Materiales cerámicos Responden de forma diferente a las tensiones impuestas por el contacto mecánico en movimiento. Algunos pueden desgastarse, otros pueden romperse, mientras que otros simplemente se desprenden de la superficie.

Este artículo explica cómo medir el comportamiento de un material cerámico ante fuerzas opuestas y los factores que lo afectan. También abordamos cuestiones como la relación directa o proporcional entre la resistencia al desgaste y la distancia de deslizamiento y la carga de contacto.

Muchas cerámicas aplicaciones industriales son de alto riesgo, por lo que es importante conocer de antemano hasta qué punto un material cerámico resiste el desgaste.

¿Qué es la prueba de resistencia al desgaste?

La prueba de resistencia al desgaste es una medida de la respuesta de la superficie del material cerámico a la fricción o fuerza opuestaEstas pruebas evalúan el rendimiento de un material cerámico en procesos que involucran acción abrasiva, fricción y desgaste. También conocido como rendimiento tribológico de la cerámica.

Los métodos de prueba de cerámica incluyen Abrasión de Taber, desgaste del disco pasador, método de prueba de rayado, método de bola sobre disco, etc. 

Métodos de prueba de cerámica

¿Cómo se mide la resistencia al desgaste?

1. Técnica de abrasión de Taber</h3>

La técnica de abrasión Taber es un método de prueba relativamente simple con un estándar de prueba de cerámica reconocido internacionalmente, ISO 4649/ DIN 35516.

Durante la prueba, la lámina abrasiva se monta sobre un tambor giratorio. El operador mueve una pieza de goma sobre la lámina abrasiva para determinar la pérdida de volumen. Dependiendo del índice de desgaste, los resultados de la prueba arrojarán valores más altos o más bajos.

Cuanto más bajas sean las cifras, mejor será la resistencia al desgaste. Es decir, Los valores altos representan una alta tasa de desgaste, lo que se traduce en una baja resistencia al desgaste.

2. Prueba de desgaste del pasador sobre el disco

Esta se considera una de las más preferido Métodos de prueba de resistencia al desgaste de cerámica. Consiste en deslizar un pasador cerámico sobre un disco giratorio (generalmente de otro material).

El operador hace funcionar el disco giratorio a una velocidad y carga controladas. Luego, evalúa el índice de desgaste y la pérdida de volumen tras un número determinado de ciclos.

La técnica de desgaste del pasador sobre el disco simula las condiciones generales de servicio, probando acción de rozamiento, abrasión y adhesión. Sin embargo, es posible que no simule completamente condiciones de trabajo severas.

3. Método de prueba de rayado

El método de prueba de rayado utiliza una punta o penetrador para simular dichos tipos de desgaste. como cortar, ranurar y arar. Es por esto que las puntas vienen en diferentes tamaños y formas.

Un operador arrastra una punta dura sobre una superficie cerámica a velocidad y carga controladas. De esta manera, mide la carga crítica o profundidad a la que se agrieta la superficie.

El método de prueba de rayado se centra en evaluar la adhesión de las películas cerámicas y la tenacidad a la fractura. Sin embargo, su eficacia puede ser menor que la de evaluar los efectos de la fatiga en el comportamiento frente al desgaste.

4. Método de bola sobre disco

El método de bola sobre disco es otra técnica destacada para medir la resistencia al desgaste. Consiste en deslizar una bola esférica (de un material diferente) a una velocidad y carga controladas.

El operador desliza la bola contra un disco cerámico plano durante varios ciclos. Luego, evalúa el disco para calcular el desgaste causado, según la profundidad de la marca.

Este método es relativamente versátil. Puede simular diferentes tipos de desgaste mediante rrodar, deslizar o cambiar la dirección del movimiento de la pelota. 

El método está diseñado para probar la dureza y el acabado superficial del disco cerámico. Es posible que no evalúe el desgaste causado por factores como la temperatura o la lubricación.

¿Cuál es la relación entre la resistencia al desgaste de la cerámica y la dureza?

¿La resistencia al desgaste se refiere a la dureza? ¿O existe una relación directa entre ambas?

No es raro decir que un material cerámico duro puede soportar cualquier tipo de desgaste. Eso fue lo que dijeron inicialmente los investigadores. ¡Pero luego descubrieron algo interesante!

En las primeras investigaciones, los físicos creían que la dureza y la resistencia al desgaste de la cerámica siempre estaban directamente relacionadas. Es decir, la dureza de un material cerámico siempre se traducía en una mayor resistencia al desgaste.

Sin embargo, investigaciones posteriores revelaron que La resistencia al desgaste se reduce a la microestructura de un material cerámico, la tenacidad del límite de grano y el tamaño y la forma del grano. Es decir, ¡la dinámica de la resistencia al desgaste implicaba algo más de lo que se creía anteriormente!

El mecanismo de resistencia al desgaste también resultó ser diferente de la dinámica de dureza a nivel de microestructura. La dureza depende de la resistencia de la unión del límite de grano. Por el contrario, la resistencia al desgaste requiere que el material se desprenda de la superficie de desgaste.

