Keraamisen pumpun kulumiskestävyysarvot: kumpi on kriittisempi – Mohsin kovuus, HV-kovuus vai murtumissitkeys?
Jos keraamisen pumpun kulutuskestävyys on käsillä oleva aihe, on periaatteessa yksi perustavanlaatuinen tosiasia: mikään yksittäinen testi ei anna täydellistä kuvaa. Se, miten keramiikka kestää, riippuu sekä kovuuden että sitkeyden yhdistelmästä, ei toisesta tai toisesta.
Mohsin asteikko on naarmuuntumiseen perustuva menetelmä, jolla luokitellaan materiaaleja, joiden perusteella voidaan naarmuttaa toisia, talkista (1) timanttiin (10). Suunniteltu keramiikka onnistuu todella hyvin: alumiinioksidin ja zirkoniumoksidin arvosanat ovat yleensä 8–9 ja piikarbidi voi nousta aina 9,5:een, eli juuri ennen timanttia.
Asteikko on helppo ymmärtää, mutta se on myös sen suurin haittapuoli. Siinä on vain 10 tasoa, ja niiden väliset erot eivät ole yhdenmukaisia. Se ei voi erottaa materiaaleja, jotka kaikki kuuluvat ylemmälle alueelle. Mohs toimii hyvin perusseulontatyökaluna – se vahvistaa materiaalin olevan kovaa – mutta se ei kerro, kuinka hyvin se kestää kulutusta ajan myötä.
Vickers Hardness (HV): Tarkempi kulumismittari
Vickers-kovuus käyttää timantin muotoista pyramidia painamaan sisennystä materiaalin pintaan; kovuus lasketaan kyseisen sisennyksen koosta. Se kattaa paljon laajemman ja yksityiskohtaisemman alueen kuin Mohs. Tavallisille pumpun keramiikan tyypilliset arvot ovat:
※ Piikarbidi: noin 2 500 - 3 000 HV
※ Alumiinioksidi: noin 1 800 - 2 200 HV
※Zirkoniumoksidi: noin 1 200 - 1 500 HV
Korkeampi HV tarkoittaa parempaa kestävyyttä sellaisille paikallisille muodonmuutoksille, jotka antavat hiukkasten ja hankaavien hiukkasten vetyä uria pintoihin. Liukuvassa tai hankaavassa kulutuksessa HV on paljon paremmin linjassa todellisen kulumisasteen kanssa kuin Mohs. Suuret keramiikan valmistajat, mukaan lukien Kyocera, luottavat Vickersiin kulumissuorituskyvyn mittarina.
HV:llä on kuitenkin selvä raja: se mittaa vastustuskykyä työntämiselle, ei osumiselle tai shokille.
Murtumislujuus: huomiotta jätetty tekijä
Keramiikan perustavanlaatuinen haittapuoli on sen hauraus. Murtolujuus (KIC) kertoo, kuinka hyvin materiaali kestää halkeamien kasvua – kun pieni halkeama muodostuu, KIC määrittää, pysyykö se paikallaan vai leviääkö se, kunnes osa rikkoutuu.
Keraamiset pumput eivät käsittele vain hidasta raapimista hankaavista hiukkasista. Ne kestävät myös toistuvia iskuja romahtavista kavitaatiokupista, nopeista iskuista pumpatussa nesteessä olevista kovista kiinteistä aineista ja mekaanisesta tärinästä aina, kun yksikkö käynnistyy tai pysähtyy. Noissa dynaamisissa olosuhteissa korkea kovuus ei yksin riitä. Jos sitkeys on liian alhainen, materiaali halkeilee tai särkyy, ja kuluminen voi nousta pilviin yön aikana.
Tässä on johdonmukainen kuvio: hauraissa materiaaleissa, kuten keramiikassa, murtolujuus usein sanelee kulumisen. Kovuus on tärkeämpi sitkeiden materiaalien kohdalla, mutta keramiikassa KIC:llä on paljon enemmän painoa kuin useimmat ihmiset ymmärtävät.
Kuinka nämä kaksi toimivat yhdessä: Kovuuden ja sitkeyden vaihtosuhde
Keramiikassa korkean kovuuden omaavat materiaalit ovat yleensä vähemmän sitkeitä ja päinvastoin. Alumiinioksidi on kovempaa, mutta vähemmän sitkeää, kun taas zirkoniumoksidi on vain hieman pehmeämpää, kun taas sen mekaaninen halkeilulujuus on sellainen, että sen halkeaman etenemisvastus voi olla välillä 6-8 MPa·m¹ᐟ² tai jopa enemmän. Yhdessä testattuna zirkoniumoksidin ylivoimainen sitkeys piilottaa tehokkaasti keramiikan haurauden, mikä yleensä heikentää kestävyyttä ja useimmissa tapauksissa päätyy kestävämpään komponenttiin. Tämä johtaa skenaarioon, jossa tietyllä kovuustasolla hieman sitkeämpi keramiikka toimii todennäköisesti paremmin todellisissa käyttöolosuhteissa.
Toisaalta, jos sovelluksesi on puhdasta liukumista lähes ilman iskuja tai iskuja, kovemmalla materiaalilla on etu.
Oikean materiaalin valitseminen: Yhdistä ominaisuudet olosuhteisiin
Ei ole yleispätevää vastausta siihen, mikä ominaisuus on tärkein – kaikki riippuu siitä, kuinka pumppu todella toimii.
Lietteet, joissa on kovia hiukkasia, tasainen virtaus, alhainen vaikutus: Priorisoi HV. Piikarbidi tai erittäin puhdas alumiinioksidi tarjoavat parhaan suorituskyvyn suorassa liukuvassa kulumisskenaariossa.
Kavitaatio, sykkivä nestevirta, järjestelmän toistuva käynnistys ja pysäytys sekä jatkuva suuri hiukkasten nopeus ovat resepti äkilliseen halkeiluilmiöön, jota kutsutaan jännityskorroosiohalkeamiseksi ja muihin vastaaviin murtumisvikatiloihin. Murtumissitkeys on tässä pääroolissa. Zirkoniumoksidilla ja zirkonialla karkaistulla alumiinioksidilla (ZTA) materiaaleilla on huomattavasti parempi kestävyys halkeamien muodostumista ja leviämistä vastaan; Näin he voivat välttää katastrofaaliset odottamattomat epäonnistumisskenaariot.
Syövyttävät ympäristöt: Kemiallinen stabiilisuus voittaa kovuuden. Jos materiaali reagoi pumppaamansa kanssa, kaikki kovuusreuna katoaa nopeasti.
Käytännöllinen, vaiheittainen lähestymistapa toimii parhaiten:
Käytä Mohsia saadaksesi nopean ensipassin vahvistuksen, että tarkastelet suunniteltua keramiikkaa, ei alemman luokan materiaalia.
Käytä HV:tä vertaillaksesi samanlaisia materiaaleja ja arvioidaksesi, kuinka ne kestävät liukumista.
Käytä murtolujuutta arvioidaksesi, kestääkö materiaali iskuja, tärinää ja muuttuvia kuormituksia järjestelmässäsi.
Kovuus määrittää, kuinka nopeasti kuluminen alkaa. Kovuus ratkaisee, milloin se loppuu vai päättyykö. Ohita jompikumpi, ja kulutuskestävyyden arviosi on epätäydellinen.
