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碳化硅技术详解 - 15 玻璃键合碳化硅陶瓷金属复合材料作为高冲击耐磨陶瓷

日期:2024-03-01 浏览:144


7 玻璃键合碳化硅陶瓷金属复合材料作为高冲击耐磨陶瓷

GBSC-CMC 的主要商业应用是轻质多击车辆装甲和其他陶瓷装甲应用。不过,它也有可能用作高冲击耐磨陶瓷。从概念上讲,GBSC-CMC 的 应用应该是显而易见的。玻璃结合剂磨料是全球砂轮的标准材料。GBSC-CMC 是一种高度精制的玻璃结合剂磨料,内嵌钢纤维,并经过精心设计,玻璃含量极低,孔隙率为零。

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冲击磨损和滑动磨损在图24中以示意图形式显示。

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图24 (左)撞击磨损。注意高速撞击粒子的撞击角 (θ),即速度矢量相对于陶瓷表面的角度,从 0 度到 90 度(本例中为 θ=45 度)。(右图)陶瓷表面(灰色)与对立面(黑色)之间的滑动磨损,对立面可能是也可能不是陶瓷。

GBSC-CMC不是传统的陶瓷。它是一种金属增强陶瓷。,它在耐磨领域的定位是与硬质合金金属陶瓷家族(如碳化钨)并驾齐驱。硬质合金以及 GBSC-CMC 的潜在应用领域包括高冲击耐磨应用,主要是采矿和矿物加工行业以及整个挖掘行业。这包括:

● 颚式破碎机的衬板。

● 大型工业球磨机的衬板。

● 矿物加工的输送带衬板涉及到大块矿石粒子,或者矿石粒子从相当高的地方掉落到带子上。

● 矿石溜槽衬板,用于处理大块矿石粒子。

目前,碳化钨等硬质合金为这一领域提供服务。硬质合金非常昂贵,其韧性虽然优于传统陶瓷,但与金属的韧性相比还有很大差距。因此,对于磨损较低的应用,或极端冲击应用,或成本是关键标准的应用,可使用硬质金属,如白口铸铁、工具钢和涂有硬质涂层的金属。

现代陶瓷公司投入时间和金钱评估GBSC-CMC作为碳化钨的潜在竞争者。GBSC-CMC有一些属性使它成为这个角色的有吸引力的候选者:

● GBSC-CMC的成本低于硬质合金。

● GBSC-CMC的韧性优于硬质合金。

● 与硬质合金不同,GBSC-CMC不含重金属。重金属是工业污染物和处理生物危害物。

MC2耐磨GBSC-CMC评估计划涉及与三家碳化钨公司的合作,分别在澳大利亚,印度和美国。然而,磨损测试程序是在MC2(军事陶瓷公司有限公司)作为澳大利亚实体的最后几天进行的,因此非常简短,不完整。因此,GBSC-CMC作为高冲击耐磨陶瓷的潜力仍然是一个问号。

进行了两个主要的测试:

1. 使用钻石轮进行滑动磨损。

2. 使用SiC颗粒的喷砂机进行干冲击磨损。

第三代和第四代GBSC-CMC都进行了测试,所有的都含有16-17vol.%的玻璃,但第四代是在与第三代不同的加工参数下制造的,主要是为了增强陶瓷玻璃键合以获得最大的耐磨性。所有的磨损测试都是用SiC GBSC-CMC完成的。

滑动磨损测试是使用标准的工业钢结合金刚石磨料 "金刚石轮 "进行的。三个等级的 GBSC-CMC 和其他六种参考陶瓷在以下条件下进行了比较测试:

● 金刚石轮:直径100毫米,厚度3.2毫米。

● 旋转速度:11,000 RPM。

● 配置:金刚石轮垂直压在瓷砖表面上。

● 负载:钻石轮和瓷砖表面之间的1.65公斤正常负载。

● 侵蚀时间:30秒。

● 磨损量化:测量侵蚀材料的体积(凹坑尺寸)。

● 磨损率:以立方毫米每秒(mm3 s-1)计算。

图 25 是经过测试的 GBSC-CMC 瓷砖,上面有磨损凹痕。图 26 显示了三个等级的 GBSC-CMC(第 3 代、第 4a 代和第 4b 代)与一些参考耐磨陶瓷的滑动磨损率对比。数据清楚地表明,与第 3 代相比,第 4 代 GBSC-CMC 的加工参数有所提高,产生的 GBSC-CMC 比第 3 代更好。这种增强对碳化硅与玻璃的结合力产生了重大影响,进而影响了耐磨性。因此,这些磨损测试对GBSC-CMC的成型过程和第四代所做的改进所取得的效益提供了重要的启示。这些学到的经验也可能对第四代GBSC-CMC作为装甲材料有用。

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图25 经过滑动磨损测试的 100 × 100 毫米玻璃结合碳化硅陶瓷金属复合材料(GBSC-CMC) 瓷砖,表面有四个磨损凹痕。这些凹 痕 的体积是根据凹痕的长度和宽度计算得出的,凹痕半径采用金刚石砂轮直径。GBSC-CMC 瓷砖表面的水平和外围灰色条纹区域仅为表面抛光的外观瑕疵。


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图26 第 3 代、第 4a 代和第 4b 代碳化硅玻璃结合碳化硅陶瓷金属复合材料(17% 玻璃)的三个等级的滑动磨损与一些工业用耐磨陶瓷的比较。棒材越短,耐磨性越高。

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图27 与 RSSC(密度为 3.10 g/cm3 )和 99% 纯氧化铝相比,第 4 代玻璃结合碳化硅陶瓷金属复合材料在较低和较高性能表现形式(第 4a 代和第 4b 代)下的撞击磨损率。

GBSC-CMC第3、4a和4b代均进行了滑动磨损测试。如前所述,其中只有第3 代进行了弹道测试。与第 3 代相比,第 4 代 GBSC-CMC 的耐磨性在这次磨损测试中有所增强,因此很有可能具有更强的弹道性能。

干冲击测试是使用喷砂机在以下条件下进行的:

● 偏移距离:70毫米。

● 冲击砂粒:SiC 46目(~ 350微米)。

● 空气压力:100 psi。

● 冲击时间:30秒。

测试了两个冲击角度:

  • • 90度 - 最严酷的冲击角度。

  • • 30度 - 更温和的冲击角度。

试验前后称量瓷砖以测量重量损失,并从此计算出以mm3s-1为单位的磨损率。只有四种材料在冲击条件下进行了测试:

● GBSC-CMC第四代a。

● GBSC-CMC第四代b。

● 氧化铝:高耐磨等级,纯度99%。

● RSSC SiC:高等级(密度3.10克/立方厘米)。

数据见图 27。在 90 度撞击角这种最苛刻的撞击条件下,RSSC 比最高级别的 GBSC-CMC 稍好,但氧化铝比 GBSC-CMC 和 RSSC 都差很多。当撞击角为 30 度时,所有材料的总体磨损率约为一半,氧化铝和 RSSC 比 GBSC￾CMC 略胜一筹。这可能是因为每种材料的晶粒更细,形态更光滑,尤其是氧化铝。值得注意的是,GBSC-CMC 具有很强的抗冲击性,而传统的氧化铝和碳化硅陶瓷则不具备这种特性。

应该强调的是,这些只是初步试验,当然不能视为 GBSC-CMC 作为耐磨陶瓷的商业潜力的最终结论。GBSC-CMC 第 4 代产品,尤其是第 4b 代产品,应进行全面的平衡性评估。

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