Секрет износостойкой алюмооксидной керамики
Трение — это повсеместное явление, сопровождающее человеческую деятельность: при ходьбе, вождении автомобиля, движении поездов. Физический процесс, вызванный относительным движением, кажется безобидным, но часто оборачивается серьезной проблемой.
В промышленности трение между деталями наносит значительный вред, вызывая износ контактных поверхностей. Сильное трение может вывести из строя рабочие механизмы. Для борьбы с этим явлением используют современные керамические материалы с повышенной износостойкостью, заменяя ими обычные металлы и пластики, или покрывают уязвимые поверхности специальной керамикой.
По сравнению с металлами и пластиками алюмооксидная керамика обладает ключевыми преимуществами: высокая твердость и прочность, исключительная износостойкость (превышает показатели марганцевой и высокохромистой стали в 100 раз), термостойкость, устойчивость к кислотам и щелочам, легкость (вдвое легче стали), что снижает нагрузку на оборудование. Благодаря доступной цене и адаптированности к промышленным условиям, алюмооксидная керамика стала одним из самых востребованных материалов в данной области. Она применяется в системах дробления руды, помола сырья, высокоскоростной обработки — везде, где требуется особая выносливость.
Поскольку трение и износ критически важны для долговечности керамических материалов, необходимо глубоко изучать взаимодействие алюмооксидной керамики с силами трения.
Исследования Эванса показали, что твердость и трещиностойкость керамики — ключевые факторы, влияющие на износ. Материалы с высокими показателями по этим параметрам изнашиваются медленнее. Ученые разных стран активно работают над улучшением характеристик алюмооксидной керамики, concentrating на следующих направлениях:
1. Размер зерна керамики
Алюмооксидная керамика делится на однофазную и многофазную (с добавлением второй фазы в основу). Исследования влияния размера зерна на трибологические свойства в основном focused на матричной фазе и второй фазе.
Например, Рой и др. изучали трение и износ субмикронной и микронной однофазной керамики в биологической среде. Скорость износа субмикронной керамики в среде бычьего сывороточного альбумина оказалась значительно ниже, чем у микронной, а вырыв зерен и микротрещины на границах — существенно меньше. Седелачек и др. исследовали влияние размера зерна матрицы (от 0,8 до 4 мкм) при наноразмерной второй фазе SiC. Оказалось, что при субмикронном размере матрицы износостойкость выше, чем у нанокомпозитов с микронными зернами, и не наблюдается явной связи с трещиностойкостью, тогда как при микронном размере скорость износа снижается с ростом твердости.
Очевидно, что уменьшение размера зерен повышает однородность структуры материала, увеличивает плотность и снижает количество дефектов.
2. Материал второй фазы
Исследования в области трибологии композитной алюмооксидной керамики focused на составах с добавлением различных вторых фаз, частиц или вискеров для улучшения эксплуатационных характеристик. Механизмы влияния второй фазы делятся на три типа: самосмазывание, упрочнение границ зерен и трибохимическая реакция.
2.1. Механизм самосмазывания второй фазы
Введение в матрицу Al2O3 твердых смазочных материалов — графита, CaF2, PbWO4, MoS2, BN, мягких металлов — снижает коэффициент трения и улучшает трибологические свойства. Дэн Цзяньсинь и др. добавили 10% CaF2 в состав Al2O3/TiC. Эксперименты показали, что CaF2 выдавливается на поверхность трения, образуя самосмазывающую пленку. Эта пленка предотвращает адгезию материала к партнерам трения, снижает коэффициент трения и обеспечивает эффект самосмазывания.
2.2. Упрочнение границ зерен второй фазой
Частицы или вискеры второй фазы, введенные в матрицу, создают остаточные напряжения due to разницы коэффициентов теплового расширения, упрочняя границы зерен. Распространение трещины требует преодоления не только энергии границ, но и дополнительной энергии сжатия. Частицы второй фазы с меньшим коэффициентом расширения вызывают микродефекты, отклоняющие трещины и поглощающие энергию. Сферическая форма частиц притупляет кончик трещины, снижая концентрацию напряжений и улучшая трибологические свойства.
2.3. Механизм трибохимической реакции второй фазы
Вторая фаза в матрице Al2O3 вступает в реакцию с кислородом воздуха или материалом контраbody при трении, образуя смазывающую пленку. Это снижает коэффициент трения и улучшает трибологические свойства материала.
