美国Refractron Technologies Corp. 为关键应用选择材料的6个因素

为关键应用选择材料的6个因素

部分稳定的氧化锆陶瓷是强大的，坚韧的，或崎岖不平的，并提供出色的耐磨和耐腐蚀性。它们可以延长维护周期，降低生产成本，提高设备的可靠性和性能，并增加配合部件的使用寿命。毫无疑问，氧化锆陶瓷是比氧化铝、烧结SiC、碳化钨或钢更好的选择。 Refractron专注于增韧氧化锆，并提供三种核心配方:Izory®HD (Mg-PSZ的变体)，YTZP(H) Dark和ATZ(H)。后两者在高温下常规致密化后进行HIPed(热等静压)。HIPing用于去除微孔隙，从而提高强度。每种配方都有独特的性能、设计考虑和成本驱动因素。在为关键应用或苛刻服务选择材料时，必须将其性能与功能要求、制造限制、性能期望和商业目标一起考虑。

如何选择适合恶劣环境的材料?

选择可以分解为许多不同的因素，但我们已经从六个关键因素开始。每一个都应该单独评估，然后根据可能的影响和风险进行排名。应该根据工作所需的最关键方面来做决定。例如，折射tron的HIPed YTZP提供了优异的强度，但Izory®HD更坚硬。Izory®HD对可能导致故障的裂缝具有更强的抵抗力。它也更经济，因为它在加工中使用更便宜的原材料，可以快速和积极地研磨到精确的公差，并且不需要额外的HIPing。 需要考虑的六个关键因素:

韧性
强度
硬度
耐磨性
耐蚀性
应用的条件

1:断裂韧性

图示:Izory®HD中变形增韧的图示

断裂韧性与坚固性有关。它是一种表示抵抗裂纹扩展的方式，这种裂纹扩展可能由于内部缺陷和/或由于加工、处理和安装而造成的外部损坏而导致灾难性失效。断裂韧性可以通过ASTM C1421标准测试来量化，该测试测量材料在切槽以模拟缺陷后的抗破坏能力。与许多性能一样，这是比较先进材料断裂韧性的方便起点。每一种Refractron氧化锆都有不同的断裂韧性，但通常都被称为“相变增韧”。这种类型的增韧机制利用了氧化锆的亚稳态晶体转变，这种转变是由应力而不是由温度变化触发的。这种转变会产生体积膨胀，从而减弱裂纹的扩展，而裂纹的扩展通常会导致陶瓷的灾难性失效。Izory®HD，通常被称为“陶瓷钢”，具有最高的断裂韧性，因为其他机制有助于韧性。烧结碳化硅和碳化钨材料有它们的优点，但它们提供的韧性只是折射氧化锆的一小部分。如果在加工，处理和安装或服务期间裂纹扩展过程中具有抗切屑的材料很重要，Izory®HD是一个很好的选择。

2:强度

MOR(断裂模量)是一种可以让我们对陶瓷强度进行排序的特性。它是材料在弯曲试验中受力时断裂的点。试样由负载砧装置破碎，而金属夹具在指定尺寸的试样末端提供线支撑(图1)。MOR以MPa单位报告为3点或4点测量，因此澄清方法很重要。 3点总是产生比4点高15%到20%的more值，因为峰值应力只施加在样本的中点。相比之下，四点测试产生的峰值应力沿扩展区域分布，从而暴露出更大的材料长度/体积。由于陶瓷的强度通常受到其体积中缺陷的非均匀分布的限制，因此折射公司报告的四点测试(ASTM C-1161)最能表征该材料。结构氧化铝和烧结SiC陶瓷比HIPed YTZP和ATZ弱3-4倍，比Izory®HD弱近2倍。右边的表格突出显示了典型的值。

