耐磨陶瓷耐冲击试验及分析

杨忠斌 冯文强 王强

摘 要：介绍耐磨陶瓷的两种简单耐冲击试验和Q235B钢块击裂（开）耐磨陶瓷块冲击点压强的一种估算方法，对设备合理选用耐磨陶瓷有一定的指导意义。

关键词：耐磨陶瓷；耐冲击；试验；分析

IMPACT RESISTANCE TEST AND ANALYSIS OF WEAR-RESISTANT CERAMICS

Yang Zhongbin1 2 Feng Wenqiang1 2 Wang Qiang1 2

（1.Hebei Province Intelligent Furnace Top Equipment Engineering Research Center. Qinhuangdao 066318，China; 2.Qinhuangdao Qinye Heavy Industry Co.， Ltd. Qinhuangdao 066318，China）

Abstract：This paper introduces two simple impact tests of wear-resistant ceramics and a method for estimating the impact point pressure of Q235B steel blocks cracking （opening） wear-resistant ceramic blocks， which has certain guiding significance for the rational selection of wear-resistant ceramics for equipment.

Key words：wear-resistant ceramics; impact resistance; test; analysis

0 前 言

耐磨陶瓷是以Al2O3为原料、以稀有金属氧化物为熔剂、经过1 650 ℃以上的温度烧结制成的特种陶瓷，具有硬度高、耐磨与耐热性好、重量轻的特点，在钢铁、火电、煤炭、矿山、化工、水泥、港口及其他机械等行业的输料、制粉、排灰除尘等磨损较大设备上的应用越来越多。目前，国内常用的耐磨陶瓷Al2O3含量为95%（俗称95瓷）和92%（俗称92瓷）。

耐磨陶瓷还具有对微小缺陷十分敏感、断裂韧度较低的物理特性。目前，对耐磨陶瓷的耐磨性、抗压强度、抗弯强度及陶瓷断裂韧性研究的公开资料及数据很多，并且基本一致。但对多大的冲击点压强能将耐磨陶瓷破裂，公开资料中的研究结果均为实验室条件下取得的，并且没有Q235B钢块冲击耐磨陶瓷的研究数据。

相关资料表明，在测试Al2O3材料样块表面的维氏硬度时，当测试压头产生23.7 GPa的压强后，压头下Al2O3样块表面的底痕边缘会发生细微破碎，同时在任痕角上沿对角线延长方向上产生裂纹[2]。另有资料显示，基于AD95陶瓷高压声速研究结果，对雨贡纽状态的有效剪切模量进行了分析讨论，结果表明：1）与无损伤情况下的理论有效剪切模量相比，实测的有效剪切模量在加载应力大于HEL之后具有明显的下降过程，体现了材料开始发生等效损伤以及损伤程度不断增加的过程。2）有效剪切模量虽然降低但并不降低到零，材料仍然具有一定表观强度。3）当加载应力大于约40 GPa之后，有效剪切模量随加载应力的增加逐渐增大，明显低于理论有效剪切模量，但变化趋势近乎平行，表明此时材料发生了严重的等效损伤，处于类流体状态[3]。

秦冶重工公司的主导产品之一高炉炉顶装料设备，是炼铁高炉接收并向炉内传输炉料的关键设备，炉料中大多夹杂钢板等硬物，如近年为提高出铁产量，钢铁厂会在炉料中有计划添加废钢，废钢等硬物冲击力对设备的影响不容忽视。我们为确保设备应用耐磨陶瓷的部位使用寿命符合预期要求，对耐磨陶瓷进行了一些模拟工况条件的简单耐冲击试验与分析。

1 耐磨陶瓷的耐冲击试验

1.1 物体自由落体垂直冲击平置耐磨陶瓷板的试验

1.1.1 试验情况

选取2种耐磨陶瓷板，进行了图1所示的物体自由落体垂直冲击它们的试验，结果见表1。

试验中，Q235B材质的40 mm×40 mm×40 mm钢块自由落体5.5 m击裂（开）浮放在石板上的耐磨陶瓷板时，钢块被斜向下弹出、落地，钢块一尖角被压碓成图2-2中的三角形 。随后，又多次用同样尺寸的几个钢块，自由落体2 m垂直冲击另外的75 mm×75 mm×25 mm耐磨陶瓷板，陶瓷板除出现冲击亮印之外，没有损伤，钢块被弹起幅度很小，钢块边角有不同程度的变形，均明显小于前述击裂（开）陶瓷衬板的钢块变形。

1.1.2 估算40 mm×40 mm×40 mm钢块自由落体5.5 m击裂（开）耐磨陶瓷板的冲击点压强

1.1.2.1 绘制分析图

图2是我们根据试验情况绘制的分析图，其中A角是试验用40 mm×40 mm×40 mm钢块击裂（开）陶瓷板前的原始角，?BCD是方钢块A角被压碓后的平面形状，实测基本是边长BD=CD的等腰三角形，以拓印后计算机绘图方法测得的?BCD的面积SBCD=3 mm2，∠BCD=12°，所画线AF⊥?BCD，F点在?BCD面上，E是DF延长线与BC边的交点，DE⊥BC， AE⊥AD。因BD=CD，故直角三角形⊿BAD和⊿CAD全等，边长AB=AC。直角等腰三角形⊿BAC中AE=BE=CE，AE⊥BC。∠CDE=∠BDE=6°，∠DEC=90°。

