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阀门用的几大类陶瓷材料性能

作者:Admin 日期:2022-11-17 点击:751
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(1)氧化物陶瓷

氧化物陶瓷的原子结合以离子键为主,存在部分共价键,因此具有许多优良的性能,大部分氧化物陶瓷具有很高的熔点(一般都在2000℃附近),良好的电绝缘性能,特别是具有优异的化学稳定性和抗氧化性。氧化物结构陶瓷发展比较早,在工程领域已得到了比较广泛的应用。其中Al2O3陶瓷由于其优异的综合性能及相对较低的制造成本,是目前使用多的氧化物陶瓷。

氧化铝陶瓷的基本性能见表19-1

 

表19-1.png


(2)氧化锆陶瓷

目前工程领域应用比较成熟的氧化锆陶瓷为力学性能优异的四方多晶氧化错陶瓷(TZP)TZP陶瓷中tZrO2含量高,可相变分数也很高,具有更大的增韧效果。因此TZP陶瓷材料具有佳的室温力学性能。TZP根据稳定剂的不同,主要有钇稳定氧化锆(Y2O3ZrO2),铈稳定氧化锆( Ce zrl2),镁稳定氧化锆(MgO-ZrO2)等。特别是氧化钇稳定的YTZP陶瓷,在现有陶瓷材料中具有优异的力学性能,其抗弯强度可达到2.0GPa,断裂

韧性超过20MPa·m2( Masaki,1986),因此使TZP陶瓷材料在现代科技和工业领域得到广泛的应用。表19-2为典型TZP陶瓷的主要性能参数.

表19-2.png

 需要注意的是由于YTZP陶瓷应力诱导相变对温度的敏感性,使高温下可能导致rO2晶粒的相变增韧失效;另外如果长时间处于100~400℃环境下,尤其是在潮湿和有水或水蒸气存在的条件下,会导致力学性能严重下降,其使用受到一定限制

 

(3)氮化物陶瓷

氮化物陶瓷包括非金属和金属元素氮化物,具有高强度、高硬度、耐高温和优良的热力学和电学性能,日前工业上应用较多的氮化物陶瓷有氮化硅陶瓷(SiN)、氮化硼陶瓷(BN)、氮化铝陶瓷(AN)等,都是以共价键结合的高温化合物,而且几乎都是通过人工氮化物陶瓷的主要性能包括:①熔点较高:②高硬度和高强度;③抗氧化性能较差般来说,氮化物陶瓷的原材料和零部件的制造加工都比氧化物陶瓷困难,因此成本更高。表19-3是典型氮化物陶瓷的主要性能参数

 

表19-3.png


氮化硅陶瓷具有优异的力学性能、热学性能及化学稳定性,综合性能优良。根据其材料制备工艺不同,材料的物理和化学性能也有较大差异。作为阀门零部件使用的氮化硅材料,应优先选择等静压烧结工艺制备的材料,其中热等静压烧结的氮化硅陶瓷性能优。氮化硅陶瓷的主要性能特点如下。

①高硬度氮化硅的硬度达到18-21GPa(HRA=91~93),高于氧化铝和氧化锆陶瓷,仅次于金刚石和立方氮化硼、碳化硼等材料,具有出色的耐磨损性能。

②电绝缘性优良氮化硅陶瓷在室温和高温下都是电绝缘材料,但烧结工艺和材料的吨度在一定程度上会影响氮化硅陶瓷的电学性能

③化学稳定性好氮化硅具有优良的化学稳定性,几乎耐所有的无机酸、碱与盐的腐蚀。如沸腾状态的浓盐酸(HC1)、浓硝酸(HNO2),和水的混合液(HNO3HCl=13),磷酸(HPO4)以及85%以下的硫酸(H2SO4),25%以下的氢氧化钠(NaOH)溶液对氮化硅均无明显的腐蚀作用。对某些盐类,如硝酸钠(NaNO1)和亚硝酸钠(NaN2O)溶液等,氮化硅陶瓷也不受腐蚀氮化硅对多数金属、合金熔体,特别是非铁金属熔体是稳定的,例如不受锌、铝、钢铁熔体的侵蚀。但是不耐镍铬合金和不锈钢的腐蚀,对大多数熔融的碱和盐是不稳定的,在高温下煤和重油炉渣也能腐蚀氮化硅;此外一些高温气体也会腐蚀氮化硅。

④抗热冲击性能优良氮化硅陶瓷的热膨胀系数较小,热导率较高,材料不容易产生热应力,因而具有良好的抗热冲击性能,在室温至1000℃的热冲击下不易开裂

⑤抗弯强度和断裂韧性较高氮化硅陶瓷在室温下有较高的抗弯强度和断裂韧性。如热压烧结的致密氮化硅陶瓷,室温抗弯强度常在800-1050MPa,断裂韧性为6~7MPa·m2无压烧结的氮化硅陶瓷,室温抗弯强度通常在400~1000MPa,断裂韧性为47MPa·m1/2抗热冲击性能好等优良性能,在冶金、能源、机械、化工、汽车等现代科学技术和工业领域已经获得越来越广泛的应用。

 

(4)碳化物陶瓷

碳化物陶瓷主要分为两类:一类是非金属碳化物,如碳化硅(SiC)、碳化硼(B1C)另一类是过渡金属碳化物,如碳化钨(WC)、碳化钛、碳化铬(CrC2)等。一般工业上应用比较广泛的高温碳化物材料主要是SiB4CTiC等,此外,碳化钛、碳化钨等与其他组分构成的复合材料也称为金属陶瓷,它既有陶瓷的高强度、高硬度、耐磨损、耐高温、抗氧化及良好的化学稳定性,又具有较好的金属韧性和可塑性以及导电特性,是一类非常重要的工具材料和结构材料。而碳化钨通常需要与NiCo等金属复合才能实现致密化,表现出许多硬质合金的特点,因此一般将其纳入硬质合金范畴中碳化硅陶瓷是流体控制领域应用较多的碳化物材料之一。碳化硅陶瓷的硬度很高,莫氏硬度为9.2~9.5,显微硬度为33GPa,仅次于金刚石、立方氮化硼和碳化硼等少数几种材料。碳化硅陶瓷的制备工艺不同,其性能也有所不同,表19-43种不同工艺制造的碳化硅材料的物理性能。碳化硅的抗弯强度接近SiN4材料,但断裂韧性低于Si3N4:具有优异的高温强度和抗高温蠕变能力,热压碳化硅材料在1600℃的高温抗弯强度基本和室温相同;

 

表19-4.png


阀门用结构陶瓷材料

在流体控制领域,阀门及管件的选型和设计必须考虑到实际工况的技术要求,在满足性能要求的前提下,兼顾经济性以降低成本目前世界范围内,阀门及管件等流体控制元件中选用的结构陶瓷材料主要有氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、氮化硅陶瓷和碳化硅陶瓷氧化铝陶瓷的工业化生产比较成熟,成本较低,是在阀门领域应用为广泛的结构陶瓷材料。但是因为氧化铝陶瓷的韧性较差,需要承受较高扭矩的零部件,如陶瓷阀球往往选用氧化锆陶瓷。在一些压差较大、温度较高的工况,则根据实际工况的技术要求选用氮化硅或碳化硅陶瓷

 

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