Tribologische keramiek, ook wel slijtvaste keramiek genoemd, keramische materialen die bestand zijn tegen wrijving en slijtage. Ze worden gebruikt in verschillende industriële en huishoudelijke toepassingen, waaronder minerale verwerking en metallurgie. Dit artikel onderzoekt de belangrijkste tribologische keramische materialen en hun toepassingsgebieden.
Slijtvast keramiek
Essentiële eigenschappen
Er zijn twee basismechanismen van tribologische slijtage: botsing en wrijvingsslijtage. Bij inslagslijtage botsen en eroderen deeltjes het oppervlak. Dit is bijvoorbeeld het belangrijkste slijtage-mechanisme dat wordt aangetroffen bij het hanteren van mineralen. Wrijvingsslijtage ontstaat daarentegen wanneer twee materialen onder belasting tegen elkaar schuiven. Deze slijtage treedt op bij inrichtingen zoals roterende assen, klepzittingen en metalen extrusie- en trekmatrijzen. Keramiek is zeer geschikt om deze mechanismen te weerstaan, omdat ze, vanwege de sterke chemische bindingen die ze bij elkaar houden, de neiging hebben extreem hard en sterk te zijn. Deze eigenschappen zijn essentieel voor tribologische toepassingen, maar tribologische keramiek vertoont ook andere belangrijke eigenschappen - met name elasticiteit, taaiheid, thermische uitzetting en thermische geleidbaarheid. Zoals hieronder beschreven, zijn keramiek zoals door transformatie gehard zirkoniumoxide ontwikkeld met microstructuren die een wisselwerking bieden tussen sterkte en taaiheid. Dergelijke materialen, hoewel zwakker dan hun conventionele keramische tegenhangers, kunnen vanwege hun verbeterde taaiheid zeer slijtvast zijn. Warmteontwikkeling tijdens slijtage kan leiden tot problemen met thermische schokken, tenzij het gebruikte keramiek lage thermische uitzettingscoëfficiënten heeft (om thermische spanningen te verminderen) of hoge thermische geleidbaarheid (om de warmte af te voeren).
Materialen
Het meest gebruikte tribologische keramiek is grofkorrelig aluminiumoxide (aluminiumoxide, Al 2 O 3), dat zijn populariteit dankt aan de lage productiekosten. Alumina is echter vatbaar voor het terugtrekken van graan; dit leidt tot een verzwakt oppervlak, dat nog sneller kan eroderen. Bovendien worden losgeraakte korrels, met scherpe randen, schurende deeltjes die elders voor inslagslijtage zorgen. Versleten oppervlakken van aluminiumoxide hebben daarom de neiging om een mat (geruwd) uiterlijk te hebben.
Keramiekmatrixcomposieten zijn een verbetering ten opzichte van aluminiumoxide doordat grote primaire korrels (bijv. Siliciumcarbide [SiC]), die niet gemakkelijk los te maken zijn, worden gecombineerd met een meer flexibele matrix (bijv. Silica [Si], siliciumnitride [Si 3 N 4] of glas), dat bestand is tegen microscheuren. Keramiek gehard met snorharen, vezels of transformerende fasen vertegenwoordigen een nog grotere verbetering. Bij transformatiegeharde zirkoniumoxide (TTZ), bijvoorbeeld, veroorzaken oppervlaktespanningen die optreden tijdens slijtage de verhardingsdeeltjes om te transformeren, waardoor het oppervlak wordt samengedrukt. Deze transformatie versterkt niet alleen het oppervlak, maar deeltjes die wel uittrekken, bevinden zich meestal in het submicrometerbereik. Bij zulke extreem kleine maten polijsten ze eerder dan het oppervlak te schuren. Versleten TTZ-oppervlakken zijn daarom eerder gepolijst dan mat. Hoewel de kosten voor het engineeren van deze microstructuren veel hoger zijn dan voor conventioneel aluminiumoxide, wordt het concurrentievoordeel van de materialen gerealiseerd in hun sterk verbeterde levensduur.
