Quali sono i fattori che influenzano la resistenza all’usura della ceramica?
I materiali ceramici resistenti all'usura-sono ampiamente utilizzati nei campi dei materiali di molatura e lucidatura, rivestimenti-resistenti all'usura, rivestimenti interni di tubi o apparecchiature e parti strutturali, ecc. e le loro proprietà-resistenti all'usura determinano direttamente la durata di servizio sicura delle apparecchiature e delle parti meccaniche. I comuni materiali ceramici resistenti all'usura- includono zirconia, allumina, nitruro di boro cubico, nitruro di silicio, carburo di boro, carburo di silicio, ecc.
Per ottenere materiali ceramici-resistenti all'usura con una migliore resistenza all'usura, molti studiosi hanno studiato il meccanismo di usura dei materiali ceramici e i fattori che influenzano la resistenza all'usura della ceramica. In generale, la resistenza all'usura della ceramica è influenzata da due fattori, uno è la struttura del materiale stesso e l'altro sono fattori esterni come carico, temperatura e atmosfera.
Effetti delle proprietà meccaniche sulla resistenza all'usura della ceramica
Nelle prime ricerche sulla proprietà di resistenza-all'usura dei materiali ceramici, si ritiene che la durezza dei materiali ceramici sia strettamente correlata alla proprietà di usura. Successivamente si scoprì che la relazione tra durezza e usura della ceramica non era così ovvia. Ad esempio, la durezza della ceramica di allumina è superiore a quella della ceramica di zirconio TZP, ma la resistenza all'usura non è necessariamente superiore a quella della ceramica TZP.
Sebbene la durezza possa riflettere in una certa misura la forza di adesione del bordo del grano, l'usura si forma infine a causa del distacco del materiale dalla superficie di usura, quindi la durezza del materiale ceramico non viene più utilizzata come indice predittivo per misurare l'usura. Alcuni studi dimostrano che con il miglioramento della resistenza alla frattura e della durezza del materiale, il tasso di usura della ceramica diminuisce gradualmente e la resistenza all'usura è migliore.
Effetti della microstruttura sulla resistenza all'usura dei materiali ceramici
In generale, la microstruttura dei materiali ha spesso un grande impatto sulle proprietà macroscopiche dei materiali. Il materiale ceramico è un corpo sinterizzato composto da grani e inter-cristallo e la sua microstruttura spesso ne determina le proprietà macroscopiche. Molti studi hanno dimostrato che la resistenza all’usura dei materiali ceramici è fortemente correlata alla dimensione del grano, alla composizione della fase del bordo del grano, alla distribuzione delle sollecitazioni sul bordo del grano, ai pori e ad altre microstrutture.
Dimensione del grano
Nell'industria, i materiali metallici possono migliorare le loro proprietà meccaniche raffinando i grani, operazione chiamata rafforzamento dei grani fini. Il principio principale è che minore è la dimensione del grano, maggiore è l'area del bordo del grano e più a zigzag la distribuzione del bordo del grano, il che può effettivamente aumentare il percorso di crescita della fessura e favorire la concentrazione dello stress nel materiale disperso. Si è riscontrato che l’affinamento del grano ha una certa influenza sulla resistenza all’usura dei materiali ceramici.
Porosità
La porosità ha un effetto molto importante sulle proprietà della ceramica. Il poro equivale all'esistenza di un difetto, che causerà una concentrazione di stress, accelererà l'espansione della fessura e ridurrà la forza di legame tra i grani, influenzando così seriamente le proprietà meccaniche della ceramica. Sotto l'azione dell'attrito, i pori possono connettersi tra loro per formare una fonte di crepe, che accelera l'usura del materiale.
Fase al bordo del grano e impurità intercristalline
La ceramica è composta da grani, fasi limite del grano e pori. Nel processo di sinterizzazione, alcuni additivi e impurità aggiunti alla ceramica esistono principalmente al confine del grano sotto forma di "seconda fase" o "fase vetrosa" e la loro esistenza influenzerà la forza di legame tra i grani. A causa dell'attrito e dell'usura della ceramica si possono facilmente verificare delle crepe sul bordo del grano. La bassa forza di legame dei bordi del grano causerà la frattura lungo il grano durante il processo di usura, che causerà l'estrazione del grano intero e causerà una grave usura.
L'additivo della ceramica policristallina si trova solitamente sul bordo del grano sotto forma di fase vetrosa. Durante il processo di attrito, l'elevata temperatura risultante riduce la viscosità del vetro, portando alla deformazione plastica. Se lo stress del bordo grano adiacente non è adeguato, causerà la rottura del bordo grano e causerà una grave usura.
Se una quantità adeguata di additivi può formare una seconda fase al bordo del grano, di solito ciò è vantaggioso per la resistenza all'usura del materiale. Ad esempio, aggiungendo zirconio all'allumina per produrre ceramiche di allumina rinforzata con zirconio, note anche come ceramiche ZTA. Poiché l'aumento dello stress critico indotto dallo stress T-ZrO2 favorisce il miglioramento della tenacità alla frattura e della resistenza dei materiali ceramici, la zirconia e l'allumina possono inibire la crescita dei grani e ottenere l'effetto della micro-cristallizzazione in termini di microstruttura, in modo da migliorare ulteriormente la resistenza all'usura.
