کاربرد سرامیک های پیشرفته در زمینه مواد مقاوم در برابر سایش
صنایع مقاوم در برابر سایش و مقاوم در برابر خوردگی شاخه ای از صنعت تصفیه سطح است.این یک صنعت نوظهور برای مراقبت های پیشگیرانه و خدمات فناوری بازسازی به منظور حل مشکلات سایش و خوردگی تجهیزات و قطعات کار در صنایع برق، فولاد، معادن شیمیایی، سیمان و سایر صنایع است.صنعت مقاوم در برابر سایش و مقاوم در برابر خوردگی دارای حیاتی قوی است.از طریق محافظت در برابر سایش و خوردگی تجهیزات صنعتی می توان عمر مفید آن را تا حد زیادی بهبود بخشید و مصرف فولاد و سایر مواد ناشی از نگهداری یا جایگزینی آن را کاهش داد تا در منابع صرفه جویی شود.صنایع مقاوم در برابر سایش و مقاوم در برابر خوردگی اقدامات مهمی برای صرفه جویی در منابع، حفاظت از محیط زیست و ترویج اقتصاد دایره ای هستند.آنها همچنین دستیار قدرتمندی برای شرکت برای دستیابی به صرفه جویی در انرژی، کاهش انتشار و هزینه، و بهبود بهره وری اقتصادی هستند.صنایع مقاوم در برابر سایش و مقاوم در برابر خوردگی دارای ویژگی های برش متقاطع، حاشیه ای و چند رشته ای هستند.
هسته اصلی صنایع مقاوم در برابر سایش و مقاوم در برابر خوردگی، استفاده از مواد و فناوری های جدید در صنایع مرتبط است.این عمدتا شامل فن آوری سرامیکی مقاوم در برابر سایش، پاشش حرارتی، روکش و صفحه مقاوم در برابر سایش، روکش لیزری، فناوری پوشش مقاوم در برابر خوردگی و مقاوم در برابر سایش، فناوری مقاوم در برابر خوردگی، فناوری مواد مقاوم در برابر سایش و غیره است.
کاربرد سرامیک های پیشرفته در زمینه مواد مقاوم در برابر سایش
طبق آمار، اصطکاک حدود 1/3 انرژی یکبار مصرف جهان را مصرف می کند و حدود 80 درصد از قطعات ماشین آلات به دلیل سایش از کار می افتند.شکست سایش قطعات مکانیکی ارتباط نزدیکی با انتخاب مواد جفت اصطکاک و شرایط سرویس دارد.به طور کلی، موادی که در شرایط اصطکاک و سایش با مقدار سایش کم استفاده می شوند، مواد مقاوم در برابر سایش نامیده می شوند.مواد با ضریب اصطکاک کم را مواد ضد اصطکاک می گویند.موادی که دارای ضریب اصطکاک زیاد هستند، مواد اصطکاکی نامیده می شوند.انتخاب صحیح و استفاده از مواد مناسب برای شرایط کاری مختلف و خواص اصطکاک و سایش مورد نیاز اجزای مکانیکی بسیار مهم است.به عنوان مثال، به طور کلی انتخاب فولاد با منگنز بالا به عنوان ماده مقاوم در برابر سایش در محیط ضربه زیاد مناسب است، اما در محیط بار ضربه ای کوچک، فولاد با منگنز بالا نمی تواند مزیت سخت شدن تغییر شکل فولاد با منگنز بالا را داشته باشد، در حالی که چدن با کروم بالا مناسبتر.علاوه بر این، هم مواد ضد اصطکاک و هم مواد اصطکاک امیدوارند همزمان مقاومت سایش خوبی داشته باشند.مقاومت در برابر سایش خوب مواد نه تنها می تواند طول عمر قطعات مکانیکی را افزایش دهد، تعویض قطعات و شدت کار کارگران را کاهش دهد، بلکه باعث صرفه جویی در انرژی و منابع مادی نیز می شود.بنابراین، با توجه به شرایط کاری مختلف و الزامات عملکرد قطعات مکانیکی، انتخاب صحیح مواد مقاوم در برابر سایش در بهبود عملکرد تجهیزات مکانیکی و صرفه جویی در انرژی اهمیت زیادی دارد.
