Які фактори впливають на зносостійкість кераміки?
Зносостійкі-керамічні матеріали широко використовуються у сфері шліфувальних і полірувальних матеріалів, зносостійких-покриттів, внутрішніх обшивок труб або обладнання, а також деталей конструкції тощо, а їхні-стійкі властивості безпосередньо визначають безпечний термін служби механічного обладнання та деталей. Звичайні зносостійкі керамічні матеріали включають цирконій, оксид алюмінію, кубічний нітрид бору, нітрид кремнію, карбід бору, карбід кремнію тощо.
Щоб отримати зносостійкі керамічні матеріали з кращою зносостійкістю, багато вчених вивчали механізм зношування керамічних матеріалів і фактори, що впливають на зносостійкість кераміки. Взагалі кажучи, на зносостійкість кераміки впливають два фактори: один - структура самого матеріалу, а інший - зовнішні фактори, такі як навантаження, температура та атмосфера.
Вплив механічних властивостей на зносостійкість кераміки
У ранніх дослідженнях зносостійкості керамічних матеріалів вважалося, що твердість керамічних матеріалів тісно пов’язана зі зносостійкістю. Пізніше виявилося, що зв'язок між твердістю і зносом кераміки не такий очевидний. Наприклад, твердість глиноземної кераміки вища, ніж цирконієвої кераміки TZP, але зносостійкість не обов’язково вища, ніж у кераміки TZP.
Незважаючи на те, що твердість може певною мірою відображати міцність зчеплення між межами зерен, знос остаточно утворюється через відрив матеріалу від поверхні зносу, тому твердість керамічного матеріалу більше не використовується як прогнозний показник для вимірювання зносу. Деякі дослідження показують, що з підвищенням в’язкості руйнування та твердості матеріалу швидкість зношування кераміки поступово зменшується, а зносостійкість стає кращою.
Вплив мікроструктури на зносостійкість кераміки
Загалом, мікроструктура матеріалів часто має великий вплив на макроскопічні властивості матеріалів. Керамічний матеріал – це спечене тіло, що складається із зерен і між-кристалів, і його мікроструктура часто визначає його макроскопічні властивості. Багато досліджень показали, що зносостійкість керамічних матеріалів значною мірою залежить від розміру зерна, складу зернограничної фази, розподілу напруги на межі зерен, пор та інших мікроструктур.
Розмір зерна
У промисловості металеві матеріали можуть покращувати свої механічні властивості шляхом рафінування зерна, що називається дрібним зміцненням зерна. Основний принцип полягає в тому, що чим менший розмір зерна, тим більша площа межі зерен і більш зигзагоподібний розподіл меж зерен, що може ефективно збільшити шлях росту тріщин і сприяє концентрації напруги в дисперсному матеріалі. Встановлено, що подрібнення зерна має певний вплив на зносостійкість керамічних матеріалів.
пористість
Пористість має дуже важливий вплив на властивості кераміки. Пора еквівалентна наявності дефекту, який спричинить концентрацію напруги, прискорить розширення тріщини та зменшить міцність зв’язку між зернами, таким чином серйозно впливаючи на механічні властивості кераміки. Під дією тертя пори можуть з'єднуватися одна з одною з утворенням джерела тріщин, що прискорює знос матеріалу.
Зерногранична фаза та міжкристалічна домішка
Кераміка складається із зерен, зернограничних фаз і пор. У процесі спікання деякі добавки та домішки, додані до кераміки, в основному існують на межі зерен у формі «другої фази» або «фази скла», і їх існування впливатиме на міцність зв’язку між зернами. Під час тертя та зношування кераміки можуть легко виникати тріщини на межі зерен. Низька міцність зв’язку меж зерен призведе до руйнування вздовж зерна під час процесу зношування, що призведе до висмикування цілого зерна та спричинить серйозний знос.
Добавка полікристалічної кераміки зазвичай існує на межі зерен у вигляді склофази. Під час процесу тертя висока температура, що виникає, зменшує в’язкість скла, що призводить до пластичної деформації. Якщо напруга суміжної межі зерна є невідповідною, це спричинить тріщину на межі зерна та призведе до серйозного зносу.
Якщо відповідна кількість добавок може утворити другу фазу на межі зерен, це зазвичай сприятливо впливає на зносостійкість матеріалу. Наприклад, додавання діоксиду цирконію до оксиду алюмінію для виготовлення загартованої кераміки з оксиду цирконію, також відомої як кераміка ZTA. Оскільки підвищення критичної напруги, спричиненої напругою T-ZrO2, сприяє покращенню в’язкості до руйнування та міцності керамічних матеріалів, оксид цирконію та оксид алюмінію можуть пригнічувати ріст зерна та досягати ефекту мікро-кристалізації з точки зору мікроструктури, щоб ще більше покращити зносостійкість.
