fwjТрение и и износTitle in english0000-00000000-0000AGU10.32864/0202-4977-2024-45-4-279-288fwj-20Research ArticleСтатьиЗависимость триботехнических характеристик от механических свойств и фазовых превращений композиционной керамики на основе диоксида цирконияDependence of Tribotechnical Characteristics on Mechanical Properties and Phase Transformations of Zirconia Composite CeramicsДмитриевскийА. А.DmitrievskiyA. A.

Интернациональная, 33, г. Тамбов 392036

Internatsionalnaya Street, 33, Tambov 392036

aadmitr@yandex.ruЕфремоваН. Ю.EfremovaN. Yu.

Интернациональная, 33, г. Тамбов 392036

Internatsionalnaya Street, 33, Tambov 392036

ГригорьевГ. В.GrigorievG. V.

Интернациональная, 33, г. Тамбов 392036

Internatsionalnaya Street, 33, Tambov 392036

ВасюковВ. М.VasyukovV. M.

Интернациональная, 33, г. Тамбов 392036

Internatsionalnaya Street, 33, Tambov 392036

ОвчинниковП. Н.OvchinnikovP. N.

Интернациональная, 33, г. Тамбов 392036

Internatsionalnaya Street, 33, Tambov 392036

Тамбовский государственный университет имени Г.Р. ДержавинаРоссияDerzhavin Tambov State UniversityRussian Federation202426092026454279288Copyright © AGU, 20262026AGUAGUhttps://fwj.ejournal.by/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://fwj.ejournal.by/jour/article/view/20

Исследовано влияние добавки диоксида кремния (в интервале концентраций СSiO2 от 0 до 6 мол. %) в циркониевую керамику (стабилизированную в тетрагональной фазе оксидом кальция), упрочненную оксидом алюминия, на ее коэффициент трения и интенсивность износа. Обнаружено, что с повышением концентрации SiO2 обе характеристики испытывают немонотонные изменения с общей тенденцией к увеличению. Проведен сравнительный анализ зависимостей механических свойств (микротвердости, вязкости разрушения и индекса хрупкости), трансформируемости тетрагональной фазы t-ZrO2 и интенсивности износа от содержания SiO2 в исследуемой композиционной керамике. Показано, что немонотонный характер зависимости интенсивности износа от концентрации SiO2 обусловлен конкурентным влиянием изменений микротвердости, вязкости разрушения и трансформируемости t-ZrO2, вызванных введением диоксида кремния в керамику. Выдвинуто предложение о целесообразности изготовления кремнийсодержащей керамики (обладающей повышенными значениями вязкости разрушения и предела прочности на сжатие, а также запасом пластичности при комнатных температурах) с приповерхностным слоем, не содержащим SiO2, сохраняющим предпочтительные значения микротвердости, коэффициента трения и интенсивности износа.

The influence of silica addition (in the range of SiO2 concentrations from 0 to 6 mol. %) in aluminatoughened zirconia (stabilized in tetragonal phase by calcium oxide) on its friction coefficient and wear rate has been studied. It is found that with elevation of SiO2 concentration, both characteristics experience nonmonotonic changes with an overall increasing trend. The dependences comparative analysis of mechanical properties (microhardness, fracture toughness and brittleness index), tetragonal phase t-ZrO2 transformability and wear rate on SiO2 concentration in the investigated composite ceramics has been carried out. It is shown that the non-monotonic character of wear rate dependence on SiO2 concentration is due to the competitive influence of changes in microhardness, fracture toughness and t-ZrO2 transformability caused by the silica addition into ceramics. A proposal has been made on the feasibility of manufacturing silicon-containing ceramics (possessing increased values of fracture toughness and compressive strength, as well as plasticity reserve at room temperatures) with a near-surface SiO2-free layer retaining the preferred values of microhardness, friction coefficient and wear rate.