انواع مواد مقاوم در برابر سایش چیست؟
انواع مختلفی از مواد مقاوم در برابر سایش وجود دارد که با توجه به ترکیب شیمیایی آنها می توان آنها را به مواد مقاوم در برابر سایش فلز، مواد مقاوم در برابر سایش سرامیکی، مواد مقاوم در برابر سایش پلیمری و کامپوزیت های مقاوم در برابر سایش تقسیم کرد.با توجه به ساختار مواد، می توان آن را به مواد یکپارچه مقاوم در برابر سایش و مواد مقاوم در برابر سایش سطح تقسیم کرد.مواد مقاوم در برابر سایش را می توان به مواد مقاوم در برابر سایش در دمای معمولی و مواد مقاوم در برابر سایش در دمای بالا با توجه به دماهای مختلف سرویس تقسیم کرد.
① مواد فلزی.مواد فلزی را نیز می توان به فولاد مقاوم در برابر سایش و چدن مقاوم در برابر سایش تقسیم کرد.معمولاً از فولاد آلیاژی مقاوم در برابر سایش، فولاد منگنز بالا، فولاد بلبرینگ و فولاد ابزار استفاده می شود.به جز فولاد منگنز بالا، که مقاومت به سایش را با سخت شدن تغییر شکل بهبود می بخشد، سایر فولادهای مقاوم به سایش عمدتا با افزودن عناصر تشکیل دهنده کاربید و تشکیل کاربید با کربن، سختی و مقاومت در برابر سایش فولاد را بهبود می بخشند.در حال حاضر، روند توسعه فولاد مقاوم در برابر سایش، تقویت میکروآلیاژی (مانند افزودن B، Ti، Nb، V و غیره)، اصلاح خاکی کمیاب و تقویت کامپوزیت است.این عناصر کمیاب ترکیباتی را در فولاد تشکیل می دهند، مانند افزودن B و سایر عناصر کمیاب در فولاد برای تشکیل بورید، و افزودن Ti، Nb، V و غیره برای تشکیل کاربید با سختی بالا برای بهبود مقاومت به سایش فولاد.WC و AlO در فرآیند ریخته گری اضافه می شوند.کامپوزیت زمینه فولادی از تقویت ماتریس فولادی با ذرات مساوی تشکیل می شود.
② مواد سرامیکی.مواد مورد استفاده به عنوان سرامیک های مقاوم در برابر سایش عمدتا شامل سرامیک های اکسیدی، سرامیک های کاربید و سرامیک های نیترید هستند.سرامیک های معمولی مقاوم در برابر سایش عبارتند از آلومینا، کاربید سیلیکون، نیترید سیلیکون و غیره. مواد سرامیکی بسیار شکننده هستند، بنابراین سخت شدن مواد سرامیکی مقاوم در برابر سایش جهت اصلی تحقیق است.کاربید سیمانی که به عنوان سرمت نیز شناخته می‌شود، یک آلیاژ بر پایه Co تقویت‌شده با ذرات WC یا TiC است که معمولاً به عنوان ابزار، ساینده‌ها و سایر قطعاتی که نیاز به مقاومت در برابر سایش بسیار بالایی دارند، استفاده می‌شود.
③ مواد پلیمری مقاوم در برابر سایش.مواد مقاوم در برابر سایش پلیمری عمدتاً شامل نایلون، پلی اورتان، رزین اپوکسی و لاستیک است.از معایب مواد پلیمری سختی کم و دمای سرویس پایین است، بنابراین از ذرات یا الیاف سرامیکی برای تقویت آنها برای بهبود استحکام و مقاومت در برابر سایش استفاده می شود.
برای مقاصد اقتصادی، شرکت های مدرن معمولاً از فناوری با سرعت بالا استفاده می کنند.کارایی کارخانه با پارامترهای زیر تعیین می شود: ویژگی های تجهیزات و دوام.هزینه سرمایه گذاری، هزینه بهره برداری، هزینه نگهداری و تعمیر که از جمله مهمترین آنها ایمنی و اطمینان در تولید و کاهش نگهداری است.بنابراین، کاهش سایش و خوردگی تجهیزات در حال اجرا با سرعت بالا بسیار مهم است.به دلیل ویژگی های برجسته مواد سرامیکی، استفاده از سرامیک می تواند مشکلات مقاومت در برابر سایش و مقاومت در برابر خوردگی مورد نیاز در بسیاری از کاربردها را حل کند.در مقایسه با مواد فلزی و پلیمرها، سرامیک ها مقاومت در برابر سایش، مقاومت در برابر خوردگی و عایق حرارتی بهتری دارند.
