קרמיקה טריבולוגית, המכונה גם קרמיקה עמידה בפני שחיקה, חומרים קרמיים עמידים בפני חיכוך ובלאי. הם מועסקים במגוון יישומים תעשייתיים וביתיים, כולל עיבוד מינרלים ומתכות. מאמר זה סוקר את חומרי הקרמיקה העיקריים הטבולוגיים ואת תחומי היישום שלהם.
קרמיקה עמידה בפני שחיקה
תכונות חיוניות
ישנם שני מנגנונים בסיסיים של בלאי טריבולוגי - שחיקה ובלאי שפשוף. בבלאי פגיעה, חלקיקים משפיעים על פני השטח ושוחקים אותם. זהו מנגנון השחיקה העיקרי שנתקל בטיפול במינרלים, למשל. לעומת זאת, בלאי שפשוף מתרחש כאשר שני חומרים תחת עומס מחליקים זה מול זה. בלאי זה מתרחש במכשירים כמו פירים מסתובבים, מושבי שסתום ובלטות מתכת ושרטוט. קרמיקה מתאימה היטב להתנגדות למנגנונים אלה מכיוון שנקשרים לכימיקלים הכימיים החזקים המחזיקים אותם זה בזה, הם נוטים להיות קשים וחזקים במיוחד. תכונות אלה הינן חיוניות ליישומים שטבולולוגיים, אך קרמיקה טריבולוגית מציגה תכונות חשובות אחרות - בעיקר, גמישות, קשיחות, התפשטות תרמית ומוליכות תרמית. כמתואר להלן, קרמיקה כמו זירקוניה הקשוחה בטרנספורמציה פותחה עם מבנים מיקרו המספקים חילופי בין כוח לקשיחות. חומרים כאלה, אף שהם חלשים יותר מאשר עמיתיהם הקרמיים המקובלים, יכולים להיות עמידים מאוד בלאי בגלל הקשיחות המשופרת שלהם. ייצור חום במהלך שחיקה עלול להוביל לבעיות בהלם תרמי, אלא אם כן לקרמיקה המועסקת יש מקדמי התפשטות תרמית נמוכים (להפחתת מתחים תרמיים) או מוליכות תרמית גבוהה (להובלת החום).
חומרים
הקרמיקה הטבולוגית הנפוצה ביותר היא אלומינה גרגירית גס (תחמוצת אלומיניום, Al 2 O 3), החבה את הפופולריות שלה בעלויות הייצור הנמוכות שלה. עם זאת, אלומינה חשופה לשליפת גרעינים; זה מוביל למשטח מוחלש, שעלול להישחק עוד יותר מהר. יתרה מזאת, גרגרים משוחררים, בעלי קצוות חדים, הופכים לחלקיקים שוחקים ללבוש פגיעה במקום אחר. לכן משטחים אלומיניום שחוקים נוטים אפוא למראה מט (מחוספס).
קומפוזיציות קרמיקה-מטריצות מייצגות שיפור לעומת אלומינה באותה גרגרים ראשוניים גדולים (למשל, סיליקון קרביד [SiC]), שאינם מתרופפים בקלות, משולבים במטריקס תואם יותר (למשל, סיליקה [Si], סיליקון ניטריד [Si 3 N 4], או זכוכית), המתנגד לפיצוח מיקרו. קרמיקה המותחז בפיסות, סיבים או שלבי שינוי מייצגים שיפור גדול עוד יותר. למשל, בזירקוניה הקשוחה בטרנספורמציה (TTZ), למשל, מתחים על פני השטח שנתקלים במהלך השחיקה גורמים לחלקיקים הקשוחים להתמרה, ומכניסים את פני השטח לדחיסה. טרנספורמציה זו לא רק מחזקת את פני השטח, אלא שחלקיקים שכן שולפים נוטים להיות בטווח הסוביקרומטרי. בגדלים כה קטנים במיוחד הם מלטשים ולא שוחקים את פני השטח. על כן משטחי TTZ שחוקים נוטים לליטוש ולא לשטיח. למרות שעלויות הנדסת המיקרו-מבנים הללו גבוהות בהרבה מאשר באלומינה קונבנציונאלית, היתרון התחרותי של החומרים מתממש בחיי השירות המשופרים מאוד שלהם.
