Keramische Werkstoffe reagieren unterschiedlich auf die Belastung durch beweglichen mechanischen Kontakt. Bei manchen kann es zu Verschleiß kommen, bei anderen kann es zu einem Bruch kommen und bei anderen löst sich lediglich die Oberfläche ab.

In diesem Artikel wird erläutert, wie das Verhalten eines Keramikmaterials gegenüber Gegenkräften und den Faktoren, die das Verhalten beeinflussen, gemessen wird. Wir behandeln auch Themen wie „Die Verschleißfestigkeit steht in direktem oder proportionalem Zusammenhang mit der Gleitdistanz und der Kontaktlast.“

Viele Keramik Industrielle Anwendungen sind mit einem hohen Risiko verbunden, daher ist es wichtig, im Voraus zu wissen, wie verschleißfest ein Keramikmaterial ist.

Was ist eine Verschleißfestigkeitsprüfung?

Die Prüfung der Verschleißfestigkeit ist eine Maß für die Reaktion der keramischen Materialoberfläche auf Reibung oder Gegenkraft. Diese Tests bewerten, wie gut ein keramisches Material bei Prozessen mit abrasiver Wirkung, Reibung und Verschleiß funktioniert. Auch bekannt als tribologische Leistung von Keramik.

Zu den Prüfmethoden für Keramik gehören Taber-Abrieb, Pin-on-Disk-Verschleiß, Kratztestmethode, Ball-on-Disk-Methode usw. 

Keramikprüfmethoden

Wie misst man die Verschleißfestigkeit?

1. Taber-Abrasionstechnik</h3>

Die Taber-Abriebtechnik ist eine relativ einfache Prüfmethode mit einem international anerkannten Keramikprüfstandard, ISO 4649/DIN 35516.

Während des Tests wird das Schleifblatt auf einer rotierenden Trommel montiert. Der Bediener bewegt dann ein Stück Gummi über das Schleifblatt, um den Volumenverlust zu ermitteln. Je nach Abnutzungsgrad ergeben sich höhere oder niedrigere Testergebnisse.

Je niedriger die Werte, desto besser die Verschleißfestigkeit. Das heißt, Hohe Werte bedeuten eine hohe Verschleißrate, was wiederum eine geringe Verschleißfestigkeit bedeutet.

2. Pin-On-Disk-Verschleißtest

Dies gilt als einer der am meisten bevorzugt Testverfahren für die Verschleißfestigkeit von Keramik. Dabei wird ein Keramikstift auf einer rotierenden Scheibe (die normalerweise aus einem anderen Material besteht) geschoben.

Der Bediener lässt die rotierende Scheibe mit kontrollierter Geschwindigkeit und Belastung laufen. Anschließend beurteilt er die Verschleißrate und den Volumenverlust nach einer bestimmten Anzahl von Zyklen.

Die Pin-on-Disk-Verschleißtechnik simuliert allgemeine Betriebsbedingungen und prüft auf Reibkorrosion, Abrieb und Klebewirkung. Allerdings werden dadurch möglicherweise keine harten Arbeitsbedingungen vollständig simuliert.

3. Kratztestmethode

Bei der Scratch-Testmethode werden solche Verschleißarten mithilfe einer Spitze oder eines Eindringkörpers simuliert. wie Schneiden, Rillen und Pflügen. Aus diesem Grund gibt es Spitzen in verschiedenen Größen und Formen.

Ein Bediener zieht eine harte Spitze mit kontrollierter Geschwindigkeit und Belastung über eine Keramikoberfläche. So misst er die kritische Belastung oder Tiefe, bei der die Oberfläche Risse bekommt.

Der Schwerpunkt des Kratztests liegt auf der Bewertung der Haftung von Keramikfilmen und der Bruchzähigkeit. Die Auswirkungen der Ermüdung auf das Verschleißverhalten lassen sich damit jedoch möglicherweise nicht beurteilen.

4. Ball-On-Disk-Methode

Die Kugel-auf-Scheibe-Methode ist eine weitere bekannte Technik zur Messung der Verschleißfestigkeit. Dabei wird eine Kugel (aus einem anderen Material) mit kontrollierter Geschwindigkeit und Belastung verschoben.