انواع رایج سرامیک های مقاوم در برابر سایش؟
سرامیک های اکسیدی
1. سرامیک آلومینا
سرامیک آلومینا معمولاً به مواد سرامیکی α- با آلومینا به عنوان فاز کریستالی اصلی اطلاق می شود.با توجه به محتوای آلومینا مختلف، 75 پرسلن، 85 چینی، 90 چینی، 95 چینی و 99 چینی وجود دارد.با α- مواد سرامیکی با اکسید آلومینیوم به عنوان فاز کریستالی اصلی دارای سختی و استحکام مکانیکی بالا، مقاومت سایشی خوب، هدایت حرارتی، مقاومت الکتریکی و مقاومت عایق بالا، تلفات دی الکتریک کم، عملکرد الکتریکی پایدار با تغییرات دما و فرکانس هستند و به طور گسترده ای هستند. به دلیل ساخت راحت، سطح یکنواخت و مسطح به عنوان مواد عایق الکتریکی استفاده می شود.تاکنون بیش از ده نوع ساختار کریستالی Al2O3 پیدا شده است، اما عمدتاً سه نوع وجود دارد.در دماهای بالاتر از 1300 ℃، سایر فازهای کریستالی تقریباً به طور کامل به α-Al2O3 تبدیل می شوند.
مواد سرامیکی آلومینا به دلیل منبع گسترده، قیمت پایین و مقاومت در برابر سایش خوب، به طور گسترده در صنعت استفاده می شود.نتایج نشان می دهد که مقاومت فرسایشی مواد سرامیکی Al2O3 95% بیش از 5 برابر چدن با کروم بالا (Cr15Mo3) است.برای اصطکاک و سایش، زمانی که محتوای آلومینا کم است، محتوای آلومینا بر مقاومت به سایش سرامیک های آلومینا تأثیر می گذارد.با افزایش محتوای Al2O3، مقاومت در برابر سایش بهبود می‌یابد و تأثیر آن در آسیاب مرطوب بیشتر است.
2. سرامیک زیرکونیا
محیط سنگ زنی زیرکونیا دارای چگالی بالا (وزن مخصوص توپ آلومینا حدود 3.6 گرم بر سانتی متر مکعب است و وزن مخصوص توپ زیرکونیا حدود 6.0 گرم بر سانتی متر مکعب است)، استحکام و چقرمگی بالایی دارد، بنابراین مقاومت سایشی عالی و سنگ زنی بسیار بالایی دارد. کارایی، و می تواند از آلودگی مواد جلوگیری کند.مخصوصاً برای آسیاب و پراکندگی مرطوب مناسب است.در حال حاضر به طور گسترده ای در صنایع سرامیک، مواد مغناطیسی، پوشش ها، جوهر، دارو و صنایع غذایی استفاده می شود.به عنوان مثال: رنگ ماشین پیشرفته، رنگ تلفن همراه، جوهر جوهر افشان، لوازم آرایشی و بهداشتی پیشرفته و غیره. دانه های سنگ زنی زیرکونیا به دلیل وزن مخصوص بالا به پرکاربردترین مواد آسیاب در بازار تبدیل شده اند (وزن مخصوص توپ های آلومینا حدود 3.6 گرم بر سانتی متر مکعب، و وزن مخصوص توپ های زیرکونیایی حدود 6.0 گرم بر سانتی متر مکعب است)، چقرمگی بالا و مقاومت در برابر سایش عالی.
در مهندسی پودر، زیرکونیا علاوه بر استفاده به عنوان محیط آسیاب، به عنوان لوازم جانبی آسیاب شن و ماسه نیز استفاده می شود.همه با آسیاب شن و ماسه آشنا هستند.وظیفه آن سنگ زنی است.یک آسیاب شن و ماسه عالی باید از مزایای راندمان آسیاب بالا، عملکرد تجهیزات پایدار و کیفیت بالای محصول برخوردار باشد.برای اطمینان از این مزایا، لازم است الزاماتی برای لوازم جانبی آن مطرح شود: اول، مقاومت در برابر سایش دارد، یعنی در هنگام سنگ زنی میزان سایش پایینی دارد و باعث آلودگی جدی محصولات سنگ زنی نمی شود.2،سختی به اندازه کافی بزرگ است تا از راندمان بالای آسیاب اطمینان حاصل شود.در بین قطعات سرامیکی، زیرکونیا بالغ‌ترین قطعه سرامیکی است که در آسیاب شن و ماسه استفاده می‌شود و کاربردهای گسترده‌ای دارد.در میان چهار ماده الماس بالغ، زیرکونیا، آلومینا، کاربید سیلیکون و نیترید سیلیکون، زیرکونیا بهترین چقرمگی را دارد.در آسیاب های شنی دوار با سرعت بالا به عنوان روتور دارای مزایای بارزتری است.زیرا در فرآیند چرخش با سرعت بالا، فرآیند سنگ زنی تماسی بین روتور و مواد به راحتی منجر به ایجاد ترک در قطعات سرامیکی می شود که به مرور زمان منجر به شکستگی قطعات سرامیکی می شود.فقط سرامیک های زیرکونیا می توانند چقرمگی استفاده از این شرایط کاری ویژه را برآورده کنند.استفاده از روتورهای سرامیکی الزامات آماده سازی و کاربرد بسیاری از پودرهای فوق ریز با خلوص بالا و بدون آلودگی فرومغناطیسی را برآورده می کند.
