Mitkä ovat keramiikan kulutuskestävyyteen vaikuttavat tekijät?
Kulutusta-kestäviä keraamisia materiaaleja käytetään laajalti hionta- ja kiillotusmateriaalien, kulutusta-kestävien pinnoitteiden, putkien tai laitteiden sisävuorauksissa ja rakenneosissa jne., ja niiden kulutusta kestävät ominaisuudet määräävät suoraan mekaanisten laitteiden ja osien turvallisen käyttöiän. Yleisiä kulumista{5}}kestäviä keraamisia materiaaleja ovat zirkoniumoksidi, alumiinioksidi, kuutioinen boorinitridi, piinitridi, boorikarbidi, piikarbidi jne.
Monet tutkijat ovat tutkineet keraamisten materiaalien kulumismekanismia ja keramiikan kulutuskestävyyteen vaikuttavia tekijöitä saadakseen kulutusta-kestäviä keraamisia materiaaleja, joilla on parempi kulutuskestävyys. Yleisesti ottaen keramiikan kulutuskestävyyteen vaikuttaa kaksi tekijää, joista toinen on itse materiaalin rakenne ja toinen ulkoiset tekijät, kuten kuormitus, lämpötila ja ilmakehä.
Mekaanisten ominaisuuksien vaikutukset keramiikan kulutuskestävyyteen
Varhaisessa keraamisten materiaalien{0}}kulumiskestävyyden tutkimuksessa uskottiin, että keraamisten materiaalien kovuus liittyy läheisesti kulumisominaisuuksiin. Myöhemmin havaittiin, että keramiikan kovuuden ja kulumisen välinen suhde ei ollut niin ilmeinen. Esimerkiksi alumiinioksidikeramiikan kovuus on korkeampi kuin TZP-zirkoniumoksidikeramiikan, mutta kulutuskestävyys ei välttämättä ole korkeampi kuin TZP-keramiikan.
Vaikka kovuus voi jossain määrin heijastaa raeraajan sidoslujuutta, kulumista muodostuu lopulta materiaalin irtautuessa kulutuspinnasta, joten keraamisen materiaalin kovuutta ei enää käytetä ennakoivana indeksinä kulumisen mittaamiseen. Jotkut tutkimukset osoittavat, että materiaalin murtolujuuden ja kovuuden parantuessa keramiikan kulumisnopeus laskee vähitellen ja kulutuskestävyys paranee.
Mikrorakenteen vaikutukset keramiikan kulutuskestävyyteen
Yleensä materiaalien mikrorakenteella on usein suuri vaikutus materiaalien makroskooppisiin ominaisuuksiin. Keraaminen materiaali on sintrattua kappaletta, joka koostuu rakeista ja kiteistä, ja sen mikrorakenne määrää usein sen makroskooppiset ominaisuudet. Monet tutkimukset ovat osoittaneet, että keraamisten materiaalien kulutuskestävyys on suurelta osin yhteydessä rakeen kokoon, raerajafaasin koostumukseen, raerajalle kohdistuvaan jännitysjakaumaan, huokosiin ja muihin mikrorakenteisiin.
Raekoko
Teollisuudessa metallimateriaalit voivat parantaa mekaanisia ominaisuuksiaan jalostamalla rakeita, jota kutsutaan hienoraevahvistukseksi. Pääperiaate on, että mitä pienempi raekoko on, sitä suurempi on raeraja-ala ja sitä siksak-muotoisempi raerajajakauma, mikä voi tehokkaasti lisätä halkeaman kasvupolkua ja edistää jännityspitoisuutta hajaantuneessa materiaalissa. On havaittu, että rakeiden hienostuneella on tietty vaikutus keraamisten materiaalien kulutuskestävyyteen.
Huokoisuus
Huokoisuudella on erittäin tärkeä vaikutus keramiikan ominaisuuksiin. Huokos vastaa vian olemassaoloa, mikä aiheuttaa jännityksen keskittymistä, nopeuttaa halkeaman laajenemista ja vähentää rakeiden välistä sidoslujuutta, mikä vaikuttaa vakavasti keramiikan mekaanisiin ominaisuuksiin. Kitkan vaikutuksesta huokoset voivat liittyä toisiinsa muodostaen halkeaman lähteen, mikä nopeuttaa materiaalin kulumista.
Raerajafaasi ja kiteiden välinen epäpuhtaus
Keramiikka koostuu rakeista, raerajafaaseista ja huokosista. Sintrausprosessissa joitain keramiikkaan lisättyjä lisäaineita ja epäpuhtauksia esiintyy pääasiassa raerajalla "toisen faasin" tai "lasifaasin" muodossa, ja niiden olemassaolo vaikuttaa rakeiden väliseen sidoslujuuteen. Keraamisen kitkan ja kulumisen aikana raerajalle voi helposti muodostua halkeamia. Raerajojen alhainen tarttumislujuus aiheuttaa kulumisprosessin aikana jyvää pitkin tapahtuvan murtuman, mikä aiheuttaa kokojyvän irtoamista ja vakavaa kulumista.
Monikiteisen keramiikan lisäaine esiintyy yleensä raerajalla lasifaasin muodossa. Kitkaprosessin aikana tuloksena oleva korkea lämpötila alentaa lasin viskositeettia, mikä johtaa plastiseen muodonmuutokseen. Jos viereisen raeraajan jännitys ei ole sopiva, aiheuttaa se raerajassa halkeaman ja vakavan kulumisen.
Jos sopiva määrä lisäaineita voi muodostaa toisen faasin raerajalle, se on yleensä hyödyllistä materiaalin kulutuskestävyydelle. Esimerkiksi zirkoniumoksidin lisääminen alumiinioksidiin zirkoniumoksidilla karkaistua alumiinioksidikeramiikkaa, joka tunnetaan myös nimellä ZTA-keramiikka. Koska T-ZrO2-jännityksen aiheuttaman kriittisen jännityksen lisääntyminen edistää keraamisten materiaalien murtolujuuden ja lujuuden paranemista, zirkoniumoksidi ja alumiinioksidi voivat estää rakeiden kasvua ja saavuttaa mikro-kiteytysvaikutuksen mikrorakenteen suhteen, mikä parantaa kulumiskestävyyttä entisestään.
