TWORZYWA

TWORZYWA

NIEMETALO

NIEMETALO

WE

WE

Specjalne materiały ceramiczne są wytwarzane

z otrzymywanych syntetycznie tlenków (gł. glinu,
cyrkonu), azotków (np. krzemu, boru, tytanu, glinu),
węglików. Proszki tych związków zagęszcza się i spieka w
wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem. Tak
uzyskane materiały odgrywają wielką rolę w technice,
m.in. jako warstwy (np. z węglików spiekanych lub
diamentowe, nakładane na rdzenie metalowe w celu
zwiększenia ich stabilności termicznej, odporności na
zużycie
i korozję), jako materiały ścierne, jako materiały do
wytwarzania biokompatybilnych implantów (np. z tlenku
glinu, Al

2

O

3

, lub hydroksyapatytu, Ca

10

(PO

4

)

6

(OH)

2

).

Materiały ceramiczne są też stosowane jako

napełniacze (nazywane niekiedy wypełniaczami); są to:
proszki ceramiczne (krzemionka, glinokrzemiany, węglany
wapnia i magnezu, sadze, grafit) dodawane w dużych
ilościach do elastomerów w celu obniżenia kosztów
wytwarzania wyrobów lub nadania im korzystnych
właściwości. W technice zapisu i odtwarzania informacji
istotne znaczenie mają materiały ceramiczne o
właściwościach magnetycznych, np. tlenek żelaza,
chromu, ferryt barowy.
Specjalne materiały ceramiczne o właściwościach
piezoelektrycznych (cyrkonian i tytanian ołowiu),
ferroelektrycznych, również reagujące zmianami
właściwości optycznych na fluktuacje pola elektrycznego,
elektrostrykcyjnych znajdują zastosowanie jako czujniki
(sensory), przekaźniki i podzespoły w wielu układach
elektronicznych.

SPIEKI CERAMICZNE

SPIEKI CERAMICZNE

Spiek

Spiek

- półwyrób lub wyrób gotowy otrzymany z

- półwyrób lub wyrób gotowy otrzymany z

proszków przez spiekanie (metalurgia proszków).

proszków przez spiekanie (metalurgia proszków).

Zależnie od doboru składników rozróżnia się:

Zależnie od doboru składników rozróżnia się:

- spieki proste, jednoskładnikowe

- spieki proste, jednoskładnikowe

- spieki złożone, wielofazowe.

- spieki złożone, wielofazowe.

Do najważniejszych spieków złożonych zalicza się:

Do najważniejszych spieków złożonych zalicza się:



pseudostopy,

pseudostopy,



spieki ceramiczno-metalowe,

spieki ceramiczno-metalowe,



spieki grafitowo-metalowe (łączące własności grafitu z

spieki grafitowo-metalowe (łączące własności grafitu z

własnościami metalu, którym bywa najczęściej miedź,

własnościami metalu, którym bywa najczęściej miedź,

żelazo lub brąz)

żelazo lub brąz)



spieki diamentowo-metalowe

spieki diamentowo-metalowe

Spiekami ceramicznymi

Spiekami ceramicznymi

nazywa się wyroby lub

nazywa się wyroby lub

półwyroby wytwarzane ze spiekanych tlenków, siarczków,

półwyroby wytwarzane ze spiekanych tlenków, siarczków,

węglików, azotków, borków, krzemków itd. z

węglików, azotków, borków, krzemków itd. z

ewentualnymi dodatkami ułatwiającymi proces

ewentualnymi dodatkami ułatwiającymi proces

formowania. Zależnie od doboru składników rozróżnia się

formowania. Zależnie od doboru składników rozróżnia się

spieki proste, jednoskładnikowe (np. tlenkowe, azotkowe,

spieki proste, jednoskładnikowe (np. tlenkowe, azotkowe,

borkowe) i spieki złożone, wielofazowe (np. tlenkowo-

borkowe) i spieki złożone, wielofazowe (np. tlenkowo-

węglikowe). Wśród tych ostatnich wyróżnia się grupę

węglikowe). Wśród tych ostatnich wyróżnia się grupę

spieków ceramiczno-metalowych (tzw. cermetów),

spieków ceramiczno-metalowych (tzw. cermetów),

zawierających składniki metalowe i ceramiczne

zawierających składniki metalowe i ceramiczne

.

.

Spieki ceramiczne cechuje brak jednorodności

Spieki ceramiczne cechuje brak jednorodności

fizycznej oraz porowatość, zależna od rodzaju materiału i

fizycznej oraz porowatość, zależna od rodzaju materiału i

stopnia spieczenia. Zwykle charakteryzują się one wysoką

stopnia spieczenia. Zwykle charakteryzują się one wysoką

temperaturą topnienia, dużą twardością, dużą

temperaturą topnienia, dużą twardością, dużą

odpornością na korozyjne

odpornością na korozyjne

i erozyjne działania gazów o wysokich temperaturach,

i erozyjne działania gazów o wysokich temperaturach,

dużą wytrzymałością na ściskanie i kruchością. Znajdują

dużą wytrzymałością na ściskanie i kruchością. Znajdują

coraz szersze zastosowanie jako tworzywa na ogniotrwały

coraz szersze zastosowanie jako tworzywa na ogniotrwały

sprzęt laboratoryjny, na tygle do topienia metali,

sprzęt laboratoryjny, na tygle do topienia metali,

elementy grzejne, świece do silników spalinowych, części

elementy grzejne, świece do silników spalinowych, części

silników lotniczych i rakiet, części turbin gazowych, a

silników lotniczych i rakiet, części turbin gazowych, a

także na elementy konstrukcyjne.

także na elementy konstrukcyjne.