3. سرامیک کامپوزیت آلومینیوم زیرکونیا آلومینا
توپ سرامیکی آلومینا به دلیل سختی بالا، خواص شیمیایی پایدار و قیمت مناسب به طور گسترده ای استفاده می شود.توپ های آسیاب زیرکونیایی نیز به دلیل نسبت زیاد و چقرمگی خوب در بسیاری از بازارها مورد استفاده قرار می گیرند.با این حال، شکنندگی سرامیک های Al2O3 به طور جدی مانع کاربرد و توسعه سرامیک های آلومینا می شود.در سال های اخیر، محققان سعی کرده اند با افزودن فازهای دوم، خواص مکانیکی سرامیک های آلومینا را بهبود بخشند.
اکسید آلومینیوم سختی بالایی دارد و زیرکونیا چقرمگی خوبی دارد.این دو ماده کامپوزیت های عالی با استحکام بالا و چقرمگی بالا را تشکیل می دهند که بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند.سرامیک های ZTA دارای استحکام خمشی و چقرمگی شکست بالایی در دمای اتاق هستند، بنابراین سرامیک های سخت شده زیرکونیا دارای مقاومت سایش عالی هستند.این ماده کامپوزیت سرامیکی نه تنها ویژگی های سرامیک های زیرکونیایی را با چقرمگی و استحکام بالا نشان می دهد، بلکه مزایای سرامیک های آلومینا با سختی بالا را نیز حفظ می کند.با بهبود این ویژگی مکانیکی جامع، مقاومت سایش آن نیز تا حد زیادی بهبود یافته است.نسبت خاص دو ماده را می توان با توجه به نیازهای استفاده واقعی کاربران تنظیم کرد.خواص سرامیک آلومینا سخت شده زیرکونیا بهتر از سرامیک آلومینا 99 است و قیمت آن کمتر از سرامیک زیرکونیا است.ساینده های سرامیکی آلومینیومی زیرکونیوم / آسترهای مقاوم در برابر سایش با وارد کردن عنصر کمیاب زیرکونیوم اصلاح و سفت می شوند و با تبدیل فاز سفت می شوند و یک ساختار پلی کریستالی را تشکیل می دهند.استحکام و چقرمگی بهبود یافته است و مقاومت در برابر سایش خوب است، که تا حد زیادی چقرمگی ضربه ساینده های سرامیکی / آسترهای مقاوم در برابر سایش را بهبود می بخشد.
سرامیک کاربید
سرامیک های کاربید به دلیل سختی بالا، استحکام بالا و مقاومت در برابر سایش به طور گسترده در محیط های با دمای بالا با مقاومت در برابر خوردگی و مقاومت در برابر سایش استفاده می شوند.سرامیک های مقاوم به سایش بالا مانند کاربید سیلیکون و کاربید بور رایج هستند.
1. سرامیک کاربید سیلیکون
سرامیک های کاربید سیلیکون به دلیل خواص عالی خود به طور گسترده در دفاع ملی، ماشین آلات، متالورژی، الکترونیک و سایر زمینه های صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند.در میان بسیاری از مواد سرامیکی، کاربید سیلیکون به دلیل سختی بالا، مقاومت در برابر دمای بالا، پایداری حرارتی خوب، ضریب انبساط حرارتی کم و هدایت حرارتی عالی، نقطه داغی در تحقیقات علم مواد بوده است.در مقایسه با زیرکونیا، کاربید سیلیکون حداقل چندین مزیت از جمله اتلاف سریع گرما، هزینه کم و مقاومت در برابر سایش بیشتر هنگام اعمال بر روی سیلندر آسیاب آسیاب شن و ماسه دارد.مزیت اتلاف سریع حرارت می تواند از تجمع مواد در بدنه سنگ زنی به دلیل دمای بالا جلوگیری کند و در نتیجه راندمان آسیاب را بهبود بخشد.از نظر مقاومت در برابر سایش، کاربید سیلیکون عملکرد عالی دارد، اما دارای کاستی هایی از جمله چقرمگی ناکافی و تکه تکه شدن آسان است.ساخت یک بشکه بزرگ آسان نیست.