Der Bediener lässt die Kugel einige Zyklen lang über eine flache Keramikscheibe gleiten. Anschließend beurteilt er die Scheibe, um den Grad des Verschleißes zu berechnen, der von der Tiefe der Verschleißnarbe abhängt.

Diese Methode ist relativ vielseitig. Sie kann verschiedene Verschleißarten simulieren, indemRollen, Rutschen oder Ändern der Bewegungsrichtung des Balls. 

Die Methode dient der Prüfung der Härte und Oberflächenbeschaffenheit der Keramikscheibe. Das durch Faktoren wie Temperatur oder Schmierung verursachte Verschleißverhalten kann nicht beurteilt werden.

Welche Beziehung besteht zwischen der Verschleißfestigkeit und Härte von Keramik?

Bedeutet Verschleißfestigkeit Härte? Oder … besteht ein direkter Zusammenhang zwischen beidem?

Es ist nicht ungewöhnlich, dass ein hartes Keramikmaterial jeder Art von Verschleiß standhält. Das behaupteten auch Forscher zunächst. Doch später entdeckten sie etwas Interessantes!

In frühen Forschungsarbeiten gingen Physiker davon aus, dass zwischen Härte und Verschleißfestigkeit von Keramik immer ein direkter Zusammenhang besteht. So führte die Härte eines Keramikmaterials immer zu einer besseren Verschleißfestigkeit.

Weitere Untersuchungen ergaben jedoch, dass Die Verschleißfestigkeit hängt von der Mikrostruktur, der Korngrenzenzähigkeit sowie der Korngröße und -form eines Keramikmaterials ab. Das heißt, hinter der Dynamik der Verschleißfestigkeit steckt mehr, als man bisher dachte!

Der Mechanismus der Verschleißfestigkeit erwies sich zudem als andersartig als die Härtedynamik auf mikrostruktureller Ebene. Die Härte hängt von der Stärke der Korngrenzenbindung ab. Im Gegensatz dazu erfordert die Verschleißfestigkeit, dass sich das Material von der Verschleißoberfläche löst.

Vergleiche zwischen der Härte und der Verschleißfestigkeit von Aluminiumoxidkeramik und TZP-Zirkonoxidkeramiken zeigten diesen Kontrast. Während Aluminiumoxidkeramiken typischerweise härter sind als TZP-Zirkonoxid, weist letzteres eine bessere Verschleißfestigkeit als Aluminiumoxid auf.

Damit wurde auch die gängige Meinung widerlegt, dass die Verschleißfestigkeit lediglich durch äußere Betriebsbedingungen bestimmt werde.

Daher erforderte die Prüfung der Verschleißfestigkeit von Keramikwerkstoffen einen etwas anderen Ansatz als Härteprüfungen. Die Methoden zur Prüfung des Keramikverschleißes orientieren sich heute an der Keramikverschleißdynamik und den sie beeinflussenden Faktoren.

Es ist jedoch erwähnenswert, dass einige Keramikmaterialien im Vergleich zu ihren Gegenstücken sowohl eine hohe Verschleißfestigkeit als auch eine hohe Härte aufweisen. Wir sagen einfach, dass Verschleißfestigkeit und Härte von Keramik stehen nicht immer in direktem Zusammenhang und müssen unabhängig voneinander getestet werden.

Einflussfaktoren auf die Verschleißfestigkeit keramischer Werkstoffe

Die Prüfung der Verschleißfestigkeit von Keramikwerkstoffen wird durch interne und externe Faktoren beeinflusst.

Zu den internen Faktoren, die die Verschleißfestigkeit von Keramik beeinflussen, gehören Korngrenzen, Porosität, Und Größe und Form.

Mit äußeren Faktoren sind hingegen lediglich die Bedingungen gemeint, denen keramische Werkstoffe im Keramikprüflabor ausgesetzt sind.