W przemyśle lotniczym, jak dotąd, najczęściej

W przemyśle lotniczym, jak dotąd, najczęściej

wykorzystuje się tlenkowe spieki ceramiczne, zwłaszcza z

wykorzystuje się tlenkowe spieki ceramiczne, zwłaszcza z

tlenku aluminium.

tlenku aluminium.

Te ostatnie często nazywa się spiekami korundowymi.

Te ostatnie często nazywa się spiekami korundowymi.

SPIEKANY TLENEK ALUMINIUM

SPIEKANY TLENEK ALUMINIUM

Spieki kordundowe zalicza

Spieki kordundowe zalicza

,

,

się do spieków

się do spieków

wysokoogniotrwałych (temperatura topnienia Al

wysokoogniotrwałych (temperatura topnienia Al

2

2

O

O

3

3

wynosi 2050°C).

wynosi 2050°C).

Ich gęstość waha się w granicach

Ich gęstość waha się w granicach

ciepło właściwe w zakresie temperatur

ciepło właściwe w zakresie temperatur

opór właściwy w temperaturze otoczenia

opór właściwy w temperaturze otoczenia

Własności wytrzymałościowe spieczonego tlenku

Własności wytrzymałościowe spieczonego tlenku

aluminium zależą od wielu czynników fizycznych,

aluminium zależą od wielu czynników fizycznych,

chemicznych i technologicznych. Na przykład wpływ na te

chemicznych i technologicznych. Na przykład wpływ na te

własności wywiera stopień rozdrobnienia surowców

własności wywiera stopień rozdrobnienia surowców

wyjściowych. Orientacyjną wytrzymałość na rozciąganie i

wyjściowych. Orientacyjną wytrzymałość na rozciąganie i

ściskanie spieków korundowych

ściskanie spieków korundowych

w funkcji temperatury pokazano na kolejnym slajdzie

w funkcji temperatury pokazano na kolejnym slajdzie

3

95

,

3

75

,

3

cm

g



 

C

g

J

C

0

0

09

,

1

900

20







m

m 





17

10

1

Rys.1. Wpływ temperatury na wytrzymałość spiekanego tlenku aluminium:
a) na rozciąganie,
b) na ściskanie

Jak widać, spieki korundowe cechuje wysoka

Jak widać, spieki korundowe cechuje wysoka

twardość i stosunkowo wysoka wytrzymałość, również w

twardość i stosunkowo wysoka wytrzymałość, również w

temperaturach podwyższonych. Jednocześnie są one

temperaturach podwyższonych. Jednocześnie są one

bardzo odporne na korozyjne i erozyjne działanie

bardzo odporne na korozyjne i erozyjne działanie

rozpalonych gazów, wykazują ponadto dobre własności

rozpalonych gazów, wykazują ponadto dobre własności

dielektryczne. Stąd ich przydatność w budowie samolotów

dielektryczne. Stąd ich przydatność w budowie samolotów

i rakiet, m.in. na dysze wylotowe silników odrzutowych,

i rakiet, m.in. na dysze wylotowe silników odrzutowych,

głowice rakiet i pocisków kierowanych, osłony anten

głowice rakiet i pocisków kierowanych, osłony anten

radiolokacyjnych itd. Stosowane są również jako ochronne

radiolokacyjnych itd. Stosowane są również jako ochronne

powłoki ogniotrwałe, którymi pokrywa się powierzchnie

powłoki ogniotrwałe, którymi pokrywa się powierzchnie

elementów wykonanych z metali (np. stopów molibdenu,

elementów wykonanych z metali (np. stopów molibdenu,

tantalu, stali nierdzewnych) lub grafitu. W tej postaci są

tantalu, stali nierdzewnych) lub grafitu. W tej postaci są

używane m.in. do pokrywania łopatek turbin gazowych, a

używane m.in. do pokrywania łopatek turbin gazowych, a

także części aparatury wysokotemperaturowej. Grubość

także części aparatury wysokotemperaturowej. Grubość

powłok wynosi 0,125 - 2,50 mm, porowatość 1-16%, w

powłok wynosi 0,125 - 2,50 mm, porowatość 1-16%, w

zależności od sposobu nanoszenia

zależności od sposobu nanoszenia

Spieki korundowe są szeroko stosowane również na

Spieki korundowe są szeroko stosowane również na

izolatory świec zapłonowych silników wewnętrznego

izolatory świec zapłonowych silników wewnętrznego

spalania (iskrowych). Izolatory te muszą wykazywać

spalania (iskrowych). Izolatory te muszą wykazywać

odporność na działanie wysokich temperatur i ich

odporność na działanie wysokich temperatur i ich

gwałtowne zmiany, dużą przewodność cieplną i

gwałtowne zmiany, dużą przewodność cieplną i

odporność na działanie czynników chemicznych, a

odporność na działanie czynników chemicznych, a

ponadto gazoszczelność i odporność na przebicie

ponadto gazoszczelność i odporność na przebicie

elektryczne, czyli te własności, które charakteryzują

elektryczne, czyli te własności, które charakteryzują

spieczony tlenek aluminium.

spieczony tlenek aluminium.

