Millised on keraamika kulumiskindlust mõjutavad tegurid?
Kulumiskindlaid-keraamilisi materjale kasutatakse laialdaselt lihvimis- ja poleerimismaterjalide, kulumiskindlate kattekihtide, torude või seadmete sisevooderdiste ja konstruktsiooniosade jms valdkonnas ning nende kulumiskindlad omadused määravad otseselt mehaaniliste seadmete ja osade ohutu kasutusea. Levinud kulumiskindlate -keraamiliste materjalide hulka kuuluvad tsirkooniumoksiid, alumiiniumoksiid, kuupboornitriid, räninitriid, boorkarbiid, ränikarbiid jne.
Parema kulumiskindlusega-kulumiskindlate keraamiliste materjalide saamiseks on paljud teadlased uurinud keraamiliste materjalide kulumismehhanismi ja keraamika kulumiskindlust mõjutavaid tegureid. Üldiselt mõjutavad keraamika kulumiskindlust kaks tegurit, millest üks on materjali enda struktuur ja teine välistegurid nagu koormus, temperatuur ja atmosfäär.
Mehaaniliste omaduste mõju keraamika kulumiskindlusele
Keraamiliste materjalide{0}}kulumiskindluse varajases uurimistöös arvati, et keraamiliste materjalide kõvadus on tihedalt seotud kulumisomadusega. Hiljem selgus, et seos keraamika kõvaduse ja kulumise vahel ei olnud nii ilmne. Näiteks alumiiniumoksiidi keraamika kõvadus on kõrgem kui TZP tsirkooniumoksiidi keraamika oma, kuid kulumiskindlus ei pruugi olla kõrgem kui TZP keraamika.
Kuigi kõvadus võib teatud määral kajastada tera piiri nakketugevust, tekib lõpuks kulumine materjali kulumispinnast lahtimurdmise tõttu, mistõttu keraamilise materjali kõvadust ei kasutata enam kulumise mõõtmiseks ennustava indeksina. Mõned uuringud näitavad, et materjali purunemiskindluse ja kõvaduse paranemisega väheneb järk-järgult keraamika kulumismäär ja kulumiskindlus on parem.
Mikrostruktuuri mõju keraamika kulumiskindlusele
Üldiselt on materjalide mikrostruktuuril sageli suur mõju materjalide makroskoopilistele omadustele. Keraamiline materjal on paagutatud keha, mis koosneb teradest ja inter{1}}kristallidest ning selle mikrostruktuur määrab sageli selle makroskoopilised omadused. Paljud uuringud on näidanud, et keraamiliste materjalide kulumiskindlus on suurel määral seotud tera suuruse, tera piirifaasi koostisega, pingejaotusega terade piiril, pooridega ja muude mikrostruktuuridega.
Tera suurus
Tööstuses saavad metallmaterjalid parandada oma mehaanilisi omadusi terade rafineerimise teel, mida nimetatakse peenteraliseks tugevdamiseks. Peamine põhimõte on, et mida väiksem on tera suurus, seda suurem on tera piiri pindala ja seda siksakilisem on tera piiride jaotus, mis võib tõhusalt suurendada pragude kasvuteed ja soodustab pingekontsentratsiooni hajutatud materjalis. On leitud, et tera rafineerimisel on teatav mõju keraamiliste materjalide kulumiskindlusele.
Poorsus
Poorsusel on väga oluline mõju keraamika omadustele. Poor on samaväärne defekti olemasoluga, mis põhjustab pinge kontsentratsiooni, kiirendab pragude laienemist ja vähendab terade vahelist sidumistugevust, mõjutades seega tõsiselt keraamika mehaanilisi omadusi. Hõõrdumise mõjul võivad poorid üksteisega ühineda, moodustades pragude allika, mis kiirendab materjali kulumist.
Terade piirfaas ja kristallidevaheline lisand
Keraamika koosneb teradest, tera piirifaasidest ja pooridest. Paagutamise käigus esinevad mõned keraamikale lisatud lisandid ja lisandid peamiselt terade piiril "teise faasi" või "klaasifaasi" kujul ning nende olemasolu mõjutab terade vahelist sidumistugevust. Keraamilise hõõrdumise ja kulumise käigus võivad terade piiril kergesti tekkida praod. Terapiiride madal nakketugevus põhjustab kulumisprotsessi käigus piki tera murdumist, mis põhjustab täistera väljatõmbumist ja tõsist kulumist.
Polükristallilise keraamika lisand esineb tavaliselt tera piiril klaasfaasi kujul. Hõõrdeprotsessi ajal vähendab tekkiv kõrge temperatuur klaasi viskoossust, mis viib plastilise deformatsioonini. Kui külgneva viljapiiri pinge ei sobi, põhjustab see tera piiril pragu ja põhjustab tõsist kulumist.
Kui sobiv kogus lisaaineid võib tera piiril moodustada teise faasi, on see tavaliselt kasulik materjali kulumiskindlusele. Näiteks tsirkooniumoksiidi lisamine alumiiniumoksiidile, et valmistada tsirkooniumoksiidiga karastatud alumiiniumoksiidi keraamikat, tuntud ka kui ZTA keraamika. Kuna T-ZrO2 pingest tingitud kriitilise pinge suurenemine soodustab keraamiliste materjalide purunemiskindluse ja tugevuse paranemist, võivad tsirkooniumoksiid ja alumiiniumoksiid pärssida terade kasvu ja saavutada mikro-kristalliseerumise mõju mikrostruktuuri osas, et veelgi parandada kulumiskindlust.
