Какви са факторите, влияещи върху износоустойчивостта на керамиката?
Устойчивите на износване керамични материали се използват широко в областта на шлифовъчните и полиращите материали, устойчивите на износване покрития, вътрешните облицовки на тръбите или оборудването и частите на конструкцията и т.н., а техните свойства на устойчивост на износване директно определят безопасния експлоатационен живот на механичното оборудване и части. Обичайните устойчиви на износване керамични материали включват цирконий, алуминиев оксид, кубичен борен нитрид, силициев нитрид, борен карбид, силициев карбид и др.
За да се получат устойчиви на износване-керамични материали с по-добра устойчивост на износване, много учени са изследвали механизма на износване на керамичните материали и факторите, влияещи върху устойчивостта на износване на керамиката. Най-общо казано, устойчивостта на износване на керамиката се влияе от два фактора, единият е структурата на самия материал, а другият са външни фактори като натоварване, температура и атмосфера.
Ефекти на механичните свойства върху износоустойчивостта на керамиката
В ранните изследвания на износоустойчивостта на керамичните материали се смята, че твърдостта на керамичните материали е тясно свързана със свойството на износване. По-късно се установи, че връзката между твърдостта и износването на керамиката не е толкова очевидна. Например, твърдостта на алуминиевата керамика е по-висока от TZP циркониевата керамика, но устойчивостта на износване не е непременно по-висока от TZP керамиката.
Въпреки че твърдостта може да отразява силата на свързване на границата на зърното до известна степен, износването накрая се образува поради откъсване на материала от повърхността на износване, така че твърдостта на керамичния материал вече не се използва като прогнозен индекс за измерване на износването. Някои проучвания показват, че с подобряването на якостта на счупване и твърдостта на материала степента на износване на керамиката постепенно намалява и устойчивостта на износване е по-добра.
Ефекти на микроструктурата върху износоустойчивостта на керамиката
Като цяло, микроструктурата на материалите често оказва голямо влияние върху макроскопичните свойства на материалите. Керамичният материал е синтеровано тяло, съставено от зърно и интер-кристал, и неговата микроструктура често определя неговите макроскопични свойства. Много изследвания показват, че устойчивостта на износване на керамичните материали е силно свързана с размера на зърното, състава на фазата на границата на зърното, разпределението на напрежението върху границата на зърното, порите и други микроструктури.
Размер на зърното
В промишлеността металните материали могат да подобрят своите механични свойства чрез рафиниране на зърната, което се нарича фино укрепване на зърната. Основният принцип е, че колкото по-малък е размерът на зърното, толкова по-голяма е площта на границата на зърното и толкова по-зигзагообразно е разпределението на границите на зърното, което може ефективно да увеличи пътя на растеж на пукнатината и е благоприятно за концентрацията на напрежението в диспергирания материал. Установено е, че усъвършенстването на зърното има известно влияние върху устойчивостта на износване на керамичните материали.
Порьозност
Порьозността има много важен ефект върху свойствата на керамиката. Пората е еквивалентна на наличието на дефект, който ще причини концентрация на напрежение, ще ускори разширяването на пукнатината и ще намали силата на свързване между зърната, като по този начин ще повлияе сериозно на механичните свойства на керамиката. Под действието на триенето порите могат да се свържат една с друга, за да образуват източник на пукнатини, което ускорява износването на материала.
Зърногранична фаза и междукристален примес
Керамиката се състои от зърна, зърногранични фази и пори. В процеса на синтероване някои добавки и примеси, добавени към керамиката, съществуват главно на границата на зърната под формата на „втора фаза“ или „стъклена фаза“ и тяхното съществуване ще повлияе на силата на свързване между зърната. В хода на керамичното триене и износване лесно могат да се появят пукнатини на границата на зърната. Ниската якост на свързване на границите на зърното ще причини счупване по протежение на зърното по време на процеса на износване, което ще доведе до издърпване на цялото зърно и ще причини сериозно износване.
Добавката от поликристална керамика обикновено съществува на границата на зърното под формата на стъклена фаза. По време на процеса на триене, получената висока температура намалява вискозитета на стъклото, което води до пластична деформация. Ако напрежението на съседната граница на зърното не е подходящо, това ще причини пукнатината на границата на зърното и ще причини сериозно износване.
Ако подходящо количество добавки може да образува втора фаза на границата на зърната, това обикновено е от полза за устойчивостта на износване на материала. Например добавяне на цирконий към алуминиев оксид, за да се направи закалена алуминиева керамика с цирконий, известна също като ZTA керамика. Тъй като увеличаването на T-ZrO2 индуцираното критично напрежение води до подобряване на якостта на счупване и здравината на керамичните материали, циркониевият оксид и алуминиевият оксид могат да инхибират растежа на зърната и да постигнат ефекта на микро-кристализацията по отношение на микроструктурата, така че допълнително да подобрят устойчивостта на износване.