Izolatory lotniczych świec zapłonowych produkowane

Izolatory lotniczych świec zapłonowych produkowane

przez różne firmy zawierają 87-98 % Al

przez różne firmy zawierają 87-98 % Al

2

2

O

O

3

3

oraz określone

oraz określone

ilości takich tlenków, jak SiO

ilości takich tlenków, jak SiO

2

2

, Fe

, Fe

2

2

O

O

3

3

, CaO, MgO i in.

, CaO, MgO i in.

Trzeba jednak podkreślić, że w miarę zmniejszania

Trzeba jednak podkreślić, że w miarę zmniejszania

zawartości tlenku aluminium następuje wyraźne

zawartości tlenku aluminium następuje wyraźne

pogorszenie niektórych własności użytkowych świec.

pogorszenie niektórych własności użytkowych świec.

SPIEKANY TLENEK BERYLU

SPIEKANY TLENEK BERYLU

Drugą grupę tlenkowych spieków ceramicznych, mających

Drugą grupę tlenkowych spieków ceramicznych, mających

zastosowanie w przemyśle lotniczym, stanowi spiekany tlenek

zastosowanie w przemyśle lotniczym, stanowi spiekany tlenek

berylu. Charakteryzuje się on temperaturą topnienia ok. 2550°C

berylu. Charakteryzuje się on temperaturą topnienia ok. 2550°C

i gęstością 3,025 g/cm

i gęstością 3,025 g/cm

3

3

. Natomiast gęstość spiekanych

. Natomiast gęstość spiekanych

kształtek waha się od 2,70 do 2,95 g/cm

kształtek waha się od 2,70 do 2,95 g/cm

3

3

, gdyż obok porów

, gdyż obok porów

typowych dla wyrobów spiekanych występuje w nich znaczna

typowych dla wyrobów spiekanych występuje w nich znaczna

porowatość wewnątrzkrystaliczna. Pory te nie łączą się jednak

porowatość wewnątrzkrystaliczna. Pory te nie łączą się jednak

ze sobą, dzięki czemu spieki berylowe są cieczo- i gazoszczelne

ze sobą, dzięki czemu spieki berylowe są cieczo- i gazoszczelne

(również w wysokich temperaturach). Przewodność cieplna

(również w wysokich temperaturach). Przewodność cieplna

spieków berylowych jest znacznie wyższa od przewodności

spieków berylowych jest znacznie wyższa od przewodności

cieplnej innych spieków tlenkowych. Ponadto spieki te cechuje

cieplnej innych spieków tlenkowych. Ponadto spieki te cechuje

duże ciepło właściwe i mały współczynnik rozszerzalności

duże ciepło właściwe i mały współczynnik rozszerzalności

cieplnej, co powoduje, że są one bardzo odporne na

cieplnej, co powoduje, że są one bardzo odporne na

gwałtowne zmiany temperatury (najbardziej ze wszystkich

gwałtowne zmiany temperatury (najbardziej ze wszystkich

spieków ceramicznych). Wykazują także dobrą odporność

spieków ceramicznych). Wykazują także dobrą odporność

chemiczną i dobrze się łączą z różnymi

chemiczną i dobrze się łączą z różnymi

metalami.Wytrzymałość na rozciąganie ok. 100, wytrzymałość

metalami.Wytrzymałość na rozciąganie ok. 100, wytrzymałość

na ściskanie ok. 800 MPa. Trzeba jednak pamiętać, że własności

na ściskanie ok. 800 MPa. Trzeba jednak pamiętać, że własności

mechaniczne w dużym stopniu zależą od gęstości spieku.

mechaniczne w dużym stopniu zależą od gęstości spieku.

Rys.2. Wpływ temperatury na wytrzymałość spiekanego tlenku berylu:

a) na rozciąganie,b) na ściskanie

Omówione własności spieczonego tlenku berylu są

Omówione własności spieczonego tlenku berylu są

przyczyną dużego zainteresowania konstruktorów. W

przyczyną dużego zainteresowania konstruktorów. W

ostatnich latach spieki berylowe zaczęto z powodzeniem

ostatnich latach spieki berylowe zaczęto z powodzeniem

stosować m.in. na elementy silników lotniczych oraz

stosować m.in. na elementy silników lotniczych oraz

głowice rakiet i pocisków kierowanych. Wytwarza się z

głowice rakiet i pocisków kierowanych. Wytwarza się z

nich również ochronne powłoki ogniotrwałe o porowatości

nich również ochronne powłoki ogniotrwałe o porowatości

do 78% i temperaturze stosowania do 1750°C, mające

do 78% i temperaturze stosowania do 1750°C, mające

zastosowanie w komorach spalania silników rakietowych

zastosowanie w komorach spalania silników rakietowych

oraz jako ekrany cieplne. Ze spieków berylowych

oraz jako ekrany cieplne. Ze spieków berylowych

wytwarza się także tygle do topienia metali. Stanowią one

wytwarza się także tygle do topienia metali. Stanowią one

poza tym cenne tworzywo do budowy aparatury jądrowej,

poza tym cenne tworzywo do budowy aparatury jądrowej,

dzięki niskiej wartości krytycznego przekroju czynnego

dzięki niskiej wartości krytycznego przekroju czynnego

pochłaniania neutronów.

pochłaniania neutronów.

