Was sind die Einflussfaktoren auf die Verschleißfestigkeit von Keramik?
Verschleißfeste Keramikmaterialien werden häufig in den Bereichen Schleif- und Poliermaterialien, verschleißfeste Beschichtungen, Innenauskleidungen von Rohren oder Geräten sowie Strukturteilen usw. verwendet. Ihre verschleißfesten Eigenschaften bestimmen direkt die sichere Lebensdauer mechanischer Geräte und Teile. Zu den gängigen verschleißfesten Keramikmaterialien gehören Zirkonoxid, Aluminiumoxid, kubisches Bornitrid, Siliziumnitrid, Borkarbid, Siliziumkarbid usw.
Um verschleißfeste Keramikmaterialien mit besserer Verschleißfestigkeit zu erhalten, haben viele Wissenschaftler den Verschleißmechanismus von Keramikmaterialien und die Faktoren untersucht, die die Verschleißfestigkeit von Keramik beeinflussen. Im Allgemeinen wird die Verschleißfestigkeit von Keramik von zwei Faktoren beeinflusst: Zum einen von der Struktur des Materials selbst und zum anderen von externen Faktoren wie Belastung, Temperatur und Atmosphäre.
Auswirkungen mechanischer Eigenschaften auf die Verschleißfestigkeit von Keramik
In der frühen Forschung zur Verschleißfestigkeit von Keramikmaterialien wurde angenommen, dass die Härte von Keramikmaterialien eng mit der Verschleißeigenschaft zusammenhängt. Später stellte sich heraus, dass der Zusammenhang zwischen Härte und Verschleiß von Keramik nicht so offensichtlich war. Beispielsweise ist die Härte von Aluminiumoxidkeramik höher als die von TZP-Zirkonoxidkeramik, aber die Verschleißfestigkeit ist nicht unbedingt höher als die von TZP-Keramik.
Obwohl die Härte bis zu einem gewissen Grad die Bindungsstärke der Korngrenze widerspiegeln kann, entsteht letztendlich Verschleiß durch das Ablösen des Materials von der Verschleißoberfläche, sodass die Härte des Keramikmaterials nicht mehr als Vorhersageindex zur Messung des Verschleißes verwendet wird. Einige Studien zeigen, dass mit der Verbesserung der Bruchzähigkeit und Härte des Materials die Verschleißrate von Keramik allmählich abnimmt und die Verschleißfestigkeit besser wird.
Auswirkungen der Mikrostruktur auf die Verschleißfestigkeit von Keramik
Generell hat die Mikrostruktur von Materialien oft einen großen Einfluss auf die makroskopischen Eigenschaften von Materialien. Keramisches Material ist ein gesinterter Körper, der aus Körnern und Zwischenkristallen besteht und dessen Mikrostruktur häufig seine makroskopischen Eigenschaften bestimmt. Viele Studien haben gezeigt, dass die Verschleißfestigkeit keramischer Materialien stark von der Korngröße, der Zusammensetzung der Korngrenzenphase, der Spannungsverteilung an den Korngrenzen, Poren und anderen Mikrostrukturen abhängt.
Körnung
In der Industrie können metallische Werkstoffe ihre mechanischen Eigenschaften durch eine Verfeinerung der Körner verbessern, was als Feinkornverfestigung bezeichnet wird. Das Hauptprinzip besteht darin, dass je kleiner die Korngröße, desto größer die Fläche der Korngrenzen und desto zickzackförmiger die Korngrenzenverteilung, was den Risswachstumspfad effektiv erhöhen kann und die Spannungskonzentration im dispergierten Material begünstigt. Es zeigt sich, dass die Kornfeinung einen gewissen Einfluss auf die Verschleißfestigkeit keramischer Werkstoffe hat.
Porosität
Die Porosität hat einen sehr wichtigen Einfluss auf die Eigenschaften von Keramik. Die Pore ist gleichbedeutend mit dem Vorhandensein eines Defekts, der eine Spannungskonzentration verursacht, die Rissausdehnung beschleunigt und die Bindungsstärke zwischen den Körnern verringert, wodurch die mechanischen Eigenschaften von Keramik erheblich beeinträchtigt werden. Unter der Einwirkung von Reibung können sich die Poren miteinander verbinden und eine Rissquelle bilden, die den Materialverschleiß beschleunigt.
Korngrenzenphase und interkristalline Verunreinigung
Keramik besteht aus Körnern, Korngrenzenphasen und Poren. Während des Sinterns liegen einige der Keramik zugesetzte Zusatzstoffe und Verunreinigungen hauptsächlich an der Korngrenze in Form einer „zweiten Phase“ oder „Glasphase“ vor und ihre Existenz beeinflusst die Bindungsstärke zwischen den Körnern. Im Zuge der Keramikreibung und des Verschleißes kann es leicht zu Rissen an der Korngrenze kommen. Die geringe Bindungsstärke der Korngrenzen führt während des Verschleißprozesses zu Brüchen entlang des Korns, wodurch das gesamte Korn herausgezogen wird und es zu starkem Verschleiß kommt.
Der Zusatzstoff polykristalliner Keramik liegt üblicherweise an der Korngrenze in Form der Glasphase vor. Beim Reibungsprozess verringert sich durch die entstehende hohe Temperatur die Viskosität des Glases, was zu einer plastischen Verformung führt. Wenn die Spannung der angrenzenden Korngrenze nicht geeignet ist, kommt es zu Rissen an der Korngrenze und zu starkem Verschleiß.
Wenn eine entsprechende Menge an Additiven an der Korngrenze eine zweite Phase bilden kann, wirkt sich dies in der Regel positiv auf die Verschleißfestigkeit des Werkstoffs aus. Zum Beispiel durch die Zugabe von Zirkonoxid zu Aluminiumoxid, um mit Zirkoniumoxid gehärtete Aluminiumoxidkeramik, auch bekannt als ZTA-Keramik, herzustellen. Da die Erhöhung der durch T-ZrO2-Spannung induzierten kritischen Spannung zur Verbesserung der Bruchzähigkeit und Festigkeit von Keramikmaterialien beiträgt, können Zirkonoxid und Aluminiumoxid das Kornwachstum hemmen und den Effekt der Mikro--Kristallisation in Bezug auf die Mikrostruktur erzielen, um so die Verschleißfestigkeit weiter zu verbessern.
