陶瓷材料磨损及高温氧化机理

陶瓷由于自身具备耐高温、耐腐蚀、耐磨损、高硬度等一系列优点而备受关注, 并被作为最重要的高温耐磨抗氧化材料。目前磨损和氧化是仍不可忽视的问题。

一：磨损机理

力学性能对陶瓷材料的磨损影响很大。对于低韧性陶瓷材料, 其磨损机理主要是微犁耕、轻微刮擦；高韧性陶瓷材料的主要磨损机理是裂纹扩展和剥落。韧性对制品的磨损影响并不显 著，韧性的提高并不能提高制品的耐磨性,反而会降低制品的耐磨性。大多数情况下, 材料的硬度越高,耐磨性就越好, 但耐磨性不能仅以硬度、抗弯强度或断裂韧性等来表征。

至今研究表明,陶瓷材料的力学性能和耐磨性之间尚未找出完全对应的关系, 力学性能对陶瓷材料耐磨性的影响有待于进一步研究。另外,陶瓷耐磨性更主要是取决于它的显微组织与相组成。通过对四方氧化锆多晶体中晶粒尺寸对滑动摩擦磨损的研究发现在与普通钢对磨条件下, 晶粒尺寸由1.5m减小到0.18m，其耐磨性增加8倍。当晶粒尺寸小于0.7m时，耐磨性和晶粒尺寸符合这时主要的磨损机理是塑性变形和微裂纹扩展。

观察干摩擦和水润滑条件下的磨损情况,发现在亚表面层处有四方相一单斜相一相变发生，但是相变对材料耐磨性的影响仍不十分清楚, 其磨损机理还有待于深人研究。

二：高温氧化机理

陶瓷材料在高温下氧化存在2种形式钝性氧化与活性氧化。前者形成致密氧化层,后者引起材料的损失。系统研究了钝性氧化和活性氧化过程中的反应热力学、扩散机制以及两者的转变区域, 发现两者之间的转变主要受氧分压和温度的影响，而钝性氧化有助于提高材料的高温抗氧化性和耐磨性。不论哪种氧化形式,材料氧化过程具体可分为3个阶段，第1阶段是氧与材料表面活性粒子之间的化学反应。从晶体学角度来说，材料表面本身就是一个缺陷，

表面分子活度大在高温下易于发生化学反应,主要由氧分压及材料表面分子活度控制，这一阶段的氧化腐蚀最严重。第2阶段是由化学反应向扩散控制转变，转变温度因材料不同有较大变化，这一过程由氧扩散速率控制，通过第一阶段生成氧化膜可以阻碍氧的扩散。第3阶段则是在高于转变温度下氧通过边界气体层向材料基体内部渗透氧化, 这一过程主要由基体与氧化层之间的扩散速率以及扩散通道控制。如何改变气相扩散通道, 降低氧化速率，还有待于进一步研究和完善。