INNE TLENKI SPIEKOWE

INNE TLENKI SPIEKOWE

Oprócz omówionych spieków korundowych i

Oprócz omówionych spieków korundowych i

berylowych,

berylowych,

w budowie samolotów i rakiet znajdują określone

w budowie samolotów i rakiet znajdują określone

zastosowanie również inne tlenki wysokoogniotrwałe, np.

zastosowanie również inne tlenki wysokoogniotrwałe, np.

MgO, ZrO

MgO, ZrO

2

2

, ThO

, ThO

2

2

, TiO

, TiO

2

2

, ich mieszaniny, a także złożone

, ich mieszaniny, a także złożone

minerały tlenkowe, jak ZrSiO

minerały tlenkowe, jak ZrSiO

4

4

czy MoSiO

czy MoSiO

4

4

. Wykorzystuje

. Wykorzystuje

się je przede wszystkim do wytwarzania cienko- i

się je przede wszystkim do wytwarzania cienko- i

grubościennych powłok chroniących metalowe części

grubościennych powłok chroniących metalowe części

silników, rakiet i pocisków przed działaniem wysokich

silników, rakiet i pocisków przed działaniem wysokich

temperatur, korozji i erozji. Badane są możliwości

temperatur, korozji i erozji. Badane są możliwości

wykonywania z nich łopatek turbin

wykonywania z nich łopatek turbin

.

.

Na osobną uwagę zasługuje tzw. ceramika litowa,

Na osobną uwagę zasługuje tzw. ceramika litowa,

charakteryzująca się b. małą rozszerzalnością cieplną, a nawet

charakteryzująca się b. małą rozszerzalnością cieplną, a nawet

w określonych zakresach temperatury — ujemną

w określonych zakresach temperatury — ujemną

rozszerzalnością. Składa się ona z LiO

rozszerzalnością. Składa się ona z LiO

9

9

, Al

, Al

2

2

O

O

3

3

i SiO

i SiO

2

2

zmieszanych w różnych stosunkach. Ceramika litowa,

zmieszanych w różnych stosunkach. Ceramika litowa,

odznaczająca się szczególną odpornością na zmęczenie

odznaczająca się szczególną odpornością na zmęczenie

cieplne, znajduje zastosowanie na łopatki turbin i wykładziny

cieplne, znajduje zastosowanie na łopatki turbin i wykładziny

dysz silników odrzutowych. Produkowane są z niej także wyroby

dysz silników odrzutowych. Produkowane są z niej także wyroby

ognioodporne do celów technicznych, osłony termopar, części

ognioodporne do celów technicznych, osłony termopar, części

termostatów itd.

termostatów itd.

Cennymi własnościami użytkowymi charakteryzuje się

Cennymi własnościami użytkowymi charakteryzuje się

ceramika kwarcowa, tworzywo otrzymywane ze szkła

ceramika kwarcowa, tworzywo otrzymywane ze szkła

kwarcowego metodami technologii ceramicznej, zawierające

kwarcowego metodami technologii ceramicznej, zawierające

99,5+99,9%

99,5+99,9%

SiO

SiO

2

2

. Główne jej cechy to mały współczynnik

. Główne jej cechy to mały współczynnik

rozszerzalności cieplnej, małe przewodnictwo cieplne, wysoka

rozszerzalności cieplnej, małe przewodnictwo cieplne, wysoka

odporność chemiczna i cieplna. Stosowana jest m.in. na głowice

odporność chemiczna i cieplna. Stosowana jest m.in. na głowice

rakiet (np. w amerykańskiej rakiecie Titan) i osłony anten

rakiet (np. w amerykańskiej rakiecie Titan) i osłony anten

radiolokacyjnych, a w postaci spienionej jako osłony izolujące

radiolokacyjnych, a w postaci spienionej jako osłony izolujące

cieplnie

cieplnie

Spieki ceramiczno-metalowe

Spieki ceramiczno-metalowe

Spiekami ceramiczno-metalowymi, albo krótko
cermetalami, nazywa się materiały uzyskane przez
połączenie proszków ceramicznych z metalami, różnymi
metodami stosowanymi w metalurgii i ceramice
proszków.