• Korngrenze

Normalerweise sind viele Keramiken polykristallin, das heißt, sie bestehen aus vielen Kristalliten oder Körnern. Der Bereich zwischen zwei Körnern wird als Korngrenze bezeichnet. Der Bereich zwischen den Körnern wird jedoch als Phasengrenze wenn sie unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, beispielsweise in der chemischen Zusammensetzung.

Welchen Einfluss hat dies auf die Verschleißfestigkeit eines Keramikmaterials?

Beim Sintern, einem Hochtemperaturprozess beim Spritzgießen, kommt es bei Keramiken durch Zusatzstoffe zu interkristallinen Verunreinigungen. Dies geschieht aufgrund der Anwesenheit der Glasphase zwischen den Körnern, wodurch ihre Bindungsstärke verringert wird. Bei geringerer Bindungsstärke kommt es zur Rissbildung an der Korngrenze.

Bei Reibung und Abrieb kommt es zu starkem Verschleiß des gesamten Korns. Durch die abrasive Wirkung entsteht noch mehr Wärme, die die Viskosität der Glasphase beeinflusst und schließlich zu plastischer Verformung führt.

Eine gute Menge an Additiven und Härtungshilfsmitteln spielt eine Schlüsselrolle bei der Verbesserung der Verschleißfestigkeit eines Keramikmaterials. Andernfalls kann es aufgrund der fehlenden Spannung zu starkem Verschleiß an der angrenzenden Korngrenze kommen.

• Porosität

Bei der Bewertung der Verschleißfestigkeit wird Porosität als Verformung betrachtet, die die Bindungsstärke der Keramik beeinträchtigt. Darüber hinaus bietet eine Pore mehr Raum für die Bildung von Bruchlinien, was die Spannungskonzentration stark beeinflusst.

Bei Einwirkung abrasiver Kräfte kommt es in den Poren leicht zu Rissen, was den Verschleiß verstärkt. Das bedeutet: Je weniger porös ein Keramikmaterial ist, desto verschleißfester ist es wahrscheinlich.

• Größe

Bei der Keramikherstellung ist eine sorgfältige Auswahl der Keramikmaterialien erforderlich. Ein Parameter ist die Korngröße des Materials. Feinkörnige Keramiken neigen dazu, größere intergranulare Bindungen zu haben und bessere mechanische Eigenschaften. Größere Körner sind jedoch spröde und neigen eher zum Verschleiß bei Reibung.

Externe Faktoren

Wie bereits erwähnt, sind die äußeren Faktoren, die die Verschleißfestigkeit von Keramik beeinflussen, die Umgebungsbedingungen im Keramikprüflabor. Zu diesen Faktoren zählen Korrosion, äußere Einflüsse sowie Temperatur und Druck.

• Korrosion: Keramische Werkstoffe können mit korrosiven Komponenten in Berührung kommen. Bei längerem Kontakt mit solchen Umgebungen können sie erodieren oder sich ablösen. Auch ihre Kristallstruktur und Bindungsstärke können nachlassen.

• Externe Auswirkungen: Hierzu zählen Vibrationen und Stöße, die während des Betriebs auftreten. Diese Kräfte können die Struktur und Oberfläche einer Keramik beeinträchtigen. Außerdem können sich die Partikel lösen und ihre Oberflächen ablösen, was den Verschleiß beschleunigt.

• Temperatur und Druck: Viele technische Keramiken können extremen Temperaturen und Drücken standhalten. Allerdings können sie ihre strukturelle Integrität verlieren und zerfallen, wenn die Bedingungen extremen Ausmaßen ausgesetzt sind.

Verschleißfeste keramische Werkstoffe und ihre Anwendungen

Hochleistungskeramiken gehören zu den vielversprechendsten Werkstoffen für den Maschinenbau und die technische Industrie. In Kombination mit ihren chemische Stabilität, hohe Schmelztemperaturen und Elastizitätsmodule, Sie weisen hervorragende tribologische Eigenschaften auf.

Zu den weiteren Eigenschaften zählen eine hohe Bruchzähigkeit, hohe Härte und außergewöhnliche Hitzebeständigkeit. Daher sind verschleißfeste Keramiken in einer Vielzahl von Industrieanwendungen einsetzbar, wie die folgende Tabelle zeigt:

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