Por ejemplo, las comparaciones entre la dureza y la resistencia al desgaste de cerámica de alúmina Y la cerámica de zirconia TZP mostró este contraste. Si bien las cerámicas de alúmina suelen ser más duras que la zirconia TZP, esta última tiene mejor resistencia al desgaste que la alúmina.

Esto también dejó de lado la creencia común de que la resistencia al desgaste estaba determinada únicamente por las condiciones operativas externas.

Por lo tanto, evaluar la resistencia al desgaste de los materiales cerámicos requería un enfoque ligeramente diferente al de las pruebas de dureza. Los métodos de prueba de desgaste cerámico se basan actualmente en la dinámica del desgaste cerámico y los factores que la influyen.

Pero cabe destacar que algunos materiales cerámicos tienen una alta resistencia al desgaste y dureza en comparación con sus homólogos. Simplemente decimos que... La resistencia al desgaste y la dureza de la cerámica no siempre están relacionadas directamente y deben probarse de forma independiente.

Factores que influyen en la resistencia al desgaste de los materiales cerámicos

La prueba de la resistencia al desgaste de los materiales cerámicos está influenciada por factores internos y externos.

Los factores internos que afectan la resistencia al desgaste de la cerámica incluyen: límite de grano, porosidad, y Tamaño y forma.

Mientras que los factores externos simplemente significan las condiciones a las que se someten los materiales cerámicos en el laboratorio de pruebas de cerámica.

• Límite de grano

Generalmente muchas cerámicas son policristalinas, lo que significa que están compuestas de muchos cristalitos o granos. La región entre dos granos se llama límite de grano. Sin embargo, la región entre los granos se llama límite de fase si presentan propiedades diferentes, como la composición química.

Entonces, ¿cómo afecta esto a la resistencia al desgaste de un material cerámico?

Durante la sinterización, un proceso de alta temperatura durante el moldeo por inyección, la cerámica experimenta impurezas intercristalinas debido a los aditivos. Esto ocurre debido a la presencia de la fase vítrea entre los granos, reduciendo su fuerza de unión. Si la fuerza de unión es menor, se forman grietas en el límite del grano.

Se produce un desgaste considerable en toda la veta durante la fricción y la abrasión. La acción abrasiva genera aún más calor, lo que afecta la viscosidad de la fase vítrea y, finalmente, causa deformación plástica.

Una buena cantidad de aditivos y coadyuvantes de endurecimiento desempeñan un papel clave en la mejora de la resistencia al desgaste de un material cerámico. De lo contrario, el límite de grano adyacente puede experimentar un desgaste grave debido a la falta de una cantidad adecuada de tensión.

• Porosidad

Al evaluar la resistencia al desgaste, la porosidad se considera una deformidad que afecta la resistencia de la unión de la cerámica. Además, un poro proporciona más espacio para la formación de líneas de falla, lo que afecta considerablemente la concentración de tensiones.

Cuando se aplica fuerza abrasiva, los poros facilitan la formación de fracturas, lo que agrava el desgaste. Es decir, cuanto menos poroso sea un material cerámico, más resistente al desgaste será probablemente.

• Tamaño

La fabricación de cerámica implica una cuidadosa selección de los materiales cerámicos. Un parámetro es el tamaño del grano. Las cerámicas de grano pequeño tienden a tener mayores enlaces intergranulares. y mejores propiedades mecánicas. Sin embargo, los granos más grandes son frágiles y más propensos a desgastarse por fricción.

Factores externos

Como ya se mencionó, los factores externos que afectan la resistencia al desgaste de la cerámica son las condiciones ambientales del laboratorio de ensayos cerámicos. Dichos factores incluyen la corrosión, los impactos externos, la temperatura y la presión.

• Corrosión: Los materiales cerámicos pueden entrar en contacto con componentes que contienen agentes corrosivos. Si se exponen a estos entornos durante un tiempo prolongado, pueden erosionarse o desprenderse. Su estructura cristalina y su resistencia a la adhesión también pueden disminuir.

• Impacto externo: Esto incluye vibraciones y colisiones que ocurren durante el funcionamiento. Estas fuerzas pueden afectar la estructura y la superficie de la cerámica. Las partículas también pueden aflojarse y sus superficies desprenderse, acelerando el desgaste.

• Temperatura y presión: Muchas cerámicas técnicas pueden soportar temperaturas y presiones extremas. Sin embargo, pueden perder su integridad estructural y comenzar a deteriorarse si las condiciones se exponen a niveles extremos.

Materiales cerámicos resistentes al desgaste y sus aplicaciones

Los materiales cerámicos avanzados se encuentran entre los más prometedores para la maquinaria y las industrias técnicas. Combinados con sus estabilidad química, altas temperaturas de fusión y módulos elásticos, Presentan propiedades tribológicas exquisitas.

Otras propiedades incluyen alta tenacidad a la fractura, alta dureza y excepcional resistencia al calor. Por ello, las cerámicas resistentes al desgaste son aplicables en una amplia gama de aplicaciones industriales, como se muestra en la siguiente tabla:

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