Triboloogiline keraamika

Triboloogiline keraamika, mida nimetatakse ka kulumiskindlaks keraamikaks, hõõrdumise ja kulumise suhtes vastupidavad keraamilised materjalid. Neid kasutatakse erinevates tööstuslikes ja kodumaistes rakendustes, sealhulgas mineraalide töötlemisel ja metallurgias. Selles artiklis vaadeldakse peamisi triboloogilisi keraamilisi materjale ja nende kasutusalasid.

Kulumiskindel keraamika

Olulised omadused

Triboloogilisel kulumisel on kaks peamist mehhanismi - kulumine kulumisele ja hõõrumine. Kulumise korral löövad osakesed pinnale ja kahjustavad seda. See on peamine kulumismehhanism, näiteks mineraalide käitlemisel. Seevastu hõõrumine toimub siis, kui kaks koormatud materjali libisevad üksteise vastu. See kulumine ilmneb sellistes seadmetes nagu pöörlevad võllid, klapipesad ning metalli väljapressimise ja tõmbamise stantsid. Keraamika sobib hästi nendele mehhanismidele vastupidavaks, kuna neid tugevate keemiliste sidemete tõttu, mis neid koos hoiavad, kipuvad nad olema eriti kõvad ja tugevad. Need omadused on olulised triboloogiliste rakenduste jaoks, kuid triboloogilisel keraamikal on ka muid olulisi omadusi - eriti elastsus, vastupidavus, soojuspaisumine ja soojusjuhtivus. Nagu allpool kirjeldatud, on keraamika, näiteks transformatsiooniga karastatud tsirkooniumoksiid, välja töötatud mikrostruktuuridega, mis pakuvad kompromissi tugevuse ja tugevuse vahel. Sellised materjalid on küll tavapärastest keraamilistest materjalidest nõrgemad, kuid nende vastupidavuse tõttu võivad need olla väga vastupidavad kulumisele. Soojuse teke kulumise ajal võib põhjustada termilise šoki probleeme, välja arvatud juhul, kui kasutataval keraamikal on madalad soojuspaisumistegurid (soojuspingete vähendamiseks) või kõrge soojusjuhtivus (soojuse eemaldamiseks).

Materjalid

Kõige laialdasemalt kasutatav triboloogiline keraamika on jämedateraline alumiiniumoksiid (alumiiniumoksiid, Al ₂ O ₃), mille populaarsuse põhjuseks on madalad tootmiskulud. Alumiiniumoksiid on vastuvõtlik teravilja väljatõmbamisele; see viib pinna nõrgenemiseni, mis võib veelgi kiiremini laguneda. Lisaks muutuvad teravate servadega lahtised terad abrasiivseteks osakesteks mujal kandmiseks. Seetõttu on alumiiniumoksiidi kulunud pindadel matt (karestatud) välimus.

Keraamilised maatrikskomposiidid tähistavad alumiiniumoksiidi sisalduse paranemist, kuna suured primaarsed terad (nt ränikarbiid [SiC]), mida ei ole kerge lahti saada, ühendatakse nõuetele vastavama maatriksiga (nt ränidioksiid [Si], räninitriid [Si ₃₎ N ₄] või klaas), mis on vastu mikrokrakkimisele. Vurrude, kiududega või muundumisfaasidega karastatud keraamika on veelgi suurem täiustus. Näiteks muundamisega karastatud tsirkooniumoksiidi (TTZ) korral põhjustavad kulumise ajal tekkinud pinged karastuvate osakeste muutumist, pannes pinna kokkusurumiseks. See muundumine mitte ainult ei tugevda pinda, vaid väljatõmbuvad osakesed jäävad tavaliselt submikromeetri vahemikku. Selliste eriti väikeste mõõtmete korral poleerivad nad pinna, mitte ei hõõru neid. Seetõttu kipuvad kulunud TTZ pinnad pigem poleerima kui mattima. Ehkki nende mikrostruktuuride projekteerimise kulud on palju suuremad kui tavalise alumiiniumoksiidi puhul, realiseeruvad materjalide konkurentsieelis nende oluliselt pikendatud kasutusiga.