Céramiques tribologiques, également appelées céramiques résistantes à l'usure, matériaux céramiques résistants au frottement et à l'usure. Ils sont employés dans une variété d'applications industrielles et domestiques, y compris le traitement des minéraux et la métallurgie. Cet article passe en revue les principaux matériaux céramiques tribologiques et leurs domaines d'application.
Céramique résistante à l'usure
Propriétés essentielles
Il existe deux mécanismes de base de l'usure tribologique: l'usure par impact et l'usure par frottement. En cas d'usure par impact, les particules impactent et érodent la surface. C'est le principal mécanisme d'usure rencontré dans la manutention des minéraux, par exemple. En revanche, l'usure par frottement se produit lorsque deux matériaux sous charge glissent l'un contre l'autre. Cette usure se produit dans des dispositifs tels que les arbres rotatifs, les sièges de soupape et les matrices d'extrusion et d'étirage métalliques. La céramique est bien adaptée pour résister à ces mécanismes car, en raison des fortes liaisons chimiques qui les maintiennent ensemble, elles ont tendance à être extrêmement dures et solides. Ces propriétés sont essentielles aux applications tribologiques, mais les céramiques tribologiques présentent également d'autres propriétés importantes, notamment l'élasticité, la ténacité, la dilatation thermique et la conductivité thermique. Comme décrit ci-dessous, des céramiques telles que la zircone durcie par transformation ont été développées avec des microstructures qui offrent un compromis entre résistance et ténacité. Ces matériaux, bien que plus faibles que leurs homologues en céramique conventionnels, peuvent être très résistants à l'usure en raison de leur ténacité améliorée. La génération de chaleur pendant l'usure peut entraîner des problèmes de choc thermique, à moins que les céramiques employées aient de faibles coefficients de dilatation thermique (pour diminuer les contraintes thermiques) ou des conductivités thermiques élevées (pour évacuer la chaleur).
Matériaux
La céramique tribologique la plus utilisée est l'alumine à gros grains (oxyde d'aluminium, Al 2 O 3), qui doit sa popularité à ses faibles coûts de fabrication. L'alumine est cependant susceptible de se retirer du grain; cela conduit à une surface affaiblie, qui peut s'éroder encore plus rapidement. De plus, les grains desserrés, ayant des arêtes vives, deviennent des particules abrasives pour une usure par impact ailleurs. Les surfaces d'alumine usées ont donc tendance à avoir un aspect mat (rugueux).
Les composites à matrice céramique représentent une amélioration par rapport à l'alumine dans la mesure où les gros grains primaires (par exemple, le carbure de silicium [SiC]), qui ne se détachent pas facilement, sont combinés avec une matrice plus conforme (par exemple, la silice [Si], le nitrure de silicium [Si 3 N 4], ou verre), qui résiste à la microfissuration. Les céramiques durcies avec des moustaches, des fibres ou des phases de transformation représentent une amélioration encore plus importante. Dans la zircone trempée par transformation (TTZ), par exemple, les contraintes de surface rencontrées pendant l'usure induisent la transformation des particules de durcissement, mettant la surface en compression. Cette transformation non seulement renforce la surface, mais les particules qui se retirent ont tendance à se situer dans la plage submicronique. À de si petites tailles, ils polissent plutôt que abrasent la surface. Les surfaces TTZ usées ont donc tendance à être polies plutôt que mates. Bien que les coûts d'ingénierie de ces microstructures soient beaucoup plus élevés que pour l'alumine conventionnelle, l'avantage concurrentiel des matériaux est réalisé dans leur durée de vie considérablement améliorée.
