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为解决钻探领域重要的易磨损部件耐磨材料的难题,研究制备新型耐磨陶瓷材料及评价其磨损形式和损毁机理具有重要的科学意义和应用价值。
采用Si粉、Si3N4粉、A12O3粉、AlN粉和SiC颗粒为原料,Y2O3为烧结助剂,在1600℃×3h和0.9MPa的氮气压力下进行原位氮化反应烧结制备得到的Sialon-SiC耐磨陶瓷材料试样。Sialon基质将SiC颗粒包裹使材料致密化。随着SiC颗粒加入量从0%到60%的变化,Sialon的z值从2.66变化到1.20,抗折强度从228MPa变化到189Mpa,耐压强度从1080Mpa变化到428MPa,断裂韧性KIC值从5.86MPa·m1/2变化到4.87MPa·m1/2,硬度从HRA85变化到HRA71。
以22.28%Si粉、37.14%Si3N4粉和40.58%A12O3粉配制的复相粉体作为生成Sialon的基质,再分别添加不同含量SiC颗粒的试样埋于焦炭颗粒中,在1550℃下烧结,制备得到Sialon-SiC复相耐磨陶瓷试样。生成了针状β-SiC,提高了试样的致密度及结合强度。不同SiC颗粒加入量(0～60%)试样抗折强度127～70MPa,耐压强度374～162Mpa,体积密度从2.09g/cm3增加到2.39g/cm3,气孔率从33.81%降到25.61%,烧结线变化率从-1.55%降为-0.66%,试样具有较小的烧结收缩和变形,有利于耐磨陶瓷部件后期的磨切削等加工。
氮化反应烧结制备的Sialon-SiC复相陶瓷材料具有优良的抗液固两相流冲蚀磨损性能。在不同介质中的耐冲蚀性能排序为:石英砂和泥浆＞石英砂和水＞碳化硅砂和泥浆＞碳化硅砂和水。冲蚀初期(2h之内)Sialon-SiC复相陶瓷材料冲蚀率迅速增大,随时间延长到24h以后趋于平稳。在实验条件下,加入15.30wt%SiC颗粒的Sialon-SiC复相陶瓷抗液固两相流冲蚀磨损性能最好。生成的长柱状Sialon晶粒有助于提高抗剥落和抗冲蚀能力,SiC颗粒对通过“阴影效应”保护基质来实现抗冲蚀的增强作用。
磨粒磨损性能研究表明SiC颗粒对Sialon基质有很好的保护作用。当表层Sialon基质被磨损后露出凸起坚硬的SiC颗粒,起到屏蔽保护基质的作用。因磨粒磨损“撕扯效果”作用导致裂纹扩展及磨粒对基质产生犁削作用在遇到SiC颗粒时也被有效减缓。含15%～30%SiC氮化反应烧结的Sialon-SiC复相陶瓷材料具有优秀的耐磨损性能。本研究为Sialon-SiC复相耐磨陶瓷材料进一步在钻探领域的应用奠定重要的研究基础。