Najważniejsze z nich to:

Najważniejsze z nich to:

a)

a)

bezpośrednie spiekanie, jeśli metal i materiał

bezpośrednie spiekanie, jeśli metal i materiał

ceramiczny zwilżają się wzajemnie;

ceramiczny zwilżają się wzajemnie;

b)

b)

spiekanie materiału ceramicznego z tlenkiem metalu,

spiekanie materiału ceramicznego z tlenkiem metalu,

który następnie redukuje się do czystego metalu;

który następnie redukuje się do czystego metalu;

c)

c)

spiekanie laminatów proszków ceramicznych i

spiekanie laminatów proszków ceramicznych i

metalowych;

metalowych;

d)

d)

prasowanie w atmosferze ochronnej w temperaturze

prasowanie w atmosferze ochronnej w temperaturze

powyżej 1000°C i pod ciśnieniem powyżej 25 MPa;

powyżej 1000°C i pod ciśnieniem powyżej 25 MPa;

e)

e)

spiekanie przy użyciu aktywnych metali lub ich stopów.

spiekanie przy użyciu aktywnych metali lub ich stopów.

Ponadto stosuje się wiązanie metalu z materiałem

Ponadto stosuje się wiązanie metalu z materiałem

ceramicznym za pośrednictwem bezpostaciowych faz

ceramicznym za pośrednictwem bezpostaciowych faz

szklistych.

szklistych.

Cermetale klasyfikuje się:

Cermetale klasyfikuje się:

wg. składnika ceramicznego:

wg. składnika ceramicznego:

-

-

tlenkowe,

tlenkowe,

-

-

węglikowe itd.

węglikowe itd.

wg. zastosowania:

wg. zastosowania:

-

-

konstrukcyjne,

konstrukcyjne,

-

-

narzędziowe,

narzędziowe,

-

-

żaroodporne,

żaroodporne,

-

-

dla elektrotechniki,

dla elektrotechniki,

-

-

dla energetyki,

dla energetyki,

-

-

dla energetyki jądrowej,

dla energetyki jądrowej,

wg. struktury:

wg. struktury:

-

-

o szkielecie ceramicznym,

o szkielecie ceramicznym,

-

-

o szkielecie metalowym,

o szkielecie metalowym,

-

-

o równomiernym rozkładzie obu faz,

o równomiernym rozkładzie obu faz,

-

-

o ziarnach jednej fazy otoczonych przez fazę drugą,

o ziarnach jednej fazy otoczonych przez fazę drugą,

-

-

zawierające fazy pośrednie

zawierające fazy pośrednie

-

-

o budowie warstwowej

o budowie warstwowej

.

.

Cermetale

Cermetale

- są to spieki ceramiczno-metalowe,

- są to spieki ceramiczno-metalowe,

powstają

powstają

w wyniku spiekania proszków ceramicznych (tlenek

w wyniku spiekania proszków ceramicznych (tlenek

aluminium)

aluminium)

z metalowymi, takimi jak:

z metalowymi, takimi jak:

- węglik tytanu (cermetal tytanowy- twardość większa od

- węglik tytanu (cermetal tytanowy- twardość większa od

twardości węglików spiekanych),

twardości węglików spiekanych),

- węglik wolframu (cermetal wolframowy), po spiekaniu

- węglik wolframu (cermetal wolframowy), po spiekaniu

mają kolor czarny,

mają kolor czarny,

- chrom molibden, nikiel

- chrom molibden, nikiel

,

,

Jak dotąd, największe znaczenie mają cermetale

Jak dotąd, największe znaczenie mają cermetale

narzędziowe

narzędziowe

(do tej grupy należą m.in. węgliki spiekane) oraz

(do tej grupy należą m.in. węgliki spiekane) oraz

cermetale żaroodporne, stosowane jako tworzywa

cermetale żaroodporne, stosowane jako tworzywa

konstrukcyjne na łopatki turbin, charakteryzujące się

konstrukcyjne na łopatki turbin, charakteryzujące się

wysoką żaroodpornością i twardością, dobrą

wysoką żaroodpornością i twardością, dobrą

wytrzymałością i odpornością na gwałtowne zmiany

wytrzymałością i odpornością na gwałtowne zmiany

temperatury.

temperatury.

Cermetale charakteryzują się:

Cermetale charakteryzują się:

- lepszymi własnościami wytrzymałościowymi w

- lepszymi własnościami wytrzymałościowymi w

porównaniu ze spiekami ceramicznymi,

porównaniu ze spiekami ceramicznymi,

- lepszym przewodnictwem cieplnym od węglików

- lepszym przewodnictwem cieplnym od węglików

spiekanych,

spiekanych,

- małą gęstością,

- małą gęstością,

- dużą twardością ok.2400 HVC i odpornością na zużycie,

- dużą twardością ok.2400 HVC i odpornością na zużycie,

- wystarczająco dużą odpornością na pękanie,

- wystarczająco dużą odpornością na pękanie,

- dużą stabilnością krawędzi skrawającej,

- dużą stabilnością krawędzi skrawającej,

- małą skłonnością do szczepiania się z spływającym po

- małą skłonnością do szczepiania się z spływającym po

powierzchni natarcia wiórem,

powierzchni natarcia wiórem,

- dużą odpornością chemiczną,

- dużą odpornością chemiczną,

- duża wytrzymałość na ściskanie

- duża wytrzymałość na ściskanie

- nie wykazują skłonności do tworzenia się narostu

- nie wykazują skłonności do tworzenia się narostu

- duża odporność na wysoką temperaturę do 1200°C

- duża odporność na wysoką temperaturę do 1200°C

Cermetale

Cermetale

stanowią zazwyczaj połączenie dobrze

stanowią zazwyczaj połączenie dobrze

przewodzącego (cieplnie i elektrycznie) składnika

przewodzącego (cieplnie i elektrycznie) składnika

metalicznego

metalicznego

i izolatora, jakim jest składnik ceramiczny. Zależnie od

i izolatora, jakim jest składnik ceramiczny. Zależnie od

udziałów objętościowych obydwu składowych faz

udziałów objętościowych obydwu składowych faz

cermetali, można zmieniać w szerokich granicach

cermetali, można zmieniać w szerokich granicach

zarówno ich budowę jak i właściwości.

zarówno ich budowę jak i właściwości.