令CD=a、AF=h2，∠ADE=θ，则有：

AE=BE=CE=CD sin6=asin6

DE= CDcos6=acos6

Sinθ=AE/DE =asin6/（acos6）=0.1 051

AD=√DE2-AE2=a√0.989 1-0.010 9 =0.989a

h2= AD Sinθ=0.989a× 0.105 1 =0.103 9a

a=（1/0.1039 ）h2=9.62h2

SBCD=BC×DE/2=（2asin6）（acos6）/2=[（2×9.62 h2）sin6][ （9.62 h2）cos6]/2 =9.620 5 h2 2                       （1-1）

将实测的SBCD=3 mm2代入公式（1-1）得：

h2 =√SBCD/9.620 5=√3/9.620 5=0.558 4（mm）即h2 =0.000 558 4 m

1.1.2.2 估算钢块击裂（开）耐磨陶瓷板的冲击点压强上限值

根据动量定理，40 mm×40 mm×40 mm钢块冲击耐磨陶瓷板时，应有F?t=m?V，即F=m?V/?t ，式中F为钢块与耐磨陶瓷板的相互作用力（单位N），?t为二者的作用时间，s，m为钢块质量，kg），?V为钢块的速度变化量，m/s。

根据自由落体运动公式，钢块自由落体（g=9.8 m/s2）H=5.5 m时的瞬时速度V5.5为：

V5.5=√2gH=√2×9.8×5.5=10.383（m/s）

钢块自由落体H=5.5 m，用时t1=√2H/g=

√2×5.5/9.8=1.059 456 927（s）

钢块自由落体H=5.500 558 4 m，用时

t2=√2H/g=√2×5.5/9.8=1.059 510 707（s）

钢块自由落体5.5 m后，继续下落0.000 558 4 m的用时t3= t2-t1=0.000 053 78 s因钢块冲击耐磨陶瓷板后被斜向下弹出、落地，说明钢块击裂（开）耐磨陶瓷板、与陶瓷板脱开的时刻还有一定向下速度，故|?V| ＜|0-V5.5| =10.383 m/s。钢块冲击陶瓷板过程中，因受阻力，下行速度实际是小于继续自由落体速度的，故?t＞t3，即1/?t＜1/t3。推得：

|F|=m|?V|/?t＜0.5×10.383/0.000 053 78=96 532.17（N）

此时耐磨陶瓷板被冲击点的压强p为：

p=|F|/ SBCD＜96 532.17（N）/（3x10-6 m2）=32 178×106 Pa=32.18 GPa

以上估算结果，说明钢块击裂（开）

75 mm×75 mm×25 mm的“95”耐磨陶瓷板的冲击点压强p＜32.18 GPa。

1.1.2.3 估算钢块击裂（开）耐磨陶瓷板的冲击点压强下限值

自由落体钢块冲击耐磨陶瓷衬板的过程，也是钢块重力势能mgH转变为动能即冲击功，随后转变为钢块与陶瓷板变形能及热能、剩余动能的过程。在钢块击裂（开）陶瓷板的过程中，冲击功消耗的能量一部分转变为钢块的变形能，设定该变形能数值为E（单位J）。

Q235B钢块属于塑性金属材料，在尖角冲击耐磨陶瓷板的过程中，受到耐磨陶瓷板的反作用力，因冲击力大而使尖角产生塑性变形。同一金属材料在温度相同时，屈服强度即产生塑性变形的应力是恒值，因此，钢块尖角在冲击陶瓷板并自身塑性变形的瞬间，不考虑钢块温度变化，钢块与陶瓷板由小变大的接触面，单位为Pa的压强p是恒值，冲击方向就是边角变形方向，即如图2所示的AF方向。

假设耐磨陶瓷板被击裂（开）前，钢块被压碓是沿AF方向逐渐变形，在沿AF方向被压碓到h（单位m）位置时，对应的三角形面积是S（h），钢块又被压碓微量Δh时，Δh对应的冲击功消耗能量就是pS（h）Δh，边角被压碓面积达到SBCD 即h= h2时耐磨陶瓷板被击裂（开），根据能量守恒定律，有：

E=ΣpS（h）Δh                                             （1-2）

参考公式（1-1）得： S（h） =[（2×9.62 h）sin6]

