Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
Les céramiques modernes, appelées industrielles, sont caractérisées par leur caractère réfractaire marqué, et par de grandes duretés. Leur médiocre ténacité explique leur sensibilité à la présence de défauts, d'où leur réputation d´être peu résistantes et cassantes. Elles concurrencent, pour la protection contre l´usure, les métaux durs (carbure de tungstène (WC)). La combinaison de leurs propriétés mécaniques, thermomécaniques et tribologiques est un avantage dans leur utilisation. Leur approvisionnement ne pose pas de problèmes critiques et leurs prix sont relativement stables. Cet article se concentre essentiellement sur leur comportement tribologique.
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Modern ceramics, known as “fine” ceramics, are characterized by their distinct refractory character and significant hardness. Their mediocre tenacity explains their sensitivity to the presence of defects, as well as their reputation for low resistance and breakage. Ceramics for protection against wear are in a competitive relationship with hard metals (tungsten carbide (WC)). Among all of the interesting characteristics of ceramics, their combinations in mechanical, thermomechanical and tribological properties are favorable for mechanical applications. In today´s understanding, ceramics are no critical raw materials and quite stable in prices. This article mainly focusses on their tribological behavior.
Auteur(s)
-
Mathias WOYDT : Docteur en Sciences des Matériaux de l’Université Technique de Berlin Directeur de la division « Tribologie et protection contre l’usure » à l’Institut fédéral pour la recherche et l’essai des matériaux (BAM), Berlin - Associé gérant de MATRILUB – Matériaux, Tribologie, Lubrification, Berlin
INTRODUCTION
Les céramiques modernes sont différentes des céramiques traditionnelles (carrelage, matériaux de construction, porcelaine) ; on les distingue par des adjectifs tels que « techniques », « industrielles » ou « thermomécaniques ».
Les céramiques industrielles sont caractérisées par leur caractère réfractaire marqué, et par de grandes duretés. Leur médiocre ténacité explique leur sensibilité à la présence de défauts, d’où leur réputation d’être peu résistantes et cassantes.
Les céramiques techniques sont utilisées pour :
-
leurs propriétés électriques ou diélectriques ;
-
leurs propriétés magnétiques et comme supraconducteurs ;
-
leurs propriétés optiques ;
-
leurs propriétés chimiques ;
-
leurs propriétés biologiques ;
-
leurs propriétés nucléaires.
Les céramiques se répartissent en quatre groupes : a. alumine (Al2O3), b. zircone (ZrO2), c. nitrure de silicium (Si3N4) et d. carbure de silicium (SiC). Mais on y trouve aussi des composés, comme le carbure de silicium infiltré par du silicium (SiSiC), ou la zircone renforcée par de l’alumine (ATZ pour Alumina Tonghened Zirconia) et l’alumine renforcée par la zircone (ZTA pour Zirconia Tonghened Alumina). Elles sont employées pour leurs propriétés mécaniques, thermo-mécaniques et tribologiques, ainsi que pour leur tenue face à la corrosion. Nous allons nous concentrer sur leur comportement tribologique, qui représente l’application principale des céramiques, notamment pour la protection contre l’usure et l’abrasion. La mise en forme des céramiques se distingue de celle des alliages métalliques. La transformation d’une matière première sous forme de poudre en un objet cohérent se fait par frittage à l’état solide (pas de fusion), ce qui limite la taille des pièces en céramiques. Les différentes classes de céramiques se sont imposées dans des applications diverses. On observe une plage de variation du taux d’usure sur 8-10 décades dans les applications. Cet article présente l’évolution des propriétés tribologiques des céramiques en fonction des sollicitations, ce qui permet d’identifier quelles nuances présentera un comportement favorable pour une application donnée.
Les céramiques sont également présentes dans des matériaux, sous forme d’alliages, additionnées de métaux, pour constituer des combinaisons dénommées composites à matrices métalliques, cermets, métaux durs. Ce type de matériaux ne seront pas détaillés dans ce document qui sera consacré principalement aux céramiques pures. Néanmoins, les propriétés tribologiques de quelques métaux durs ou cermets seront présentées pour mieux cerner le comportement tribologique des céramiques.
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KEYWORDS
friction | wear | silicon carbide | silicon nitride
VERSIONS
- Version archivée 1 de mars 2013 par Mathias WOYDT
DOI (Digital Object Identifier)
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Conclusion
En anglais
3. Mécanismes de fonctionnement
3.1 Facteurs initiant l’usure des céramiques
Les céramiques ne sont pas immunisées contre plusieurs mécanismes initiant la transition vers une usure sévère, tels que :
-
les transitions de phase (par exemple avec ZrO2) ;
-
la tension intergranulaire à cause des anisotropies élastiques et thermophysiques du cristal (par exemple avec Si3N4, Al2O3) ;
-
la sublimation des oxydes (par exemple avec WC, WO3) ;
-
la formation par tribo-oxydation de couches vitreuses (par exemple avec SiO2-B2O3, voir § 3.2) ;
-
la faible ténacité (faible résistance à la fissuration).
La faible diffusivité thermique de la zircone génère des fortes températures éclair dans les micro-aspérités. Si les températures éclair dans le tribocontact atteignent la région de stabilité de la phase cubique (environ 1 400 °C pour MgO-ZrO2 et environ 2 200 °C pour Y2O3-ZrO2 à 3 %mol), tous les constituants tétragonaux et monocliniques se transforment en phase cubique, ce qui induit une réduction du volume cristallographique et la création de contrainte résiduelle de traction à la surface (et entre les cristaux) , notamment dans les micro-aspérités. Cela explique la forte augmentation du taux d’usure lors de l’augmentation de la vitesse de glissement du fait de la fissuration (voir figure ...
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Mécanismes de fonctionnement
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - RICHARD (C.) - Tribology at high temperature : comparison of the tribological behaviour of ceramic composites against steel at 700 oC in unlubricated and water lubricated conditions. - 21th Int. Conf. on Surface Modification Technologies XXI (SMT21) – Paris. Sci Editors : T. S. Sudarshan and M. Jeandin – Valars Docs, 24/26 September 2007.
-
(2) - EFFNER (U.), WOYDT (M.) - Slip-rolling and machining of fine ceramics, - BAM research report No. 259, Berlin, ISBN 3-89701-976-0 (2003). https://opus4.kobv.de/opus4-bam/files/192/fb259_vt.pdf
-
(3) - CHEVALIER (J.), GREMILLARD (L.), VIRKAR (A.), CLARKE (D.) - The Tetragonal-Monoclinic Transformation in Zirconia : Lessons Learned and Future Trends, - J. Am. Ceram. Soc., 92 [9] 1901-1920 (2009).
-
(4) - KLAFFKE (D.) - Fretting Wear of Ceramics, - Tribology International, Vol. 22, No. 2, p. 89-101 (1989).
-
(5) - KLAFFKE (D.) - Rost – und säurebeständige Stähle bei ungeschmierter oszillierender Gleitbewegung, - Tribologie...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
International Conference and Exposition on Advanced Ceramics and -Composites, Daytona Beach (FL), États-Unis, http://www.ceramics.org
International Conference on High-Performance Ceramics (CICC), sites changeants
International Congress on Ceramics, sites changeants
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