所有的電源開關，取下陶瓷試樣稱其剩余質量并記錄，計算磨損量；⑦重復上述步驟，共操作5次，并繪制陶瓷試樣1的時間－磨損量直線擬合圖；⑧更換陶瓷試樣2，重復上述操作步驟，得到陶瓷試樣2的時間－磨損量直線擬合圖；⑨比較陶瓷試樣1、陶瓷試樣2的時間－磨損量擬合直線的斜率，斜率小的試樣的耐磨性能較好。

圖1 鋼球噴射實驗裝置結構示意圖

1．3 實驗及數據分析

選取兩組Al2O3陶瓷試樣，分別為升溫速率為3℃／min和5℃／min工藝下燒制的陶瓷試樣，命名為陶瓷試樣1和陶瓷試樣2，利用鋼球噴射實驗裝置對陶瓷試樣進行耐磨性能實驗。實驗中設定小球的噴射頻率為每秒鐘一個，氣泵壓力為0．8MPa［2］，每經過10min記錄一次陶瓷片的磨損量，記錄的兩組陶瓷試樣磨損量的數據見表1。

表1 陶瓷試樣1、2磨損量隨時間的變化 mg

根據表1中的兩組實驗數據，繪制出這兩種陶瓷試樣隨時間變化的磨損量直線擬合圖，如圖2所示。

圖2 陶瓷試樣1、2磨損量隨時間的變化

在圖2中可以看出，陶瓷試樣1磨損量的直線擬合圖的直線斜率較小，所以陶瓷試樣1的耐磨性能比陶瓷試樣2好。

2 砂輪磨損實驗裝置

2．1 實驗裝置的組成

砂輪磨損實驗裝置是依據GB／T 12988《無機地面材料磨損性能實驗方法》設計的，同樣也用于陶瓷材料常溫磨損性能的測定。砂輪磨損實驗裝置示意圖如圖3所示。

圖3 砂輪磨損實驗裝置示意圖

2．2 工作原理

實驗的具體步驟如下：①準備兩種不同配方及燒結工藝的陶瓷試樣，分別標為陶瓷試樣3、陶瓷試樣4；②分別稱量陶瓷試樣3、陶瓷試樣4稱的質量并記錄；③將陶瓷試樣3裝在陶瓷試樣固定器和砂輪之間，調節陶瓷試樣固定器的高度，使陶瓷試樣固定器與砂輪之間有一定的距離，保證砂輪不能和陶瓷試樣固定器有接觸，且能卡住陶瓷試樣不使它掉落，向下旋轉壓力調節螺釘，使得陶瓷試樣在彈簧的壓力下，和砂輪之間緊貼在一起；④打開電源開關使氮化硼砂輪開始旋轉，砂輪和陶瓷片開始摩擦；⑤10min后關閉電源，取下陶瓷試樣稱其剩余質量并記錄，計算單位面積磨損量；⑥重復上述步驟，共5次，根據得到的陶瓷試樣3的實驗數據繪制其時間－單位面積磨損量的直線擬合圖；⑦更換陶瓷試樣4，重復上述實驗步驟，得到陶瓷試樣4的時間－單位面積磨損量的直線擬合圖；⑧比較陶瓷試樣3、陶瓷試樣4的時間－單位面積直線擬合圖的直線斜率，斜率小的陶瓷試樣的耐磨性能較好。

2．3 實驗及數據分析

選取添加了10%（質量分數）Cu和Fe的氧化物／金屬／氧化鋁復合陶瓷，用石墨埋燒法分別在1 450℃和1 550℃溫度下燒結，所得試樣分別命名為陶瓷試樣3和陶瓷試樣4，用砂輪磨損實驗裝置對陶瓷試樣3和4進行磨損性能實驗。記錄的磨損量數據見表2。

表2 陶瓷試樣3、4單位面積磨損量隨時間的變化 mg／cm2

根據表2中的兩組實驗數據得出兩組陶瓷試樣的單位磨損量隨時間變化的直線擬合圖，如圖4所示。

圖4 陶瓷試樣3、4單位面積磨損量隨時間的變化圖

從圖4中可以看出，陶瓷試樣3磨損量直線擬合圖的直線斜率較小，所以陶瓷試樣3的耐磨性能比陶瓷試樣4好。

3 結論

（1）按照國家標準的磨損實驗方法設計的兩種實驗裝置來檢測陶瓷試樣耐磨性能的方法是可行的。

（2）以檢測數據為依據可評定陶瓷配方及燒結工藝的優劣。

（3）從實驗數據的分布圖上看，砂輪磨損實驗裝置比鋼球噴射實驗裝置的實驗數據更加穩定可靠。

［1］ 童幸生，張靜．氧化鋁陶瓷摩擦磨損實驗研究［J］．江漢大學學報，2001，39（2）：34－37．

［2］ 陳智．沖擊加速度的研究［J］．蘇州大學學報（自然科學），1999，15（2）：65－67．

［3］ 張紹千，安立周，譚業發，等．碳化硅陶瓷沖蝕磨損行為與機理［J］．解放軍理工大學學報（自然科學版），2005（2）：176－180．

［4］ 周振君．Y－TZP／氧化鋁（板晶）復相陶瓷的砂漿沖蝕磨損［J］．潤滑與密封，2007（8）：63－65．