عوامل موثر بر مقاومت در برابر سایش سرامیک ها چیست؟

عوامل موثر بر مقاومت در برابر سایش سرامیک ها چیست؟

مواد سرامیکی مقاوم در برابر سایش به طور گسترده در زمینه‌های سنگ‌زنی و پرداخت، پوشش‌های مقاوم به سایش، پوشش‌های داخلی لوله‌ها یا تجهیزات، و قطعات ساختاری و غیره استفاده می‌شوند و ویژگی‌های مقاوم به سایش آنها مستقیماً عمر مفید تجهیزات و قطعات مکانیکی را تعیین می‌کند. مواد سرامیکی مقاوم در برابر سایش رایج عبارتند از زیرکونیا، آلومینا، نیترید بور مکعبی، نیترید سیلیکون، کاربید بور، کاربید سیلیکون و غیره.

برای به دست آوردن مواد سرامیکی مقاوم در برابر سایش با مقاومت در برابر سایش بهتر، بسیاری از محققان مکانیسم سایش مواد سرامیکی و عوامل مؤثر بر مقاومت در برابر سایش سرامیک ها را مطالعه کرده اند. به طور کلی مقاومت سایشی سرامیک ها تحت تاثیر دو عامل است، یکی ساختار خود ماده و دیگری عوامل خارجی مانند بار، دما و جو.

اثرات خواص مکانیکی بر مقاومت به سایش سرامیک ها

در تحقیقات اولیه در مورد ویژگی مقاوم در برابر سایش مواد سرامیکی، اعتقاد بر این است که سختی مواد سرامیکی ارتباط نزدیکی با خاصیت سایش دارد. بعدها مشخص شد که رابطه بین سختی و سایش سرامیک چندان آشکار نیست. به عنوان مثال، سختی سرامیک های آلومینا از سرامیک های زیرکونیایی TZP بیشتر است، اما مقاومت در برابر سایش لزوما از سرامیک های TZP بیشتر نیست.

اگرچه سختی می تواند تا حدی منعکس کننده استحکام پیوند مرز دانه باشد، اما در نهایت به دلیل جدا شدن مواد از سطح سایش، سایش ایجاد می شود، بنابراین سختی مواد سرامیکی دیگر به عنوان یک شاخص پیش بینی برای اندازه گیری سایش استفاده نمی شود. برخی از مطالعات نشان می دهد که با بهبود چقرمگی شکست و سختی مواد، میزان سایش سرامیک ها به تدریج کاهش می یابد و مقاومت به سایش بهتر می شود.

اثرات ریزساختار بر مقاومت به سایش سرامیک ها

به طور کلی، ریزساختار مواد اغلب تأثیر زیادی بر خواص ماکروسکوپی مواد دارد. ماده سرامیکی یک جسم متخلخل است که از دانه و کریستال بین- تشکیل شده است و ریزساختار آن اغلب خواص ماکروسکوپی آن را تعیین می کند. بسیاری از مطالعات نشان داده اند که مقاومت به سایش مواد سرامیکی تا حد زیادی با اندازه دانه، ترکیب فاز مرزی دانه، توزیع تنش بر روی مرز دانه، منافذ و سایر ریزساختارها مرتبط است.

اندازه دانه

در صنعت، مواد فلزی می توانند خواص مکانیکی خود را با پالایش دانه ها بهبود بخشند که به آن تقویت دانه ریز می گویند. اصل اصلی این است که هرچه اندازه دانه کوچکتر باشد، مساحت مرز دانه بزرگتر و توزیع مرز دانه زیگزاگ تر است، که می تواند به طور موثر مسیر رشد ترک را افزایش دهد و منجر به تمرکز تنش در ماده پراکنده شود. مشخص شده است که پالایش دانه تأثیر خاصی بر مقاومت به سایش مواد سرامیکی دارد.

تخلخل

تخلخل تاثیر بسیار مهمی بر خواص سرامیک دارد. منافذ معادل وجود یک عیب است که باعث تمرکز تنش، تسریع در گسترش ترک و کاهش استحکام پیوند بین دانه‌ها می‌شود و در نتیجه خواص مکانیکی سرامیک‌ها را به‌طور جدی تحت تأثیر قرار می‌دهد. در اثر اصطکاک، منافذ ممکن است به یکدیگر متصل شوند و منبع ترک را تشکیل دهند که سایش مواد را تسریع می کند.

فاز مرزی دانه و ناخالصی بین کریستالی

سرامیک ها از دانه ها، فازهای مرزی دانه و منافذ تشکیل شده اند. در فرآیند پخت، برخی از مواد افزودنی و ناخالصی های اضافه شده به سرامیک ها عمدتاً در مرز دانه ها به صورت «فاز دوم» یا «فاز شیشه ای» وجود دارد که وجود آن ها بر استحکام پیوند بین دانه ها تأثیر می گذارد. در جریان اصطکاک و سایش سرامیک، ترک به راحتی در مرز دانه ایجاد می شود. استحکام پیوند کم مرزهای دانه باعث شکستگی در امتداد دانه در طول فرآیند سایش می شود که باعث بیرون کشیدن دانه کامل و سایش جدی می شود.

افزودنی سرامیک های پلی کریستالی معمولاً به صورت فاز شیشه ای در مرز دانه وجود دارد. در طول فرآیند اصطکاک، دمای بالا منجر به کاهش ویسکوزیته شیشه می‌شود که منجر به تغییر شکل پلاستیک می‌شود. اگر تنش مرز دانه مجاور مناسب نباشد، باعث ایجاد ترک در مرز دانه و سایش جدی می شود.

اگر مقدار مناسبی از مواد افزودنی بتواند فاز دوم را در مرز دانه تشکیل دهد، معمولاً برای مقاومت در برابر سایش مواد مفید است. به عنوان مثال، افزودن زیرکونیا به آلومینا برای ساخت سرامیک های آلومینا سخت شده زیرکونیایی، که به عنوان سرامیک ZTA نیز شناخته می شود. از آنجایی که افزایش تنش بحرانی ناشی از T{2}}ZrO2 به بهبود چقرمگی شکست و استحکام مواد سرامیکی منجر می‌شود، زیرکونیا و آلومینا می‌توانند از رشد دانه‌ها جلوگیری کرده و به اثر ریز{4}}تبلور شدن از نظر ریزساختار دست یابند تا مقاومت به سایش را بیشتر بهبود بخشند.