Ceramika tribologiczna, zwana także ceramiką odporną na zużycie, materiały ceramiczne odporne na tarcie i zużycie. Są one stosowane w różnych zastosowaniach przemysłowych i domowych, w tym w przetwarzaniu minerałów i metalurgii. W tym artykule omówiono główne tribologiczne materiały ceramiczne i ich obszary zastosowania.
Ceramika odporna na zużycie
Istotne właściwości
Istnieją dwa podstawowe mechanizmy zużycia tribologicznego - zużycie uderzeniowe i zużycie otarcia. Podczas uderzenia cząsteczki uderzają i erodują powierzchnię. Jest to na przykład główny mechanizm zużycia występujący podczas przeładunku minerałów. Z drugiej strony ścieranie występuje, gdy dwa obciążone materiały przesuwają się względem siebie. Zużycie to występuje w takich urządzeniach, jak obracające się wały, gniazda zaworów oraz metalowe wytłaczarki i tłoczniki. Ceramika dobrze nadaje się do przeciwstawiania się tym mechanizmom, ponieważ ze względu na silne wiązania chemiczne, które je łączą, są one zwykle bardzo twarde i silne. Te właściwości są niezbędne w zastosowaniach tribologicznych, ale ceramika tribologiczna wykazuje również inne ważne właściwości - w szczególności elastyczność, wytrzymałość, rozszerzalność cieplną i przewodność cieplną. Jak opisano poniżej, materiały ceramiczne, takie jak cyrkon wzmocniony transformacją, zostały opracowane z mikrostrukturami, które zapewniają kompromis między wytrzymałością a wytrzymałością. Takie materiały, choć słabsze niż ich konwencjonalne odpowiedniki ceramiczne, mogą być bardzo odporne na zużycie ze względu na ich lepszą wytrzymałość. Wytwarzanie ciepła podczas zużycia może prowadzić do problemów z szokiem termicznym, chyba że zastosowane materiały ceramiczne mają niskie współczynniki rozszerzalności cieplnej (w celu zmniejszenia naprężeń termicznych) lub wysokie przewodnictwo cieplne (w celu odprowadzenia ciepła).
Materiały
Najczęściej stosowaną ceramiką tribologiczną jest gruboziarnisty tlenek glinu (tlenek glinu, Al 2 O 3), który swoją popularność zawdzięcza niskim kosztom produkcji. Tlenek glinu jest jednak podatny na wyciąganie ziarna; prowadzi to do osłabienia powierzchni, która może erodować jeszcze szybciej. Ponadto poluzowane ziarna, mające ostre krawędzie, stają się cząstkami ściernymi, które uderzają w inne miejsca. Zużyte powierzchnie tlenku glinu mają zatem matowy (chropowaty) wygląd.
Kompozyty z matrycą ceramiczną stanowią ulepszenie w stosunku do tlenku glinu, ponieważ duże ziarna pierwotne (np. Węglik krzemu [SiC]), które nie są łatwo rozluźnione, są łączone z bardziej podatną matrycą (np. Krzemionka [Si], azotek krzemu [Si 3 N 4] lub szkło), który jest odporny na mikropęknięcia. Ceramika hartowana za pomocą wąsów, włókien lub faz transformujących stanowi jeszcze większą poprawę. Na przykład w tlenku cyrkonu hartowanym transformacyjnie (TTZ) naprężenia powierzchniowe napotykane podczas zużycia wywołują transformację cząstek hartujących, powodując ściskanie powierzchni. Ta transformacja nie tylko wzmacnia powierzchnię, ale cząstki, które się wyciągają, zwykle znajdują się w zakresie submikrometrowym. Przy tak bardzo małych rozmiarach polerują, a nie ścierają powierzchnię. Zużyte powierzchnie TTZ są więc raczej polerowane niż matowane. Chociaż koszty inżynierii tych mikrostruktur są znacznie wyższe niż w przypadku konwencjonalnego tlenku glinu, przewagę konkurencyjną materiałów uzyskuje się dzięki ich znacznie wydłużonemu okresowi użytkowania.