[ （9.62 h）cos6]/2 =9.620 5 h2                                  （1-3）

根据公式（1-3），公式（1-2）就转变为h的函数公式：

E=Σ9.620 5ph2?h

利用积分推得：

E=∫h2 09.620 5ph2dh=∫0.0005584 09.620 5ph2dh=

3.206 8p h3l0.0005584 0 +C=3.206 8×0.000 558 43p+C=

5.583 5×10-10p+C                                             （1-4）

在E=0时，没有变形能，也就不存在产生变形的作用力，即此情况下p=0，代入上式就有C=0

公式（1-4）即为：

E=5.583 5×10-10p                                       （1-5）

重0.5 kg的40 mm×40 mm×40 mm钢块自由落体2 m时，具有的能量mgH=0.5 kg×9.8 m/s2×

2 m=9.8 J，前述的试验中，此钢块没有将陶瓷板击裂（开），说明击裂（开）陶瓷板的冲击功应大于

9.8 J。由公式（1-5）推得击裂（开）耐磨陶瓷板的p为：

5.583 5×10-10 p＞9.8

p＞1.755×1010 Pa即p＞17.55 GPa

以上估算结果，说明钢块击裂（开）

75 mm×75 mm×25 mm的“95”耐磨陶瓷板的冲击点压强p＞17.55 GPa。

1.1.2.4 对估算结果的说明

以上的估算结果说明：具有9.8 J冲击功的Q235B钢块冲击75 mm×75 mm×25 mm的“95”耐磨陶瓷板，在尖角被碓成近3 mm2、冲击点压强大于17.55 GPa后，可能会将耐磨陶瓷击裂（开）；具有26.95 J冲击功的Q235B钢块冲击75 mm×

75 mm×25 mm的“95”耐磨陶瓷板，在尖角被碓成3 mm2时，会将耐磨陶瓷被击裂（开），此时冲击点压强小于32.18 GPa。

以上的估算结果，与前文所述参考资料中介绍的23.7 GPa测试压头会使“Al2O3样块表面的底痕边缘会发生细微破碎，同时在任痕角上沿对角线延长方向上产生裂纹”[2]和资料中介绍的发生严重等效损伤时的40 GPa有差异[3]。我们认为有以下三方面原因：

1）实验室试验用的耐磨陶瓷，其质量指标通常优于工业产品的质量指标。

2）试验中取没将陶瓷板击裂（开）的9.8 J冲击功作为击裂（开）陶瓷板的冲击点压强下限因子，所得数值明显会比实际值小，这样设计选型时会更安全。如果有必要，可以大于9.8 J冲击功的Q235B钢块继续试验，找出准确的冲击点压强下限值。

3）试验中选用的耐磨陶瓷板是浮放在石板上的，钢块尖角冲击使耐磨陶瓷板破裂（开），耐磨陶瓷板不是被固定好实施剪切，因此，陶瓷破裂时所受冲击压力会小于40 GPa。

1.2 物料自由落体冲击45°耐磨陶瓷板的试验

为了解高炉炉顶装料设备在工况条件下，物料对内衬耐磨陶瓷板部件的冲击情况，我们分别选取25 mm厚的“95”陶瓷板和“92”陶瓷板，粘接了两块1 800 mm×1 800 mm试板（钢板厚25 mm），在带有高清录像仪的炉顶设备试验平台上，进行了图3所示的物料自由落体9 m冲击45°陶瓷板的试验，结果见表2，陶瓷板出现的现象见图4。

试验显示，重6.89 kg、冲击功810 J的Q235B钢板没有击裂（开）陶瓷板，810 J与1.1试验中击裂（开）陶瓷板的重0.5 kg钢块冲击功26.95 J的比值为30.06。

2 耐磨陶瓷板耐冲击试验结论

通过以上的试验及分析，我们可以得出以下结论：

1）粘接在钢板上的陶瓷板，显著比浮放在石板上的陶瓷板耐冲击，即被击裂（开）的风险小很多。

2）粒度75 mm的烧结矿自由落体9 m、以45°冲击（冲击功172 J）粘接在25 mm厚钢板上的25 mm厚“92” 或“95”陶瓷板，击伤陶瓷板的风险很小。

3）自由落体12 m的6.89 kg、190 mm×185 mm×25 mm钢板（Q235B材质），以45°冲击（冲击功810 J）粘接在25 mm厚钢板上的25 mm厚“92” 或“95”陶瓷板中部的同一部位三次，不会击裂（开）陶瓷板，会砸出小凹坑，但无肉眼可见裂纹。

4）粘接在钢板上的陶瓷板，如果用胶的质量或粘接质量欠佳，在硬物的冲击下，即使表面没有被击伤，也有与钢板脱离的风险。设计时，应根据工况条件，对陶瓷板选用适宜的固定方法，例如除胶粘之外，还可以选用胶粘与焊接压块相结合、胶粘与燕尾槽卡板固定相结合等方法，胶的质量一定要符合工况条件。

5）陶瓷板暴露在外的边沿受硬物冲击时，容易被击伤（如掉岔）。设计时，应尽量使陶瓷板边沿不被冲击，如果边沿被冲击不可避免，在边沿贴放尺寸适当的金属护板也是一种可行的保护方法。

6） 相互粘接的陶瓷板，其接缝处受硬物冲击时，接缝的边沿容易被击伤。设计时，应尽量使缝隙最小。

参考文献

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