композиционная циркониевая керамикакоэффициент тренияинтенсивность износаиндекс хрупкостифазовые превращенияcomposite zirconia ceramicsfriction coefficientwear ratebrittleness indexphase transformationsReferencesGarvie R.C., Hannink R.H.J., and Pascoe R.T. Ceramic Steel? // Nature. — 1975 (258), 703—704. DOI: 10.1038/258703a0Garvie R.C., Hannink R.H.J., and Pascoe R.T. Ceramic Steel? // Nature. — 1975 (258), 703—704. DOI: 10.1038/258703a0Hannink R.H.J., Kelly P.M., Muddle B.C. Transformation Toughening in Zirconia-Containing Ceramics // J. Am. Ceram. Soc. — 2000 (83), 461—874. DOI: 10.1111/j.1151-2916.2000.tb01221.xHannink R.H.J., Kelly P.M., and Muddle B.C. Transformation Toughening in Zirconia-Containing Ceramics // J. Am. Ceram. Soc. — 2000 (83), 461—874. DOI: 10.1111/j.1151-2916.2000.tb01221.xGhaemi M.H., Reichert S., Krupa A. et al. Zirconia Ceramics with Additions of Alumina for Advanced Tribological and Biomedical Applications // Ceram. Int. — 2017 (43), 9746—9752. DOI: 10.1016/j.ceramint.2017.04.150Ghaemi M.H., Reichert S., Krupa A. et al. Zirconia Ceramics with Additions of Alumina for Advanced Tribological and Biomedical Applications // Ceram. Int. — 2017 (43), 9746—9752. DOI: 10.1016/j.ceramint.2017.04.150Калинина М.В., Ковалько Н.Ю., Суслов Д.Н. и др. Влияние высокопористой биокерамики на основе системы ZrO2–Y2O3–CeO2 на биологические ткани экспериментальных животных // Перспективные материалы. — 2020, № 7, 29—39. DOI: 10.30791/1028-978X-2020-7-29-39Kalinina M.V., Kovalko N.Yu., Suslov D.N. et al. Effect of Highly Porous Bioceramics Based on ZrO2–Y2O3–CeO2 System on the Biological Tissues of Experimental Animals // Inorganic Materials: Applied Research. — 2021 (12), 370—376. DOI: 10.1134/S2075113321020209Olhero S.M., Torres P.M.C., Mesquita-Guimaraes J. et al. Conventional Versus Additive Manufacturing in the Structural Performance of dense Alumina-Zirconia Ceramics: 20 Years of Research, Challenges and Future Perspectives // J. Manuf. Process. — 2022 (77), 838—879. DOI: 10.1016/j.jma-pro.2022.02.041Olhero S.M., Torres P.M.C., Mesquita-Guimaraes J. et al. Conventional Versus Additive Manufacturing in the Structural Performance of Dense Alumina-Zirconia Ceramics: 20 Years of Research, Challenges and Future Perspectives // J. Manuf. Process. — 2022 (77), 838—879. DOI: 10.1016/j.jma-pro.2022.02.041Chevalier J., Liens A., Reveron H. et al. Forty Years After the Promise of «Ceramic Steel?»: Zirconia-Based Composites with a Metal-Like Mechanical Behavior // J. Am. Ceram. Soc. — 2020 (103), 1482—1513. DOI: 10.1111/jace.16903Chevalier J., Liens A., Reveron H. et al. Forty Years after the Promise of «Ceramic Steel?»: Zirconia-Based Composites with a Metal-Like Mechanical Behavior // J. Am. Ceram. Soc. — 2020 (103), 1482—1513. DOI: 10.1111/jace.16903Калинина М.В., Федоренко Н.Ю., Арсентьев М.Ю., Тихонов П.А., Шилова О.А. Получение керамики ZrO2–3 мол. % Y2O3 с различной степенью тетрагональности и исследование низкотемпературной деградации // Физика и химия стекла. — 2021 (47), № 4, 456—467. DOI: 10.31857/S0132665121040090Kalinina M.V., Fedorenko N.Y., Arsent’ev M.Y., Tikhonov P.A., and Shilova O.A. Obtaining ZrO2–3 mol % Y2O3 Ceramics with Various Degrees of Tetragonality and Studying Low Temperature Degradation // Glass Physics and Chemistry. — 2021 (47), no. 4, 382—389. DOI: 10.1134/S108765962104009XTuron-Vinas M., Zhang F., Vleugels J., and Anglada M. Effect of Calcia Co-Doping on Ceria-Stabilized Zirconia // J. Eur. Ceram. Soc. — 2018 (38), 2621—2631. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2017.12.053Turon-Vinas M., Zhang F., Vleugels J., and Anglada M. Effect of Calcia Co-Doping on Ceria-Stabilized Zirconia // J. Eur. Ceram. Soc. — 2018 (38), 2621—2631. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2017.12.053Дмитриевский А.А., Жигачева Д.