超强耐磨陶瓷涂料机理
2007-8-14 作者 :
作者：袁静 单位：成都建筑材料工业设计研究院有限公司 在水泥生产线上， 有诸多设备和管道内部长期受到物料或高浓度含尘气体的冲刷， 比如立磨 选粉机出口、磨机出口风管、选粉机、球磨机溜槽、下料斗、各种阀门内腔、闸板及输送管 道等等。 为了延长这些部位的使用寿命， 设备供应商和水泥工作者对高性价比的耐磨材料的 创新从来就没有停止过。 近期， 一种命名为耐磨陶瓷涂料的应用于以上各部位的国产非金属 耐磨材料在国内水泥企业、 钢厂、 电厂得到认可并广泛应用。 本文就从立磨粉磨系统对衬体 的要求出发谈谈该材料的机理。
l 立磨粉磨系统对衬体的要求 立磨生产的粉料在高速气流的带动下，要和衬体发生强烈的碰撞和摩
擦，进行能量交换。 衬体遭受严重的冲击和冲刷，温度上升，易于受损。这就要求衬体具有以下性能。
1．1 高的机械强度及韧性
粉料在立磨、 选粉机及管道中进行输送时， 速度在 20 m／s 左右，粉料对内衬和管道壁产生 垂直方向的压应力和平行方向的剪切应力， 从而对它们造成强烈的冲刷和磨蚀， 不断降低内 衬厚度， 降低使用寿命。 内衬长时间经受应力作用， 存在应力疲劳危险， 所以必须具有良好 的抗冲击韧性， 尤其是剪切应力， 它是内衬遭受破坏的主要原因。 因此内衬材料要有较高的 机械强度和韧性。水泥生产中因为矿渣硬度值最高，下面就以粉磨矿渣来进行分析。
1．2 良好的耐磨性能 由于高速气流的带动， 粉料对衬体产生强烈的冲刷， 必然加快内衬的磨损。 因此内衬必须具 有良好的耐磨性能， 高强度未必耐磨， 但是耐磨必须具有高强度。 耐磨性不仅和材料的强度 有关，而且和材料的性质密切相关。矿渣的硬度大概在莫氏 6级、水泥熟料的硬度为莫氏 4? 5级，这就要求内衬材料的硬度必须在 6级以上，不然就不可能耐磨。因此内衬材料应该在 7?9 级范围内选择。通常离子化合物和共价化合物有高的硬度，尤其是共价化合物。这是 因为共价键为强结合健， 其空间有很强的方向性， 构成空间网络结构， 形成强结合。 如碳化 硅、碳化钛、金刚石等，都具有高的硬度。而氧化物通常为离子化合物，部分氧化物的健强 介于离子键和共价键之间， 健强不及共价键， 硬度稍低。 因此内衬应在氧化物和碳化物、 硼 化物之中选择，从而达到较高的耐磨性。
1．3 良好的化学稳定性
立磨及输送管道要长期和矿渣接触，矿渣为 般为：CaO38%— 46%, SiO: 26%
42％, A1203 7％以 O％, jMgO4％ 一 13％, Fe2O3．2％?1％, MnO 0．1％一 1％, S 1％ 2 %。主要矿相为 C2S，和IC
AS。从化学成分和矿相可以知道，主要为碱性化合物，与制作方法有很大关系，且经常变 化。这就要求内衬具有较好的耐碱性, 不能与矿渣发生化学反应。 如果和矿渣发生化学反应 形成变质层， 就会使内衬材料性能降低， 耐磨性下降。 同时由于变质层和原始内衬膨胀系数 有差别， 在温度变化时产生热应力， 造成结构剥落， 加剧内衬材料的磨损。 因而要求内衬材 料必须具有良好的化学稳定性。
CaO— A1: 0, — SiO :系化合物，化学成分一
2 超强耐磨陶瓷涂料的理论依据 影响无机材料强度的因素是多方面的。 材料强度的本质是内部质点间
的结合力。 为了使无机 材料的实际强度提高到理论强度， 材料科技工作者进行了长期的大量的研究， 作了无数次试 验。从对材料变形及断裂的分析可知， 在晶体结构稳定的情况下， 控制材料强度的主要参数 有三个，即弹性模量 E、断裂表面能尺和裂纹尺寸 C。其中E是非结构敏感的参数，只和材
料的性能有关； R 与微观结构有关，主要与材料的晶界能、结合性和缺陷有关；裂纹尺寸
C
是一个控制强度的主要参数。 因此要提高材料的强度和韧性， 应主要从消除缺陷和改善界面、 阻止裂纹扩展人手。
2．1 选择弹性模量高的原料，提高材料硬度和耐磨性
弹性模量 E 是一个重要的材料常数，是原子间结合强度的标志，实际上是原子间结合力曲 线上任何点的曲线斜率。 共价键、 离子键结合的晶体， 由于结合力较强， 通常有较高的弹性 模量。 分子键结合力较弱， 因此弹性模量也较小。 而且弹性模量还和原子间距离有关。 从上 述可以知道，要想获得高强耐磨材料，应该选择离子和共价化合物，如氧化物、氮化物、碳 化物及硼化物和刚玉、板状刚玉、致密刚玉、碳化硅、碳化钛、硼化钛。硼化锆等常被用做 磨料，广泛地应用于磨具行业。 2．2 应该形成微晶、高密度的微观结构 为了消除缺陷，提高晶体的完整性，细、密、匀、纯是当前陶瓷发展的一个重要方向，近 年来出现了许多微晶、高密度、高纯的陶瓷材料，如热压氮化硅陶瓷，密度接近理论值，几 乎不含气孔， 有极高的机械强度和耐磨性， 是传统陶瓷所无法比拟的。 特别是近些年出现的 各种纤维和晶须，具有完整的晶体结构，几乎无缺陷，强度可以提高一个数量级。因此，在 设计超强耐磨陶瓷涂料时， 应该充分考虑材料的结构， 尽量控制气孔的含量， 提高浇注密度， 细化原料的晶体发育，形成微晶结构，增加晶体的完整性。
