Obraz5 2

może wykazywać różnice wytrzymałości na zginanie nawet do 40%. Jest to istotna informacja, gdyż ceny materiałów wyjściowych mogą się różnić w skali 1:100. Przed przystąpieniem do modernizacji urządzenia należy wykonać analizę warunków pracy części ceramicznych również pod kątem ekonomiki zastosowania odpowiednich tworzyw.

Ceramiczne tworzywa konstrukcyjne

Podobnie jak w przypadku metali czy tworzyw sztucznych istnieje wiele rodzajów tworzyw ceramicznych o bardzo różnych własnościach użytkowych. Aktualnie inżynieria materiałów ceramicznych jest jedną z najbardziej dynamicznie rozwijających się dziedzin i praktycznie na bieżąco pojawiają się nowe tworzywa opracowywane na konkretne potrzeby. Najczęściej oczekuje się od tworzyw ceramicznych odporności na ścieranie i czynniki korozyjne przy odpowiednio wysokiej wytrzymałości, a także możliwości pracy w wysokiej temperaturze. Coraz istotniejsza staje się odporność na pęknięcia kruche, a w wielu przypadkach istotnym czynnikiem jest wysoka izolacyjność elektryczna.

Do wytwarzania ceramicznych części maszyn i urządzeń najczęściej stosuje się: tlenki, tleno-azotki, azotki i węgliki takich pierwiastków, jak glin, krzem, cyrkon. Materiały zawierające w składzie chemicznym tlen (tlenki, krzemiany, tleno-azotki) zaliczane są do ceramiki tlenkowej, natomiast węgliki i azotki stanowią przykład ceramiki beztlenowej.

W tabeli 1 zebrane są podstawowe parametry techniczne najpowszechniej stosowanych tworzyw porównane z własnościami stali stopowej.

Częstym powodem zastępowania części metalowych ceramicznymi jest korozyjność środowiska, w którym pracują. W tabeli 2 zamieszczone są orientacyjne dane o odporności tworzyw ceramicznych na czynniki agresywne.

Poszczególne własności przesądzają o konstrukcyjnych zastosowaniach ceramiki technicznej. Niektóre materiały zostały zaakceptowane przez konstruktorów i są standardowo stosowane. Przykładem są osie łożyskowane ceramiką w pompach pracujących na mediach zanieczyszczonych osadami mineralnymi. Rozwiązanie to, w którym wykorzystano wysoko spieczone tworzywa korundowe, na skalę masową zastosowały firmy produkujące pompy c.o. Obecnie rozszerzono pole zastosowań, obejmując pompy oczyszczalni ścieków, fontann, basenów i akwariów.

W chemii i farmaceutyce to samo rozwiązanie znajduje zastosowanie z innych względów. Pompy i mieszadła łożyskowane ceramiką mogą pracować w skrajnie agresywnych środowiskach, nie wymagając stosowania skomplikowanych, drogich uszczelnień.

Łożyskowania ceramiczne pracują w wysokich temperaturach. Klasyczne rozwiązania polegają na chłodzeniu łożysk, a tam, gdzie nie jest to możliwe, np. w piecach piekarniczych, na zastosowaniu odpowiednich luzów wstępnych. To drugie rozwiązanie ma ograniczony zakres stosowania na skutek degradacji własności mechanicznych stali łożyskowych ze wzrostem temperatury. Spadek wytrzymałości w miarę podnoszenia temperatury jest dla metali znacznie gwałtowniejszy niż dla ceramiki, powyżej pewnej krytycznej temperatury stosowanie ceramiki staje się jedynym możliwym rozwiązaniem. Na przykład stal wolframowa do pracy na gorąco w 100 °C wykazuje wytrzymałość na ściskanie ponad 1400 MPa, lecz w temperaturze 550 °C już tylko ok. 400 MPa. W tej samej temperaturze 550 °C azotek krzemu wykazuje ponad trzykrotnie wyższą wytrzymałość.

Innym, upowszechniającym się obecnie zastosowaniem ceramiki są nurniki pomp wysokociśnieniowych. Pompy wytwarzające ciśnienie powyżej 100 barów powiększają obszar zastosowań nie tylko w procesach produkcyjnych, ale coraz szerzej wkraczają do gospodarstw domowych jako myjki czy spryskiwacze. Zastosowanie nurników ceramicznych zwiększyło kilkakrotnie okres użytkowania pomp i przyczyniło się do wzrostu zainteresowania tymi urządzeniami.

Można przyjąć, że zastosowanie ceramiki z wykorzystaniem jej wysokiej odporności na ścieranie prowadzi do przeciętnie 8-10-krotnego zwiększenia żywotności, natomiast wykorzystanie pełnej odporności chemicznej daje efekty w postaci kilkudziesięciokrotnego wydłużenia okresu użytkowania.

Praktyczne wskazówki

Ze względu na różnorodność tworzyw ceramicznych i specyfikę ich własności podczas podejmowania decyzji o zastosowaniu części ceramicznej trzeba zasięgnąć opinii specjalisty. Dobór tworzywa oraz technologii wykonania elementu zależy od dokładnego poznania warunków pracy części proponowanej do zastąpienia.

Analizując możliwość poprawienia niezawodności eksploatacji urządzenia, należy wyselekcjonować węzły konstrukcyjne, których:

awaryjność wpływa na proces technologiczny, wymiana jest praco- i czasochłonna.