Каковы факторы, влияющие на износостойкость керамики?

Износостойкие керамические материалы широко используются в области шлифовальных и полировальных материалов, износостойких покрытий, внутренней футеровки труб или оборудования, деталей конструкций и т.д., а их износостойкие свойства напрямую определяют срок безопасной службы механического оборудования и деталей. К распространенным износостойким керамическим материалам относятся диоксид циркония, глинозем, кубический нитрид бора, нитрид кремния, карбид бора, карбид кремния и др.

Для того чтобы получить износостойкие керамические материалы с лучшей износостойкостью, многие ученые изучали механизм износа керамических материалов и факторы, влияющие на износостойкость керамики. В целом, на износостойкость керамики влияют два фактора, один из которых - структура самого материала, а другой - внешние факторы, такие как нагрузка, температура и атмосфера.

Влияние механических свойств на износостойкость керамики

В ранних исследованиях износостойкости керамических материалов считалось, что твердость керамических материалов тесно связана с износостойкостью. Позже выяснилось, что связь между твердостью и износом керамики не столь очевидна. Например, твердость алюмооксидной керамики выше, чем у циркониевой керамики TZP, но износостойкость не обязательно выше, чем у керамики TZP.

Хотя твердость может отражать прочность сцепления границ зерен в определенной степени, износ в конечном итоге образуется из-за отрыва материала от поверхности износа, поэтому твердость керамического материала больше не используется в качестве прогностического показателя для измерения износа. Некоторые исследования показывают, что с улучшением вязкости разрушения и твердости материала, скорость износа керамики постепенно снижается, а износостойкость становится лучше.

Влияние микроструктуры на износостойкость керамики

В целом, микроструктура материалов часто оказывает большое влияние на макроскопические свойства материалов. Керамический материал представляет собой спеченное тело, состоящее из зерен и межкристаллического слоя, и его микроструктура часто определяет его макроскопические свойства. Многие исследования показали, что износостойкость керамических материалов в значительной степени связана с размером зерна, составом зернограничной фазы, распределением напряжений на границе зерна, порами и другими микроструктурами.

Размер зерна

В промышленности металлические материалы могут улучшить свои механические свойства за счет измельчения зерен, которое называется мелкозернистым упрочнением. Основной принцип заключается в том, что чем меньше размер зерна, тем больше площадь границы зерна и тем более зигзагообразное распределение границы зерна, что может эффективно увеличить путь роста трещины и способствует концентрации напряжения в дисперсном материале. Установлено, что измельчение зерен оказывает определенное влияние на износостойкость керамических материалов.

Пористость

Пористость оказывает очень важное влияние на свойства керамики. Поры эквивалентны наличию дефектов, которые вызывают концентрацию напряжений, ускоряют расширение трещин и снижают прочность связи между зернами, тем самым серьезно влияя на механические свойства керамики. Под действием трения поры могут соединяться друг с другом, образуя источник трещин, что ускоряет износ материала.

Зернограничная фаза и межкристаллическая примесь

Керамика состоит из зерен, зернограничных фаз и пор. В процессе спекания некоторые добавки и примеси, добавляемые в керамику, в основном существуют на границе зерен в виде "второй фазы" или "стеклофазы", и их существование влияет на прочность связи между зернами. В процессе трения и износа керамики на границе зерен могут легко возникать трещины. Низкая прочность связи между границами зерен приведет к разрушению вдоль зерна в процессе износа, что приведет к вырыванию целого зерна и серьезному износу.

Присадка в поликристаллической керамике обычно находится на границе зерен в виде стеклянной фазы. В процессе трения высокая температура снижает вязкость стекла, что приводит к пластической деформации. Если напряжение на прилегающей границе зерен не соответствует требованиям, это приведет к образованию трещины на границе зерен и серьезному износу.

Если соответствующее количество добавок может образовать вторую фазу на границе зерен, это обычно благоприятно сказывается на износостойкости материала. Например, добавление диоксида циркония к глинозему позволяет получить циркониевую упрочненную глиноземную керамику, также известную как керамика ZTA. Поскольку увеличение критического напряжения, вызванного T-ZrO2, способствует повышению вязкости разрушения и прочности керамических материалов, цирконий и глинозем могут подавлять рост зерна и достигать эффекта микрокристаллизации с точки зрения микроструктуры, чтобы еще больше повысить износостойкость.