3: 硬度

对于结构陶瓷来说，高硬度很重要，因为它主要描述了抗刮擦的能力。反过来，它涉及到在使用过程中由于有时含有细颗粒的流体的摩擦或侵蚀而造成的磨损(见下文)。 Refractron测量维氏硬度(ASTM C1327)来表征这种特性。显微镜与一个安装和水平样品的舞台和一个装置相结合，通过一个小的菱形方形金字塔尖传输负载到它。通常大于200克(力)的载荷用于在样品上产生菱形压痕。维氏金字塔数(Hv)由F/mm2计算，其中F =以千克为单位的负荷，mm2 =缩进面积。这个F/mm2单位不能反映真实压力，但如果需要，可以通过可用的公式转换为MPa。一般来说，高压是独立于测试力的，尽管用更大的负载来验证这一点是很好的做法。例如，该属性被报告为Hv2，有时也被报告为Hv2/20，其中2 = 2kg(力)和20 = 20秒施加的力。

努氏试验法和洛氏试验法有时也用于测量高级陶瓷的硬度。由于这些方法充其量只能定性地与维氏硬度相关，因此应避免使用不同方法的数据进行硬度比较，但下表可以提供初步指导。

4:耐磨性

耐磨性，也称为抗磨性，是陶瓷表面承受侵蚀、摩擦或摩擦退化的能力。折射tron的氧化锆产品具有高评级，从环磨损测量，ASTM G174(选项C)，使它们成为许多不同应用的适当选择。测试使用的是市售高硬度3μm氧化铝颗粒胶带。当施加100g的力时，胶带会通过指定数量的胶带，通常为75道。这将产生有限深度的划痕，由摩擦学软件进行分析，报告磨损为mm3的材料损耗。使用低硬度介质(如石英)腐蚀高强度结构陶瓷样品的耐磨性测量不能用于可靠的材料比较。除了一个例外，耐磨性与Hv相关，产生从高到低的顺序:碳化钨，烧结SiC, HIPed ATZ，其次是氧化铝，HIPed YTZP和Izory®HD。HIPed ATZ是一个有趣的异常，因为它的电阻是迄今为止典型的高级陶瓷氧化物列表中最好的，甚至大于其组成相，氧化铝和YTZP。在不同材料之间的摩擦或滑动可能产生侵蚀的应用中，抛光的Izory®HD尽管具有最低的Hv和耐磨性，但仍表现出卓越的性能。也许，这可以用它的摩擦系数(CF)来解释，这是一种难以测量的特性，包括多种变量，如润滑剂，化学环境，磨料颗粒等。然而，使用Mg-PSZ滑动钢进行的台式测量的文献数据表明，陶瓷具有非常低的CF。

5:耐腐蚀

陶瓷的腐蚀，主要是由流体引起的，由于许多变量的结合而变得复杂。这些包括:

温度
压力
化学物质的浓度pH/eH
陶瓷的“润湿”等

陶瓷与流体的连续接触，无论是停滞的还是与速度的接触，在很大程度上决定了影响陶瓷耐久性的潜在反应的动力学。一个简单的标准测试是不可能覆盖所有变量的。事实上，还有其他的并发症。腐蚀往往伴随着侵蚀。所有的陶瓷从来都不是“纯”的，因为它们含有其他化学物质，通常在ppm范围内，来自使用的原材料和蓄意添加和/或偶然加工的污染物。它们不存在于晶粒内部，而是在晶界处分离。即使晶粒耐腐蚀，在边界处的微化学往往是弱点。这强调了你如何制作它以及你使用的东西很重要! 原材料和加工过程的细微差异会导致巨大的性能差异。考虑到固有的复杂性，refrtron可以提供一般指导，但如果用户对特定流体化学和环境条件的潜在腐蚀有疑问，则建议用户与供应商进行现场或实验室规模的测试。

6:应用的条件

通常还有其他与应用程序相关的条件需要考虑。温度就是一个例子。许多标准化测试是在室温下进行的，如果应用要求强度，或在250°C或更热的情况下耐磨和耐腐蚀，则可能没有什么价值。如果这些条件包括快速循环，产生热应力或在负载下长时间浸泡，从而导致变形，则会使应用更加严峻。我们将简单地阐明讨论应用程序条件的重要性，而不是试图阐明几个场景。重要的是要考虑所有六个因素，并可能包括其他因素，如价格、可用性、故障影响和相关维护，以及设计限制。有代表性的现场测试是选择材料的最佳方法，因为标准化测试是在受控环境中进行的，通常只关注一个参数。严酷的应用可以同时测试强度、韧性和耐腐蚀性。