Ceramica tribologică

Ceramica tribologică, numită și ceramică rezistentă la uzură, materiale ceramice rezistente la frecare și uzură. Sunt angajați într-o varietate de aplicații industriale și interne, inclusiv prelucrarea mineralelor și metalurgie. Acest articol examinează principalele materiale ceramice tribologice și domeniile lor de aplicare.

Ceramica rezistentă la uzură

Proprietăți esențiale

Există două mecanisme de bază ale uzurii tribologice - uzura de impingere și uzura de frecare. În uzura de impingement, particulele impactează și erodează suprafața. Acesta este mecanismul major de uzură întâlnit în manipularea mineralelor, de exemplu. Pe de altă parte, uzura de frecare are loc atunci când două materiale aflate sub sarcină alunecă unul împotriva celuilalt. Această uzură are loc în dispozitive precum arbori rotanți, scaune de supapă și matrițe de extrudare și extragere a metalului. Ceramica este potrivită pentru a rezista acestor mecanisme, deoarece, datorită legăturilor chimice puternice care le țin împreună, acestea tind să fie extrem de dure și puternice. Aceste proprietăți sunt esențiale pentru aplicațiile tribologice, dar ceramica tribologică prezintă și alte proprietăți importante - în special, elasticitatea, duritatea, expansiunea termică și conductivitatea termică. Așa cum s-a descris mai jos, ceramică, cum ar fi zirconia întărită prin transformare, a fost dezvoltată cu microstructuri care asigură o relație între rezistență și rezistență. Aceste materiale, deși mai slabe decât omologii lor convenționali din ceramică, pot fi foarte rezistente la uzură, datorită rezistenței lor îmbunătățite. Generarea de căldură în timpul uzurii poate duce la probleme de șoc termic, cu excepția cazului în care ceramica utilizată are coeficienți de expansiune termică scăzute (pentru a reduce tensiunile termice) sau conductivități termice ridicate (pentru a îndepărta căldura).

materiale

Cea mai utilizată ceramică tribologică este alumina cu granulație grosieră (oxid de aluminiu, Al ₂ O ₃), care își datorează popularitatea costurilor sale scăzute de fabricație. Alumina este însă sensibilă la extragerea cerealelor; acest lucru duce la o suprafață slăbită, care poate eroda și mai rapid. Mai mult, boabele dezlănțuite, cu margini ascuțite, devin particule abrazive pentru uzura în alte părți. Suprafețele uzate ale aluminei tind, prin urmare, să aibă un aspect mat (înroșit).

Compozițiile cu matrice ceramică reprezintă o îmbunătățire față de alumină în granulele mari primare (de exemplu, carbură de siliciu [SiC]), care nu sunt ușor dezlănțuite, sunt combinate cu o matrice mai conformă (de exemplu, silice [Si], nitrură de siliciu [Si ₃ N ₄], sau sticlă), care rezistă la microcracking. Ceramica întărită cu bici, fibre sau faze de transformare reprezintă o îmbunătățire și mai mare. În zirconiul întărit cu transformare (TTZ), de exemplu, tensiunile de suprafață întâlnite în timpul uzurii determină transformarea particulelor dure, transformând suprafața în compresie. Această transformare nu numai că întărește suprafața, dar particulele care se extrag tind să se afle în domeniul submicrometrului. La dimensiuni atât de mici, lustruiesc mai degrabă decât să reducă suprafața. Suprafețele uzate TTZ, prin urmare, tind să fie lustruite, mai degrabă decât mate. Deși costurile de inginerie aceste microstructuri sunt mult mai mari decât pentru alumina convențională, avantajul competitiv al materialelor se realizează în viața lor de serviciu îmbunătățită.