2．3 采用钢纤维增强和金属网增强双重补强机制 为了提高材料的耐磨性和结构强度， 大力提高超强耐磨材料的使用寿命， 增强材抖抵抗矿渣 的高速机械冲击对材料造成的冲刷和磨损， 减少材料在长期应力条件下疲劳造成的破坏， 应 该采取增强措施，改善材料的结构、优化其性能。纤维增强有效果明显，操作简单，成本低 廉的特点， 已经在材料设计中被广泛采用。 而金属网增强和增韧， 也在水泥行业中大面积使 用，两种方法复合会进一步提高材料的韧性。 钢纤维增强的物理学原理告诉我们， 随着铆纤 维的加入，材料的韧性会显著增加，原因是引入了塑性机制，改善了耐磨材料的变形机制， 有效地提高了材料抵抗应力疲劳造成的剥落和掉块，从而提高了材料的韧性。 2.4 采用微细颗粒增强衬体的机械强度
当在陶瓷材料中加入高强颗粒时，材料抵抗应力诱发的裂纹扩张会得到明显的抑制。裂纹 在应力的作用下发生扩展遇到颗粒时，由于颗粒极高的强度和小的膨胀系数，裂纹被
“钉 ”
扎住， 要继续扩展必须要求更大的能量去穿透颗粒或发生裂纹偏转， 增加界面面积， 从而增 加能量的消耗， 提高材料的强度和韧性。 加入颗粒后， 材料的弹性模量和剪切模量都有所增 加，材料的强度和耐磨性得到显著地提高，可以增加耐磨材料的使用寿命，降低生产成本。 2．5 化学强化材料的强度和韧性 为了提高耐磨陶瓷涂料养护期的强度和促进结合剂的水化进程， 需要在材料的表面涂抹养护 剂。必须设计新的养护剂， 该养护剂是一种化学涂料， 它采用离子交换的方式， 使表面的摩 尔体积
比内部的大，由于表面体积膨胀大受到内部材料的限制，就产生两向状态的压应力， 从而提高材料的屈服强度和断裂韧性。
通常是用一种大的离子置换小的离子， 由于这种置换受扩散和带电离子的影响， 压力层厚度 受到限制。 化学强化是现代材料发展的一个重要方向， 具有很强的可操作性， 而且非常有效。 2．6 内衬要选择优良的结合剂提高结合性能 国外某知名公司生产的陶瓷耐磨料结合剂为水泥，具有很强的结合强度。其产品采用了高 标号的水泥并加入了硅微粉， 产品耐磨性很高， 比传统的水泥结合强度要高出许多， 采用了 高强混凝土的设计理念， 加入了超级塑化剂， 极大地改善了混凝土的流变学特性， 加水量仅 为 5％。因此依据 MDF 和高性能混凝土的设计思路，参照特种高强混凝土的配方，在严格 控制颗粒级配的同时，控制粉料的粒度组成和各种微粉的比例，同时掺入复合高效减水剂， 优化混凝土的流变性和提高结合性能。 而且为了提高混凝土的强度和耐磨性， 尽量减少水泥 和硬度小的粉料的数量， 加入部分高分子材料， 并配合交联剂， 使结合强度增加数倍， 耐磨 性显著提高。 为了优化陶瓷涂料的中温性能， 克服有机材料在中温阶段的挥发和分解造成的 强度降低和水泥脱水产生晶型转化导致的强度衰减， 可在陶瓷涂料中加入部分纳米微粉， 利 用它们极高的表面能和水化形成的胶凝产生强度， 提高中温强度以保持陶瓷涂料在各个温度 的性能和耐磨性， 再和高强碳化物、 硼化物配合使用， 寿命会大幅度提高。 经磨损实验测试， 性能优于进口的耐磨陶瓷涂料，磨损量远低于进口材料。
3 超强耐磨陶瓷涂料的试验结果 根据超强耐磨材料的理论设计，可以选择致密刚玉、碳化硅、碳化
硼、埃肯硅微粉、聚丙 烯酸脂和复合减水剂制备刚玉基和碳化硅基两种超强耐磨陶瓷涂料进行试验。 为了体现可对 比性， 以国内某公司的陶瓷耐磨涂料、 国外知名公司陶瓷耐磨涂料作为对比样品， 分别检测 了制品的显气孔率、体积密度、耐压强度、抗折强度、烧后线变化率、磨损量等技术指标。 共中磨损量的测定采用美国耐磨性实验标准
ASTMC704 ．一 94，由于试验条件的限制，没
有完全按照标准， 而是作了适当的修正， 其结果可以大致说明几种材料的耐磨性能。 试验中 控制了微粉的加入量和加水量，试验工艺完全相同。结果见表
1。
表i耐曆材料的理化性能
测试单位性能值 实用温度（tr） 澤积矗建（哝亦） 掘气孔率r肘 耐甩矗罐N曲 菰折强庚（MPy
试验结果
甫场产汕1国外知名产品 匕曲点涂时
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