Do wad tych materiałów należy przede wszystkim:

Do wad tych materiałów należy przede wszystkim:

- ograniczona wrażliwość na szoki termiczne,

- ograniczona wrażliwość na szoki termiczne,

- gorsze własności wytrzymałościowe w porównaniu z

- gorsze własności wytrzymałościowe w porównaniu z

węglikami spiekanymi (wytrzymałość na zginanie 2-3 razy

węglikami spiekanymi (wytrzymałość na zginanie 2-3 razy

niższa niż węglików spiekanych, niska wytrzymałość na

niższa niż węglików spiekanych, niska wytrzymałość na

rozciąganie

rozciąganie

i udarność)

i udarność)

- skomplikowany proces technologiczny

- skomplikowany proces technologiczny

Typowa mikrostruktura cermetali o różnych udziałach

objętościowych faz metalicznych i niemetalicznych

Na pierwszym z rysunków faza metaliczna (czarne

Na pierwszym z rysunków faza metaliczna (czarne

pola) otoczona jest przez ciągłą osnowę fazy

pola) otoczona jest przez ciągłą osnowę fazy

ceramicznej (białe pola). Przy udziale objętościowym

ceramicznej (białe pola). Przy udziale objętościowym

metalu bliskim 50% otrzymuje się mikrostrukturę

metalu bliskim 50% otrzymuje się mikrostrukturę

niejako odwróconą, gdzie fazę ciągłą tworzy teraz

niejako odwróconą, gdzie fazę ciągłą tworzy teraz

metal. Widać to na drugim z powyższych rysunków.

metal. Widać to na drugim z powyższych rysunków.

Odpowiednio zmieniają się i właściwości cermetalu, o

Odpowiednio zmieniają się i właściwości cermetalu, o

których decyduje przede wszystkim faza ciągła.

których decyduje przede wszystkim faza ciągła.

Zmiany tego rodzaju mogą wystąpić, zależnie od

Zmiany tego rodzaju mogą wystąpić, zależnie od

kształtu obszarów występowania danej fazy, przy

kształtu obszarów występowania danej fazy, przy

różnych udziałach objętościowych. Przykładem może

różnych udziałach objętościowych. Przykładem może

być zilustrowany poniżej cermetal Pb (czarne pola) - Ge

być zilustrowany poniżej cermetal Pb (czarne pola) - Ge

(białe pola).

(białe pola).

Tworzywa uzyskiwane przez spiekanie lub

Tworzywa uzyskiwane przez spiekanie lub

prasowanie sproszkowanych tlenków, węglików, azotków,

prasowanie sproszkowanych tlenków, węglików, azotków,

borków i krzemków oraz metali:

borków i krzemków oraz metali:

Cermetale są bardzo twarde, mają dużą odporność

Cermetale są bardzo twarde, mają dużą odporność

termiczną oraz na ścieranie.

termiczną oraz na ścieranie.

Zastosowanie głównie w technice skrawania metali

Zastosowanie głównie w technice skrawania metali

oraz do budowy części maszyn pracujących w wysokich

oraz do budowy części maszyn pracujących w wysokich

temp takich jak:

temp takich jak:

- Turbosprężarka

- Turbosprężarka

- Tarczach hamulcowych

- Tarczach hamulcowych

- Wałkach rozrządu

- Wałkach rozrządu

- Zaworów ssących i wydechowych

- Zaworów ssących i wydechowych

- Korbowody

- Korbowody

- Łożyska ceramiczne

- Łożyska ceramiczne

W turbosprężarkach materiał ceramiczny stosowany jest na łopatkach

wirnika.

CERMETALE Cr-AI

CERMETALE Cr-AI

2

2

O

O

3

3

Do najważniejszych cermetali żaroodpornych

zaliczane są cermetale składające się z tlenku aluminium i
chromu,
a charakteryzujące się najlepszymi własnościami ze
wszystkich cermetali tlenkowych.
Dla przykładu, cermetal zawierający 70% Al

2

O

3

i 30% Cr

jest odporny na utlenianie do temperatury 1500°C, ma
gęstość 4,65 g/cm

3

, twardość 1100 - 1200 HV,

przewodność cieplną 0,921 W/(m °C). Wytrzymałość na
rozciąganie tego cermetalu w temperaturze 20°C wynosi
250 MPa, w temperaturze 1090°C - 140 MPa, w
temperaturze 1320°C - 100 MPa.