2. کاربید بور
کاربید بور فشرده داغ، یک ترکیب نسوز غیر فلزی، یکی از سخت ترین مواد در ساینده های مصنوعی است.محصولات فشرده داغ دارای مقاومت سایش بالا، خاکستری سیاه و براق هستند.سرامیک های کاربید بور دارای مقاومت سایش خوبی هستند، بنابراین کاربردهای مهمی در زمینه مقاومت در برابر سایش دارند.نازل های ساخته شده از سرامیک کاربید بور در شرایط سخت عمر طولانی دارند که بسیار بیشتر از نازل های ساخته شده از اکسید آلومینیوم، کاربید تنگستن و سایر مواد است.
در عملیات واحد مهندسی پودر، از خشک کن اسپری گریز از مرکز برای تهیه پودر سرامیک استفاده می شود که دارای مزایای آلودگی کم، سرعت خشک شدن سریع، محتوای آب یکنواخت، توزیع اندازه ذرات باریک، سیالیت پودر خوب و غیره است، اما سرامیک های زیادی دارد. پودرها سختی بالایی دارند که باعث سایش جدی نازل های گریز از مرکز چرخش با سرعت بالا می شود.استفاده از کاربید بور می تواند به طور موثر عمر مفید نازل ها را بهبود بخشد.
سرامیک نیترید
1. سرامیک نیترید سیلیکون
سرامیک های نیترید سیلیکون دارای وزن مخصوص کوچک، ضریب انبساط حرارتی کم، مقاومت در برابر شوک حرارتی خوب و چقرمگی شکست بالا هستند.آنها به طور گسترده ای در هوافضا، موتورهای خودرو، ماشین آلات، صنایع شیمیایی و سایر زمینه ها استفاده می شوند، به ویژه به عنوان یک ماده ساختاری جدید با دمای بالا، مزایای آشکاری دارند.
در زمینه مهندسی پودر، چگالی چرخ درجه بندی آسیاب جت نیترید سیلیکون 3.2 گرم در متر و وزن بدن آن 2/3 مواد فلزی است.بزرگترین ویژگی استفاده از چرخ درجه بندی نیترید سیلیکون جلوگیری از آلودگی فلزات است.علاوه بر این، نسبت آن 40 درصد کمتر از سرامیک های زیرکونیایی است که نه تنها می تواند مصرف انرژی موتور را تا حد زیادی کاهش دهد، بلکه نیاز کمتری به موتور دارد.تحت موتور موجود، می تواند به فرکانس بیش از حد برای به دست آوردن ذرات با اندازه ذرات ریزتر دست یابد.
نیترید سیلیکون به عنوان یک نوع جدید از محیط آسیاب وارد عرصه کاربرد صنعتی شده است.با نرخ سایش بسیار کم و خواص مکانیکی عالی، توجه بسیاری را به خود جلب کرده است.اگرچه محدود به هزینه و سطح پردازش نیترید سیلیکون است، نیترید سیلیکون به طور گسترده ای مورد استفاده قرار نمی گیرد، و نسبت نسبتاً کمی از نیترید سیلیکون به آسیاب کارآمد کمک نمی کند، اما استفاده از محیط آسیاب به سایش کم نیاز دارد، نیترید سیلیکون نیز یک مواد ساینده بالقوه
2. نیترید آلومینیوم
با سختی بالا و استحکام دمای بالا، سرامیک نیترید آلومینیوم را می توان به عنوان ابزار برش، چرخ سنگ زنی، قالب های کشش سیم و مواد اولیه برای ساخت مواد ابزار و مواد فلزی و سرامیک استفاده کرد.همچنین مقاومت در برابر سایش عالی دارد و می توان از آن به عنوان قطعات مقاوم در برابر سایش استفاده کرد.اما به دلیل هزینه بالای آن فقط برای قطعاتی با سایش شدید قابل استفاده است.پوشش برخی از سطوح فلزی یا غیرفلزی که به راحتی اکسید می شوند با پوشش AIN می تواند مقاومت در برابر اکسیداسیون و مقاومت در برابر سایش آنها را بهبود بخشد.همچنین می توان از آن به عنوان پوشش ضد خوردگی مانند پردازشگر مواد خورنده و آستر ظروف استفاده کرد.