Tribologische Keramik, auch verschleißfeste Keramik genannt, Keramikmaterialien, die gegen Reibung und Verschleiß beständig sind. Sie werden in einer Vielzahl von industriellen und häuslichen Anwendungen eingesetzt, einschließlich Mineralverarbeitung und Metallurgie. Dieser Artikel untersucht die wichtigsten tribologischen Keramikmaterialien und ihre Anwendungsbereiche.
Verschleißfeste Keramik
Wesentliche Eigenschaften
Es gibt zwei grundlegende Mechanismen des tribologischen Verschleißes: Aufprallverschleiß und Reibverschleiß. Beim Aufprallverschleiß treffen Partikel auf die Oberfläche und erodieren sie. Dies ist beispielsweise der Hauptverschleißmechanismus beim Umgang mit Mineralien. Reibverschleiß tritt dagegen auf, wenn zwei unter Last stehende Materialien gegeneinander gleiten. Dieser Verschleiß tritt bei Vorrichtungen wie rotierenden Wellen, Ventilsitzen und Metallextrusions- und Ziehwerkzeugen auf. Keramiken sind gut geeignet, um diesen Mechanismen zu widerstehen, da sie aufgrund der starken chemischen Bindungen, die sie zusammenhalten, extrem hart und stark sind. Diese Eigenschaften sind für tribologische Anwendungen wesentlich, aber tribologische Keramiken weisen auch andere wichtige Eigenschaften auf - insbesondere Elastizität, Zähigkeit, Wärmeausdehnung und Wärmeleitfähigkeit. Wie nachstehend beschrieben, wurden Keramiken wie transformationsgehärtetes Zirkonoxid mit Mikrostrukturen entwickelt, die einen Kompromiss zwischen Festigkeit und Zähigkeit bieten. Solche Materialien sind zwar schwächer als ihre herkömmlichen keramischen Gegenstücke, können jedoch aufgrund ihrer verbesserten Zähigkeit sehr verschleißfest sein. Die Wärmeerzeugung während des Verschleißes kann zu Wärmeschockproblemen führen, es sei denn, die verwendeten Keramiken weisen niedrige Wärmeausdehnungskoeffizienten (zur Verringerung der Wärmespannungen) oder hohe Wärmeleitfähigkeiten (zur Ableitung der Wärme) auf.
Materialien
Die am weitesten verbreitete tribologische Keramik ist grobkörniges Aluminiumoxid (Aluminiumoxid, Al 2 O 3), was seine Beliebtheit auf seine geringen Herstellungskosten zurückzuführen ist. Aluminiumoxid ist jedoch anfällig für Kornauszug; Dies führt zu einer geschwächten Oberfläche, die noch schneller erodieren kann. Darüber hinaus werden gelöste Körner mit scharfen Kanten zu Schleifpartikeln für den Aufprallverschleiß an anderer Stelle. Abgenutzte Oberflächen aus Aluminiumoxid neigen daher dazu, ein mattes (aufgerautes) Aussehen zu haben.
Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe stellen eine Verbesserung gegenüber Aluminiumoxid dar, da große Primärkörner (z. B. Siliciumcarbid [SiC]), die sich nicht leicht lösen lassen, mit einer nachgiebigeren Matrix (z. B. Siliciumdioxid [Si], Siliciumnitrid [Si 3] kombiniert werden N 4] oder Glas), das Mikrorissen widersteht. Mit Whiskern, Fasern oder Transformationsphasen gehärtete Keramiken stellen eine noch größere Verbesserung dar. Beispielsweise führen bei transformationsgehärtetem Zirkonoxid (TTZ) Oberflächenspannungen, die während des Verschleißes auftreten, dazu, dass sich die härtenden Partikel transformieren und die Oberfläche komprimieren. Diese Umwandlung stärkt nicht nur die Oberfläche, sondern Partikel, die sich herausziehen, liegen tendenziell im Submikrometerbereich. Bei solch extrem kleinen Größen polieren sie die Oberfläche, anstatt sie abzureiben. Abgenutzte TTZ-Oberflächen sind daher eher poliert als mattiert. Obwohl die Kosten für die Konstruktion dieser Mikrostrukturen viel höher sind als für herkömmliches Aluminiumoxid, wird der Wettbewerbsvorteil der Materialien in ihrer stark verbesserten Lebensdauer realisiert.