Cermetale Cr-Al

2

O

3

znajdują zastosowanie zarówno

jako materiały narzędziowe, jak i materiały konstrukcyjne
na części bardzo odporne na ścieranie i pracujące w
wysokich temperaturach (np. dysze), a także części o
dużej przewodności cieplnej połączonej z odpornością na
gwałtowne zmiany temperatury (tygle, osłony
termoelementów).
Przy większej zawartości chromu (70-80%) uzyskuje się
cermetale o szkielecie metalowym, dobrze obrabialne, z
których wykonuje się części aparatury chemicznej oraz
części maszyn, m.in. łopatki turbin.

CERMETALE SAP

CERMETALE SAP

Drugą ważną grupę cermetali opartych na tlenku

aluminium stanowią cermetale Al

2

O

3

-A1, zawierające 5-

25% Al

2

O

3

,

a oznaczane często skrótem SAP (Sinter-Aluminium-
Pulver). Dzięki dobrej wzajemnej zwilżalności składników
cermetale te cechują dobre własności mechaniczne,
zarówno w temperaturze otoczenia, jak i w temperaturze
podwyższonej do 500°C.
W tablicy 1 podano skład chemiczny i własności
mechaniczne niektórych cermetali SAP produkowanych w
Rosji.
Warto podkreślić, że spieki SAP wykazują dużą stabilność
struktury (Al

2

O

3

nie rozpuszcza się w aluminium i nie

ulega koagulacji), wysoką odporność na korozję oraz
dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne.

Oznaczenie

Oznaczenie

spieku

spieku

Zawartość

Zawartość

Al

Al

2

2

O

O

3

3

%

%

Postać

Postać

Właściwości techniczne

Właściwości techniczne

temperatura

temperatura

badania,

badania,

O

O

C

C

R

R

m

m

, MPa

, MPa

R

R

0,2

0,2

, MPa

, MPa

A

A

5

5

,%

,%

HB

HB

SAP-1

SAP-1

6,0

6,0

÷

÷

9,0

9,0

pręty, taśmy

pręty, taśmy

20

20

250

250

÷

÷

300

300

200

200

÷

÷

240

240

8

8

÷

÷

12

12

85

85

300

300

160

160

÷

÷

180

180

120

120

÷

÷

140

140

3

3

÷

÷

7

7

-

-

500

500

50

50

÷

÷

70

70

50

50

÷

÷

60

60

2

2

÷

÷

6

6

-

-

blacha o grub.

blacha o grub.

1,5 mm

1,5 mm

20

20

310

310

÷

÷

330

330

270

270

÷

÷

290

290

3

3

÷

÷

4

4

-

-

300

300

90

90

÷

÷

120

120

-

-

10

10

÷

÷

14

14

-

-

500

500

30

30

÷

÷

40

40

-

-

6

6

÷

÷

8

8

-

-

SAP-2

SAP-2

9,1

9,1

÷

÷

13,0

13,0

pręty, taśmy

pręty, taśmy

20

20

310

310

÷

÷

350

350

210

210

÷

÷

250

250

6

6

÷

÷

8

8

-

-

300

300

170

170

÷

÷

180

180

150

150

÷

÷

160

160

4

4

÷

÷

6

6

100

100

500

500

80

80

÷

÷

90

90

70

70

÷

÷

80

80

2

2

÷

÷

3

3

-

-

SPA-3

SPA-3

13,1

13,1

÷

÷

18,0

18,0

pręty, taśmy

pręty, taśmy

20

20

370

370

÷

÷

440

440

310

310

÷

÷

350

350

3

3

120

120

300

300

180

180

÷

÷

200

200

140

140

÷

÷

160

160

4

4

-

-

odkuwki

odkuwki

matrycowe

matrycowe

20

20

360

360

÷

÷

380

380

310

310

÷

÷

320

320

6

6

110

110

300

300

120

120

÷

÷

130

130

100

100

÷

÷

110

110

8

8

-

-

500

500

70

70

÷

÷

80

80

50

50

÷

÷

60

60

6

6

-

-

SAP-4

SAP-4

18,1

18,1

÷

÷

23,0

23,0

pręty, taśmy

pręty, taśmy

20

20

430

430

÷

÷

450

450

350

350

÷

÷

370

370

1,5

1,5

÷2

÷2

,0

,0

-

-

350

350

200

200

÷

÷

220

220

180

180

÷

÷

190

190

1,0

1,0

÷

÷

1,2

1,2

-

-

500

500

130

130

÷

÷

135

135

100

100

÷

÷

110

110

1,0

1,0

÷

÷

1,2

1,2

-

-

INNE CERMETALE

INNE CERMETALE

Z innych cermetali zawierających Al

2

O

3

warto

jeszcze wymienić Al

2

O

3

-Mo, stosowany na narzędzia

skrawające oraz Al

2

O

3

-Ag, charakteryzujący się dużą

przewodnością elektryczną.
Do materiałów konstrukcyjnych zalicza, się również
niektóre cermetale oparte na azotkach, a zwłaszcza na
azotku boru. W tym ostatnim przypadku rolę składnika
wiążącego spełniają bądź metale ziem rzadkich (5-10%),
bądź aluminium lub krzem (3-8%). Cermetale tego
rodzaju charakteryzują się bardzo dużą odpornością na
nagłe zmiany temperatury i wykazują dobre własności
wytrzymałościowe.
Podobnie jak spiekany azotek boru, są stosowane na
elementy dysz lotniczych silników odrzutowych, rakiet i
pocisków kierowanych.