Г., Ефремова Н.Ю., Умрихин А.В. Стойкость фазового состава и механических свойств наноструктурированных композиционных керамик на основе CaO-ZrO2 к гидротермальным воздействиям // Российские нанотехнологии. — 2019 (14), № 3-4, 39—45. DOI: 10.21517/1992-7223-2019-3-4-39-45Dmitrievskii A.A., Zhigacheva D.G., Efremova N.Y., and Umrikhin A.V. Phase Composition Stability of Nanostructured Composite Ceramics Based on CaO-ZrO2 under Hydrothermal Impact // Nanotechnologies in Russia. — 2019 (14), nos. 3–4, 125—131. DOI: 10.1134/S1995078019020058Овчинников П.Н., Ефремова Н.Ю., Жигачева Д.Г. и др. Пластификация циркониевой керамики, упрочненной оксидом алюминия, при добавлении диоксида кремния // Вестник Московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана. Серия «Естественные науки». — 2023 (106), № 1, 117—128. DOI: 10.18698/1812-3368-2023-1-117-128Ovchinnikov P.N., Efremova N.Yu., Zhigacheva D.G. et al. Plasticization of Alumina Strengthened Zirconia Ceramics with the Silica Addition // Herald of the Bauman Moscow State Technical University, Series Natural Sciences. — 2023 (106), no. 1, 117—128. DOI: https://doi.org/10.18698/1812-3368-2023-1-117-128 (in Russian)Дмитриевский А.А., Жигачев А.О., Жигачева Д.Г., Родаев В.В. Влияние диоксида кремния на стабильность фазового состава и механические свойства керамики на основе диоксида циркония, упрочненной оксидом алюминия // ЖТФ. — 2020 (90), № 12, 2108—2117. DOI: 10.21883/JTF.2020.12.50128.84-20Dmitrievskii A.A., Zhigachev A.O., Zhigacheva D.G., and Rodaev V.V. The Influence of Silicon Dioxide on the Stability of the Phase Composition and Mechanical Properties of Alumina-Toughened Zirconia-Based Ceramics // Tech. Phys. — 2020 (65), no. 12, 2016—2025. DOI: 10.1134/S1063784220120075Liao Y.-l., Zhang F.-l., Pan X.-Yi. et al. A Comparative Study on Tribological Behavior of Al2O3, AlN, Si3N4 and ZrO2 Ceramics Sliding Against Polycrystalline Diamond Ball // Wear. — 2023 (530-531), 205067. DOI: 10.1016/j.wear.2023.205067Liao Y.-l., Zhang F.-l., Pan X.-Yi. et al. A Comparative Study on Tribological Behavior of Al2O3, AlN, Si3N4 and ZrO2 Ceramics Sliding Against Polycrystalline Diamond Ball // Wear. — 2023 (530-531), 205067. DOI: 10.1016/j.wear.2023.205067Ghaemi M.H., Reichert S., Krupa A. et al. Zirconia Ceramics with Additions of Alumina for Advanced Tribological and Biomedical Applications // Ceram. Int. — 2017 (43), no. 13, 9746—9752. DOI: 10.1016/j.ceramint.2017.04.150Ghaemi M.H., Reichert S., Krupa A. et al. Zirconia Ceramics with Additions of Alumina for Advanced Tribological and Biomedical Applications // Ceram. Int. — 2017 (43), no. 13, 9746—9752. DOI: 10.1016/j.ceramint.2017.04.150Duntu S.H., Agyapong J., Ahmad I., Islam M., and Boakye-Yiadom S. Combined Effect of Low ZrO2 Content and Carbon Nanostructures on Mechanical and Wear Properties of Hot-Pressed Al2O3/ZrO2 Hybrid Nanocomposites // Ceram. Int. — 2022 (48), 34803—34816. DOI: 10.1016/j.ceramint.2022.08.069Duntu S.H., Agyapong J., Ahmad I., Islam M., and Boakye-Yiadom S. Combined Effect of Low ZrO2 Content and Carbon Nanostructures on Mechanical and Wear Properties of Hot-Pressed Al2O3/ZrO2 Hybrid Nanocomposites // Ceram. Int. — 2022 (48), 34803—34816. DOI: 10.1016/j.ceramint.2022.08.069Акимов Г.Я., Чайка Э.В., Тимченко В.М., Маринин Г.А., Бурховецкий В.В. Износ керамики на основе диоксида циркония, стабилизированного оксидами магния и церия, при трении по стали без смазочного материала // Трение и износ. — 2009 (30), № 5, 511—515Akimov G.Ya., Chaika E.V., Timchenko V.M., Marinin G.A., and Burkhovetskii V.V. Wear of Ceramics Based on Zirconia Stabilized by Magnia and Ceria at Dry Friction Against Steel // Friction and Wear. — 2009 (30), no. 5, 373—376. DOI: 10.3103/S1068366609050122

The authors declare that there are no conflicts of interest present.