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Los materiales cerámicos de mayor interés para el tribólogo son los llamados cerámicos de ingeniería. que combinan una baja densidad con excitantes propiedades mecánicas (por ejemplo, alta dureza, dureza y rigidez) hasta altas temperaturas. Ejemplos típicos de cerámicas de ingeniería son el nitruro de silicio (Si3N4), el carburo de silicio ( SiC ). alúmina ( Al 2O3) y zi rconia (cúbica y / o

tetragonal 2032). Aunque estos materiales pueden ser nominalmente puros, generalmente contienen aditivos. que pueden estar presentes en pequeñas cantidades para ayudar al% de maceración de fabricación (p. ej., como adyuvantes de sinterización). o en proporciones más sustanciales como adiciones de aleación. También hay un interés considerable en el uso de materiales cerámicos como revestimientos delgados sobre sustratos de otras materias de nitruro de titanio (TIN) y el diamante, en particular, tienen atractivos tri bological propiedades cuando se usa de esta manera.

Las principales diferencias en el comportamiento mecánico entre las cerámicas de ingeniería y los metales surgen de la diferente característica de las fuerzas interatómicas; iónica o covalente en cerámica, en lugar de unión metálica. La unión iónica, en cerámica como MgO o Al2O3conduce a

estructuras cristalinas con solo un pequeño número de sistemas de deslizamiento independientes disponibles para dislocaciones, menos de las cinco necesarias para acomodar una deformación plástica general. Covale nt bonding, como en SiC. TiC o diamante. conduce a dislocaciones muy estrechas que se mueven solo bajo un alto estrés. a pesar de que pueden existir cinco sistemas de deslizamiento independientes.

De este modo, los materiales cerámicos de cualquier tipo de enlace muestran un flujo de plástico limitado a temperatura ambiente y, en consecuencia, mucha menos ductilidad que los metales. Además, como vimos en la Sección 2.5.3, es más probable que el contacto de aspereza entre las cerámicas sea más elástico que en los metales. Por lo tanto, las cepas plásticas grandes asociadas con el crecimiento de unión en metales no ocurren en cerámica excepto a alta temperatura, y aunque las fuerzas adhesivas ( de origen covalente, iónico o van der Waas ) están presentes entre materiales cerámicos en contacto, el coeficiente de fricción nunca alcanza los valores muy altos observados en los metales limpios que se deslizan en ausencia de oxígeno (ver Sección 3.5.2). El valor de p. para los contactos cerámicos-cerámicos se encuentra típicamente en el rango de 0.25 a Og . aunque algunos valores más bajos se discutirán a continuación. Estos son similares a los valores observados para las parejas metálicas que se deslizan en el aire en presencia de películas de óxido intactas. y de hecho, hay mucha similitud entre el contacto de las superficies de metal oxidado y el de las cerámicas de óxidos a granel.

La amplia variabilidad se ve típicamente en los valores informados de p. para la cerámica de ingeniería. y sería, por lo tanto, engañoso para rangos incluso coeficientes de fricción representativos para materiales particulares. Los factores ambientales son responsables de una buena parte de esta variación. A pesar de su reputación de inercia química, las superficies de la mayoría de las cerámicas son susceptibles a triboche micrófono AL reacciones que conducen a la formación de películas superficiales y por lo tanto modificar su fricción comportamiento . Estas reacciones ocurren mucho más rápidamente en un contacto deslizante que en una superficie libre a la misma temperatura a granel: altas temperaturas locales en el contacto de aspereza s (discutido más adelante en la Sección 5.5). la exposición de superficies atómicamente limpias por el proceso de desgaste y la estimulación mecánica directa de la reacción (p. ej. en la región altamente forzada en una unión de asperezas o punta de grieta) son todos mecanismos que pueden acelerar reacciones superficiales en contactos deslizantes.

Las cerámicas sin óxido en el aire comúnmente forman películas de óxido en sus superficies deslizantes. Por ejemplo, el nitruro de silicio, el carburo de silicio, el nitruro de titanio y el carburo de titanio se han encontrado después de deslizarse que han reaccionado significativamente con el oxígeno, derivado del oxígeno en el aire o del vapor de agua . Las cerámicas de óxido reaccionarán con el agua, ya sea que esté presente como líquido o como vapor : la alúmina y la zirconia, por ejemplo, ambas forman capas superficiales hidratadas al deslizarse en el aire húmedo. En el caso de las cerámicas que no son de óxido, la oxidación puede ser seguida por la hidratación, de modo que la naturaleza de las películas superficiales formadas sobre nitruro de silicio en el señor húmedo se controla mediante ambas reacciones.

