Quais são os fatores que influenciam a resistência ao desgaste das cerâmicas?

Os materiais cerâmicos resistentes ao desgaste são amplamente utilizados nas áreas de materiais de moagem e polimento, revestimentos resistentes ao desgaste, revestimentos internos de tubos ou equipamentos e peças estruturais, etc., e suas propriedades de resistência ao desgaste determinam diretamente a vida útil segura de equipamentos e peças mecânicas. Os materiais cerâmicos comuns resistentes ao desgaste incluem zircônia, alumina, nitreto cúbico de boro, nitreto de silício, carboneto de boro, carboneto de silício etc.

Para obter materiais cerâmicos resistentes ao desgaste com melhor resistência ao desgaste, muitos acadêmicos estudaram o mecanismo de desgaste dos materiais cerâmicos e os fatores que influenciam a resistência ao desgaste da cerâmica. De modo geral, a resistência ao desgaste da cerâmica é afetada por dois fatores: um é a estrutura do próprio material e o outro são os fatores externos, como carga, temperatura e atmosfera.

Efeitos das propriedades mecânicas na resistência ao desgaste da cerâmica

Nas primeiras pesquisas sobre a propriedade de resistência ao desgaste de materiais cerâmicos, acreditava-se que a dureza dos materiais cerâmicos estava intimamente relacionada à propriedade de desgaste. Posteriormente, descobriu-se que a relação entre a dureza e o desgaste da cerâmica não era tão óbvia. Por exemplo, a dureza da cerâmica de alumina é maior do que a da cerâmica de zircônia TZP, mas a resistência ao desgaste não é necessariamente maior do que a da cerâmica TZP.

Embora a dureza possa refletir a força de ligação do limite do grão até certo ponto, o desgaste é finalmente formado devido à ruptura do material da superfície de desgaste, de modo que a dureza do material cerâmico não é mais usada como um índice preditivo para medir o desgaste. Alguns estudos mostram que, com a melhoria da resistência à fratura e da dureza do material, a taxa de desgaste da cerâmica diminui gradualmente, e a resistência ao desgaste é melhor.

Efeitos da microestrutura na resistência ao desgaste da cerâmica

Em geral, a microestrutura dos materiais costuma ter um grande impacto sobre as propriedades macroscópicas dos materiais. O material cerâmico é um corpo sinterizado composto de grãos e intercristais, e sua microestrutura geralmente determina suas propriedades macroscópicas. Muitos estudos mostraram que a resistência ao desgaste dos materiais cerâmicos está muito relacionada ao tamanho do grão, à composição da fase de limite do grão, à distribuição de tensão no limite do grão, aos poros e a outras microestruturas.

Tamanho do grão

No setor, os materiais metálicos podem melhorar suas propriedades mecânicas por meio do refinamento de grãos, o que é chamado de fortalecimento de grãos finos. O princípio principal é que, quanto menor o tamanho do grão, maior a área do limite do grão e mais ziguezagueada a distribuição do limite do grão, o que pode aumentar efetivamente o caminho de crescimento da trinca e favorecer a concentração de tensão no material disperso. Descobriu-se que o refinamento do grão tem uma certa influência na resistência ao desgaste dos materiais cerâmicos.

Porosidade

A porosidade tem um efeito muito importante sobre as propriedades da cerâmica. O poro é equivalente à existência de um defeito, que causará concentração de tensão, acelerará a expansão da rachadura e reduzirá a força de ligação entre os grãos, afetando seriamente as propriedades mecânicas da cerâmica. Sob a ação do atrito, os poros podem se conectar uns aos outros para formar uma fonte de rachaduras, o que acelera o desgaste do material.

Fase de limite de grão e impureza intercristalina

As cerâmicas são compostas de grãos, fases de contorno de grão e poros. No processo de sinterização, alguns aditivos e impurezas adicionados à cerâmica existem principalmente no limite do grão na forma de "segunda fase" ou "fase vítrea", e sua existência afetará a força de ligação entre os grãos. No decorrer do atrito e do desgaste da cerâmica, podem ocorrer facilmente rachaduras nos limites dos grãos. A baixa força de ligação dos limites do grão causará a fratura ao longo do grão durante o processo de desgaste, o que fará com que o grão inteiro seja arrancado e causará um desgaste grave.

O aditivo da cerâmica policristalina geralmente existe no contorno do grão na forma de fase vítrea. Durante o processo de fricção, a alta temperatura resultante reduz a viscosidade do vidro, levando à deformação plástica. Se a tensão do limite do grão adjacente não for adequada, isso causará a rachadura no limite do grão e provocará um desgaste grave.

Se uma quantidade adequada de aditivos puder formar uma segunda fase no contorno do grão, isso geralmente será benéfico para a resistência ao desgaste do material. Por exemplo, adicionar zircônia à alumina para produzir cerâmica de alumina endurecida com zircônia, também conhecida como cerâmica ZTA. Como o aumento da tensão crítica induzida pela tensão de T-ZrO2 favorece a melhoria da resistência à fratura e da resistência dos materiais cerâmicos, a zircônia e a alumina podem inibir o crescimento dos grãos e obter o efeito da microcristalização em termos de microestrutura, de modo a melhorar ainda mais a resistência ao desgaste.