Quali sono i fattori che influenzano la resistenza all'usura della ceramica?

I materiali ceramici resistenti all'usura sono ampiamente utilizzati nei settori dei materiali per la rettifica e la lucidatura, dei rivestimenti resistenti all'usura, dei rivestimenti interni di tubi o apparecchiature e delle parti della struttura, ecc. e le loro proprietà di resistenza all'usura determinano direttamente la durata 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.

Al fine di ottenere materiali ceramici 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 dei materiali ceramici è influenzata da due fattori, uno è la struttura del materiale stesso e l'altro sono i fattori esterni come il carico, la temperatura e l'atmosfera.

Effetti delle proprietà meccaniche sulla resistenza all'usura della ceramica

Nelle prime ricerche sulle proprietà antiusura dei materiali ceramici, si riteneva che la durezza dei materiali ceramici fosse strettamente correlata alle proprietà antiusura. In seguito si è scoperto che la relazione tra durezza e usura dei materiali ceramici non è 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 legame dei confini dei grani, l'usura si forma alla fine 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 tenacità 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 della ceramica

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 intercristalli e la sua microstruttura spesso determina le sue proprietà macroscopiche. Molti studi hanno dimostrato che la resistenza all'usura dei materiali ceramici è fortemente correlata alla dimensione dei grani, alla composizione della fase di confine dei grani, alla distribuzione delle sollecitazioni sul confine dei grani, ai pori e ad altre microstrutture.

Dimensione dei grani

Nell'industria, i materiali metallici possono migliorare le loro proprietà meccaniche raffinando i grani, il cosiddetto rafforzamento a grana fine. Il principio principale è che quanto più piccola è la dimensione dei grani, tanto più grande è l'area dei confini dei grani e tanto più zigzagante è la distribuzione dei confini dei grani, il che può effettivamente aumentare il percorso di crescita delle cricche e favorire la concentrazione delle sollecitazioni nel materiale disperso. È emerso che la raffinatezza dei grani 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 provoca la concentrazione di tensioni, accelera l'espansione della cricca e riduce la forza di legame tra i grani, compromettendo seriamente le proprietà meccaniche della ceramica. Sotto l'azione dell'attrito, i pori possono connettersi l'uno con l'altro per formare una fonte di cricche, accelerando l'usura del materiale.

Fase di confine tra i grani e impurità intercristalline

La ceramica è composta da grani, fasi limite dei grani e pori. Nel processo di sinterizzazione, alcuni additivi e impurità aggiunti alla ceramica si trovano principalmente al confine dei grani sotto forma di "seconda fase" o "fase vetrosa" e la loro presenza influisce sulla forza di legame tra i grani. Nel corso dell'attrito e dell'usura della ceramica, è facile che si verifichino cricche in corrispondenza dei bordi dei grani. La bassa forza di legame dei confini dei grani causerà la frattura lungo il grano durante il processo di usura, con conseguente distacco dell'intero grano e grave usura.

L'additivo della ceramica policristallina è solitamente presente sul bordo del grano sotto forma di fase vetrosa. Durante il processo di attrito, la temperatura elevata che ne deriva riduce la viscosità del vetro, provocando una deformazione plastica. Se la sollecitazione del confine di grano adiacente non è adeguata, si verifica una cricca in corrispondenza del confine di grano e si verifica una grave usura.

Se una quantità adeguata di additivi è in grado di formare una seconda fase al confine dei grani, di solito la resistenza all'usura del materiale ne trae beneficio. Ad esempio, l'aggiunta di zirconia all'allumina permette di ottenere ceramiche di allumina temprate con zirconia, note anche come ceramiche ZTA. Poiché l'aumento dello stress critico indotto da 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 microcristallizzazione in termini di microstruttura, in modo da migliorare ulteriormente la resistenza all'usura.