Si3N4+ 6 H2O =3SiO2+4NH3

SiO2+ 2H2O = 3 Si ( OH )4

Estos efectos tribo che mic al son responsables de la influencia de la composición atmosférica en la fricción que se observa comúnmente en la cerámica . La figura 3.2 t, por ejemplo, muestra cómo el valor de p. disminuye con la disponibilidad creciente de agua para que el nitruro de silicio se deslice contra sí mismo en nitrógeno gaseoso seco, aire de dos niveles de humedad diferentes y agua líquida. Las reacciones descritas anteriormente conducen a la formación e hidratación de una película de sílice en la interfaz. disminuyendo su resistencia al corte y por lo tanto reduciendo el coeficiente de fricción.

En algunas cerámicas, los efectos de las películas de superficie pueden ser muy marcados: el diamante y el nitruro de titanio proporcionan buenos ejemplos. Ambos muestran una alta fricción cuando se deslizan contra duendes en el vacío: con diamante. μ alcanza -1 después de la limpieza o deslizamiento repetido al vacío. Sin embargo, en el aire, se mide la fricción más baja:μ = 0.05 a 0.15 para el diamante, y típicamente 0.1 a 0.2 para el nitruro de titanio. Se informó una oxidación superficial significativa en el nitruro de titanio y parece ser responsable de su baja fricción en el aire, pero en el diamante la modificación de la superficie es más probable que se deba a la adsorción de iones. de una especie gaseosa. en lugar de la formación de un producto de reacción. La fricción particularmente baja del diamante sobre el diamante en el aire se debe a la muy baja fuerza adhesiva entre las superficies en presencia de la contaminación adsorbida, junto con una pequeña contribución de otros procesos disipativos , probablemente deformación plástica en los contactos de aspereza en una muy línea de escala.

Además de las reacciones químicas en la superficie, un segundo factor que puede ser importante en la fricción de las cerámicas es el grado de fractura en las superficies deslizantes. Como veremos al considerar el desgaste de estos materiales (en la Sección 5.10). bajo ciertas condiciones, puede producirse una fractura frágil diseminada en la zona de contacto: a menudo intergranular en cerámicas policristalinas, pero en condiciones más severas, transtipanular . La aparición de fracturas conduce a un aumento de la fricción, ya que proporciona un mecanismo adicional para la disipación de energía en el contacto deslizante.

La fractura se produce fácilmente en contactos concentrados. como un pin afilado duro o un stylus deslizándose contra un piso. Figura 3.22. por ejemplo, muestra los resultados de experimentos en los que se deslizó un cono de diamante sobre un solo cristal de carburo de silicio. A cargas bajas, se produjo un surco plástico del carburo de silicio, sin fractura; el valor de p fue relativamente bajo. A medida que aumentaba la carga, se produjo una fractura frágil alrededor de la pista deslizante, similar a la que se muestra en la figura 6.15, que conduce a un coeficiente de fricción mayor.

Los efectos de la composición atmosférica. la temperatura, la carga, la velocidad de deslizamiento y el tiempo de deslizamiento sobre la fricción de la cerámica generalmente se pueden interpretar en términos de cambios en las películas de superficie triboquímicas y el grado de fractura en la región de contacto. Tanto la velocidad de carga como la de deslizamiento también afectarán la historia de la disipación de energía por fricción y, por lo tanto, la temperatura en la interfaz; a temperaturas suficientemente altas aumentará la plasticidad en la mayoría de las cerámicas y también afectará el comportamiento de fricción . La influencia de estos factores puede ser grande. La Figura 3.23, por ejemplo, muestra la variación del coeficiente de fricción con la temperatura para alúmina y zirco nia. deslizamiento en parejas autoensambladas en aire. El aumento marcado inicial en la fricción con la temperatura se ha atribuido a la eliminación de agua adsorbida de la interfaz. Los efectos de la temperatura interfacial en los procesos triboquímicos también se asumen a menudo como responsables de los cambios en la fricción con la velocidad de deslizamiento comúnmente observados en muchos sistemas cerámicos : la Figura 3.24 muestra resultados representativos para el nitruro de silicio y el carburo de silicio en el deslizamiento autoajustable, y comportamiento similar también se ha informado en alúmina y zirconia. La fractura también puede desempeñar un papel importante en algunos casos, como se ve en la figura 5.31 para el nitruro de silicio, donde está por encima de una velocidad de deslizamiento crítica. que en el conjunto de la fractura coincide con un fuerte aumento tanto en la fricción y es LIDING desgaste tasa.