Inconvénients des matériaux traditionnels résistants à l'usure
En effet, les matériaux ferreux sont depuis longtemps des options courantes pour les matériaux résistants à l'usure, l'acier au manganèse, la fonte blanche et l'acier allié étant parmi les plus utilisés. Cependant, ces matériaux présentent certains inconvénients. Par exemple, l'acier au manganèse austénitique offre une excellente ténacité, mais est relativement difficile à usiner. La fonte blanche ordinaire et la fonte blanche faiblement alliée offrent une bonne dureté et une bonne résistance à l'usure, mais souffrent d'une fragilité élevée, ce qui limite leur utilisation aux applications impliquant de faibles charges. Si les fontes blanches moyennement et fortement alliées ont permis de résoudre le problème de la fragilité, elles sont associées à des coûts de production nettement plus élevés.
L'usure, la corrosion et la rupture sont les principales causes de défaillance des composants d'équipements, fréquentes dans des secteurs tels que la métallurgie, la construction, l'énergie électrique et la mécanique. Parmi ces facteurs, l'usure est celui qui a l'impact le plus important sur les composants. En particulier pour les équipements de transport, l'usure des matériaux est responsable d'environ 80 % des défaillances, les matériaux résistants à l'usure traditionnels ne répondant plus aux exigences de service dans des conditions d'utilisation difficiles.
Dans les années 1980, plusieurs matériaux céramiques résistants à l'usure, tels que les borures, les carbures et les nitrures, ont progressivement émergé, suscitant d'importants investissements dans la recherche à travers le monde. Grâce à l'approfondissement des travaux, ces nouveaux matériaux céramiques résistants à l'usure sont de plus en plus utilisés dans les équipements industriels et les canalisations, en raison de leurs excellentes performances. En remplaçant les matériaux métalliques conventionnels, ils ont permis d'améliorer considérablement la durée de vie des équipements et leur capacité de fonctionnement continu.
Propriétés et caractéristiques des céramiques industrielles résistantes à l'usure
Les matériaux céramiques industriels occupent une place de choix dans le secteur des matériaux résistants à l'usure, principalement grâce aux propriétés et caractéristiques clés suivantes :
(1) Dureté et résistance élevées ;
(2) Excellente résistance à l'usure et longue durée de vie. Les tests ont montré que sa résistance à l'usure est 180 fois supérieure à celle de l'acier au manganèse et 118 fois supérieure à celle de l'acier moulé à haute teneur en chrome.
(3) Haute résistance aux chocs ;
(4) Résistance aux hautes températures. Liaison ferme et excellente résistance à la chaleur ;
(5) Légèreté. La densité des céramiques résistantes à l'usure est d'environ 3,6 g/cm³, soit seulement la moitié de celle de l'acier et du fer, ce qui peut réduire considérablement la charge de l'équipement.
(6) Large gamme d'applications et grande adaptabilité Les matériaux céramiques industriels de différents types peuvent être sélectionnés en fonction des exigences spécifiques de tous les équipements mécaniques soumis à une usure importante dans des systèmes tels que la pulvérisation, la préparation du charbon, le transport de matériaux, l'évacuation des cendres et l'élimination des poussières, qui sont largement utilisés dans les entreprises, notamment les centrales thermiques, les aciéries, les fonderies, les mines et les cimenteries.
Classification des céramiques industrielles résistantes à l'usure
Classés par matériau, les matériaux céramiques industriels résistants à l'usure les plus courants comprennent principalement les céramiques d'oxyde, les céramiques de carbure et les céramiques de nitrure.
(1) Céramiques industrielles résistantes à l'usure à base d'oxyde
Parmi les matériaux utilisés pour la fabrication de composants résistants à l'usure, les céramiques d'alumine constituent un exemple typique de matériaux céramiques industriels résistants à l'usure. Grâce à leur dureté élevée, leur excellente stabilité chimique et leur remarquable résistance à l'usure, les céramiques d'alumine sont largement utilisées dans des secteurs tels que la métallurgie, la pétrochimie et l'aérospatiale. Cependant, leur ténacité à la rupture relativement faible et leur faible résistance aux chocs thermiques ont limité leurs applications dans les domaines industriels, notamment ceux exigeant des propriétés mécaniques rigoureuses. L'introduction de certains composés dans les céramiques d'alumine permet d'améliorer efficacement leur ténacité, et par conséquent leur résistance à l'usure. C'est pourquoi les céramiques composites à matrice d'alumine représentent actuellement un axe de recherche et de développement majeur.
(2) Céramiques nitrurées résistantes à l'usure
Les céramiques nitrurées ont connu un développement relativement tardif, à partir des années 1970. Presque toutes sont produites par synthèse artificielle. Outre leur haute résistance et leur dureté élevée, elles présentent d'excellentes propriétés électriques et thermiques. Après des décennies de développement, les céramiques nitrurées telles que le nitrure de silicium, le nitrure d'aluminium et le nitrure de bore sont largement utilisées comme composants mécaniques à haute résistance, composants résistants à la corrosion et pièces résistantes à l'usure dans des secteurs comme l'aérospatiale, la mécanique et la métallurgie.
(3) Céramique résistante à l'usure au carbure
Les céramiques en carbure de bore présentent des propriétés chimiques extrêmement stables et leur dureté n'est surpassée que par celle du diamant et du nitrure de bore cubique (CBN), ce qui en fait d'excellents matériaux anti-usure et antifriction offrant de larges perspectives d'application dans les abrasifs, les roulements, les bagues d'étanchéité et les outils de coupe. Cependant, les propriétés tribologiques des céramiques B₄C sont fortement influencées par la température, la charge, la vitesse de frottement et les matériaux du couple de frottement ; il est donc essentiel de prendre pleinement en compte les conditions de travail et les facteurs environnementaux lors de leur utilisation pratique.
