Ceramiche tribologiche, chiamate anche ceramiche resistenti all'usura, materiali ceramici resistenti all'attrito e all'usura. Sono impiegati in una varietà di applicazioni industriali e domestiche, compresa la lavorazione dei minerali e la metallurgia. Questo articolo esamina i principali materiali ceramici tribologici e le loro aree di applicazione.
Ceramica resistente all'usura
Proprietà essenziali
Esistono due meccanismi di base dell'usura tribologica: l'usura da impatto e l'usura da sfregamento. Nell'usura da impatto, le particelle colpiscono ed erodono la superficie. Questo è il principale meccanismo di usura riscontrato nella manipolazione dei minerali, ad esempio. L'usura per sfregamento, d'altra parte, si verifica quando due materiali sotto carico scivolano uno contro l'altro. Questa usura si verifica in dispositivi quali alberi rotanti, sedi valvole e stampi per estrusione e trafilatura di metalli. La ceramica è adatta a resistere a questi meccanismi perché, a causa dei forti legami chimici che li tengono uniti, tendono ad essere estremamente duri e forti. Queste proprietà sono essenziali per le applicazioni tribologiche, ma le ceramiche tribologiche mostrano anche altre importanti proprietà, in particolare l'elasticità, la tenacità, l'espansione termica e la conduttività termica. Come descritto di seguito, ceramiche come la zirconia indurita per trasformazione sono state sviluppate con microstrutture che forniscono un compromesso tra resistenza e tenacità. Tali materiali, sebbene più deboli delle loro controparti ceramiche convenzionali, possono essere altamente resistenti all'usura grazie alla loro maggiore tenacità. La generazione di calore durante l'usura può causare problemi di shock termico, a meno che la ceramica utilizzata non abbia coefficienti di dilatazione termica bassi (per ridurre le sollecitazioni termiche) o conduttività termiche elevate (per allontanare il calore).
materiale
La ceramica tribologica più utilizzata è l'allumina a grana grossa (ossido di alluminio, Al 2 O 3), che deve la sua popolarità ai suoi bassi costi di produzione. L'allumina è tuttavia suscettibile al ritiro del grano; questo porta ad una superficie indebolita, che può erodersi ancora più rapidamente. Inoltre, i grani allentati, con bordi affilati, diventano particelle abrasive per usura da impatto altrove. Le superfici consumate dell'allumina tendono quindi ad avere un aspetto opaco (ruvido).
I compositi a matrice ceramica rappresentano un miglioramento rispetto all'allumina in quanto i grani primari di grandi dimensioni (ad es. Carburo di silicio [SiC]), che non si allentano facilmente, sono combinati con una matrice più conforme (ad es. Silice [Si], nitruro di silicio [Si 3 N 4], o vetro), che resiste al microcracking. La ceramica indurita con baffi, fibre o fasi di trasformazione rappresenta un miglioramento ancora maggiore. Nella zirconia indurita per trasformazione (TTZ), ad esempio, le sollecitazioni superficiali incontrate durante l'usura inducono le particelle di indurimento a trasformarsi, mettendo la superficie in compressione. Questa trasformazione non solo rafforza la superficie, ma le particelle che si estraggono tendono ad essere nella gamma dei submicrometri. A dimensioni così ridotte, lucidano anziché rovinare la superficie. Le superfici TTZ usurate tendono quindi a essere lucidate piuttosto che opache. Sebbene i costi di progettazione di queste microstrutture siano molto più elevati rispetto a quelli dell'allumina convenzionale, il vantaggio competitivo dei materiali è realizzato nella loro durata di servizio notevolmente migliorata.
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