Z cermetali opartych na borkach, jako materiały

Z cermetali opartych na borkach, jako materiały

konstrukcyjne wykorzystywane są cermetale zawierające

konstrukcyjne wykorzystywane są cermetale zawierające

borek chromu i dwuborek chromu oraz jako składnik

borek chromu i dwuborek chromu oraz jako składnik

metaliczny żarowytrzymałe stopy niklu, kobalt, stop

metaliczny żarowytrzymałe stopy niklu, kobalt, stop

kobaltu z borem lub chrom. Szczególnie korzystne

kobaltu z borem lub chrom. Szczególnie korzystne

własności użytkowe ma cermetal składający się z 80% CrB

własności użytkowe ma cermetal składający się z 80% CrB

i CrB

i CrB

2

2

oraz 20% Cr. Jest on odporny na korozję, wykazuje

oraz 20% Cr. Jest on odporny na korozję, wykazuje

dużą żaroodporność i dobre własności wytrzymałościowe

dużą żaroodporność i dobre własności wytrzymałościowe

w wysokich temperaturach, a ponadto ma dość dużą

w wysokich temperaturach, a ponadto ma dość dużą

ciągliwość.

ciągliwość.

Może więc być wykorzystywany w budowie rakiet i

Może więc być wykorzystywany w budowie rakiet i

pocisków.

pocisków.

Dużą grupę materiałów konstrukcyjnych stanowią

Dużą grupę materiałów konstrukcyjnych stanowią

cermetale węglikowe, przeznaczone do pracy w wysokich

cermetale węglikowe, przeznaczone do pracy w wysokich

temperaturach, w ośrodkach czynnych chemicznie i przy

temperaturach, w ośrodkach czynnych chemicznie i przy

narażeniu na ścieranie. Wykonuje się z nich m.in.

narażeniu na ścieranie. Wykonuje się z nich m.in.

elementy lotniczych silników turbinowych i odrzutowych,

elementy lotniczych silników turbinowych i odrzutowych,

a także części różnych maszyn i urządzeń. Z tej grupy

a także części różnych maszyn i urządzeń. Z tej grupy

materiałów największe zastosowanie znalazły cermetale

materiałów największe zastosowanie znalazły cermetale

oparte na węgliku tytanu, na węgliku wolframu, na obu

oparte na węgliku tytanu, na węgliku wolframu, na obu

tych węglikach łącznie, a także na węglikach chromu,

tych węglikach łącznie, a także na węglikach chromu,

cyrkonu, molibdenu, krzemu i boru.

cyrkonu, molibdenu, krzemu i boru.

Węgliki tytanu spiekane z kobaltem (5-30% Co) mają

Węgliki tytanu spiekane z kobaltem (5-30% Co) mają

bardzo dobre własności wytrzymałościowe w wysokich

bardzo dobre własności wytrzymałościowe w wysokich

temperaturach. Na przykład cermetal TiC-20%Co w

temperaturach. Na przykład cermetal TiC-20%Co w

temperaturze 980°C ma wytrzymałość na rozciąganie

temperaturze 980°C ma wytrzymałość na rozciąganie

230 MPa, a w temperaturze 1200°C - około 80 MPa. Jego

230 MPa, a w temperaturze 1200°C - około 80 MPa. Jego

gęstość wynosi 5,37 g/cm

gęstość wynosi 5,37 g/cm

3

3

. Stosowany jest na łopatki

. Stosowany jest na łopatki

turbin gazowych.

turbin gazowych.

Podobne własności wykazują cermetale TiC-Mo i TiC-W, a

Podobne własności wykazują cermetale TiC-Mo i TiC-W, a

także TiC-Ni. Te ostatnie zawierają 10-50% niklu.

także TiC-Ni. Te ostatnie zawierają 10-50% niklu.

Dla potrzeb przemysłu lotniczego opracowano również

Dla potrzeb przemysłu lotniczego opracowano również

cermetale wieloskładnikowe, które obok węglika tytanu

cermetale wieloskładnikowe, które obok węglika tytanu

zawierają nikiel, chrom i kobalt oraz ewentualnie

zawierają nikiel, chrom i kobalt oraz ewentualnie

molibden (np. 50% TiC + 30% Ni+10% Co+10% Cr lub

molibden (np. 50% TiC + 30% Ni+10% Co+10% Cr lub

33,6% TiC + 39% Ni + 13% Cr + 13% Co + 1,4% Mo). Ich

33,6% TiC + 39% Ni + 13% Cr + 13% Co + 1,4% Mo). Ich

własności wytrzymałościowe w temperaturze otoczenia

własności wytrzymałościowe w temperaturze otoczenia

są zbliżone do własności żarowytrzymałych stopów niklu,

są zbliżone do własności żarowytrzymałych stopów niklu,

w wysokich temperaturach są znacznie lepsze

w wysokich temperaturach są znacznie lepsze

.

.