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    环境因 素对耐火材料耐磨性的影响主要有这4个方面

    环境因 素对耐火材料耐磨性的影响主要有这4个方面

    发布日期:2020-03-18 作者: 点击:

    国内耐火材料工作者根据材料的使用特点以及环境因 素等综合分析,不断模拟材料冲蚀过程,探索产生磨损破坏的机理,耐火材料的耐磨性是一个受多个因 素影响的参数 。它主要受到以下三个方面因 素的影响:环境因 素(磨料冲蚀角度、磨料冲蚀速度及浓度、冲蚀时间、环境温度等);磨料性质(磨料硬度、形状、粒度、密度、破碎性等);靶材性质(成分、组织、硬度、物理及力 学性能) 。以下为环境因 素对耐火材料冲蚀的影响:


    (1)冲蚀角度


    磨粒的入射速度与被冲蚀表面所形成的夹角称为冲蚀角度,有时也叫攻角 。冲蚀角度对靶材冲蚀率的影响几乎不随着磨粒尺寸、种类甚至速度的变化而变化 。但通过对比不同靶材,冲蚀角度对冲蚀磨损率的影响又是截然不同的 。对于典型的塑性材料(大多数金属及合金)而言,冲蚀磨损率随磨粒冲蚀角度的增大而增大,当冲蚀角度达到20°左右时,磨损达到最大值,经过短暂的稳态冲蚀后,磨损率逐渐减小;但是对于典型的脆性材料(玻璃、陶瓷、耐火砖)来说,冲蚀率随着磨粒冲蚀角度的增大而增大,最大冲蚀率出现在冲蚀角度为90°时,图1 。两种典型的冲蚀破坏中攻角与冲蚀率的关系可表达为式(1):


    环境因 素对耐火材料耐磨性的影响主要有这4个方面


    式中,ε为冲蚀率,α为冲蚀角度,n、A、B为常数,典型脆性材料A=0,塑性材料B=0,n=π/2α 。


    大学的刘成龙等人研究了不同冲蚀角度对QAl9-4铝青铜棒抗冲蚀磨损性能的影响,结果表明,在0-30°冲蚀角度范围内,铝青铜试样的累积质量损失随角度增大而增加;当冲蚀角度大于30°后,累积质量损失降低 。随着冲蚀角度的逐步增大,冲蚀磨损形成的试样表面缺陷逐渐从沿水流方向的长程犁沟向带有凹坑的短程犁沟变化,且试样表面平均粗糙度逐渐降低 。


    (2)冲蚀速度


    磨粒冲击到靶材时的速度称为冲蚀速度 。磨粒的冲蚀速度对冲蚀率的影响是非常大的,我们不妨从能量角度进行分析,磨粒冲击到靶材所具有动能是靶材损坏的能量来源的,而对于质量、形状一定的粒子来说,速度越大,其具有的原始冲击动能也就越大,因 此冲蚀速度对于冲蚀磨损起着至关重要的作用 。众多试验表明,磨粒的冲蚀速度存在某一临界值,也就是说只有当冲蚀速度大于这一临界速度时,靶材才会产生破坏,而这一门槛值与磨粒的尺寸形状以及靶材的性质有关,它也可以通过材料力 学性能来预估,如11%Cr钢受225μm石英砂冲击的门槛速度值只有2.7m/s左右;当磨粒冲蚀速度大于这一门槛值时,通过在很多不同磨料、不同靶材、不同冲蚀环境的冲蚀磨损试验总结出了关系式(2):


    环境因 素对耐火材料耐磨性的影响主要有这4个方面


    其中,v为磨粒入射速度,n和K为常数 。Finnie早期认为n≈2,这与他的微切削理论分析吻合,但是后来通过试验发现,从塑性材料到脆性材料,n值的变化范围是2-6.5,通常为n=2-3,塑性材料n值波动不大,为2.3-2.4,脆性材料的n值则出现了从2.2-6.5的波动 。许多试验也证明了n值也随着冲蚀角度的增大而增大的事实 。


    (3)冲蚀时间


    磨粒冲击到靶材直至冲蚀结束这段时间称为冲蚀时间 。冲蚀磨损不同于黏着磨损和磨粒磨损,它呈现出一个较长时间的冲蚀潜伏期或孕育期,这一点特别是对于液蚀和气蚀更甚 。当磨粒最开始冲蚀时,一般不会立即发生冲蚀磨损,而是由于冲击作用使得靶材产生加工硬化而变得粗糙 。经过一段时间的冲蚀磨损,靶材表面原先有缺陷的地方率先产生微裂纹,并在磨粒冲蚀作用下产生裂纹扩展 。对于喷砂型冲蚀,在冲蚀初期可能会出现冲蚀“增重”现象,这是由于磨粒的嵌入带来的质量增加,嵌入增重大小与冲蚀角度有关,且在小入射角时,“增重”现象明显小于大入射角 。值得说明的是,孕育期的长短是表征材料耐磨性的重要标准,它表明材料从弹性形变到塑性破坏之间的跨度,之后进入的稳态冲蚀阶段,则是衡量材料抗冲蚀的重要指标 。


    (4)冲蚀温度


    很多零件是在高温环境服役的,因 此冲蚀温度对材料抗冲蚀性的研究是很重要的一个因 素 。我们通常所说的冲蚀温度其实可以细分成两个温度,第一是磨粒冲击靶材表面时摩擦使局部升温,这个温度会对靶材冲蚀磨损性能产生一定影响;其次就是指冲蚀所发生环境的环境温度 。


    环境温度对物相形态、组织结构的影响是十分复杂的,因 此温度变化对靶材抗冲蚀磨损性能的影响很难用一个通用的式子定量的表达出来 。我们不妨按照靶材的材料属性,分情况讨论环境温度对冲蚀磨损性能的影响 。对于非氧化物材料来说,它的磨损量-温度曲线接近水平直线,即在整个试验温度区域中磨损量几乎没有变化;氧化物耐火制品类的耐磨性随温度的变化趋势可以分为弹性阶段和塑性阶段,材料处于弹性段,随温度的升高,磨损量几乎无变化;继续升高温度,当材料达到塑性变形阶段,磨损量大幅度降低 。不同材质耐火制品产生塑性变形的温度不同,耐火制品磨损量开始大幅度降低的温度点不同,高铝砖、刚玉砖、黏土结合碳化硅砖磨损量开始明显下降的温度点分别为800、1000和600℃ 。


    中国地质大学的李小超等人则采用自行设计的气流喷砂式热态固体粒子冲蚀磨损试验机,在空气气氛下使用36#SiC为冲蚀磨粒,对SiC-Sialon复相耐火材料进行了冲蚀磨损研究 。研究发现,随着冲蚀温度的升高,SiC-Sialon复相耐火材料的体积冲蚀率先增高后降低;随着冲蚀角的增大,SiC-Sialon复相耐火材料的体积冲蚀率逐渐增大;且环境温度超过1000℃时,材料表面发生氧化,生成的致密的氧化物保护层对材料抗高温冲蚀磨损起到重要增强作用 。


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