Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

KURS MIĘDZYNARODOWEGO

INŻYNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Procesy spajania

ceramiki i kompozytów

1.18

opracował:

dr inż. Andrzej Winiowski

Nowelizacja materiału: 01. 2012 r.

Ogólne informacje o materiałach ceramicznych oraz kompozytowych

i typowych procesach ich łączenia

Materiały ceramiczne i ich podstawowe własności

Materiały ceramiczne to związki chemiczne metali (Al, Fe, W, Cr) z niemetalami

(O, N, Si, C) lub niemetali miedzy sobą. Najogólniej można je podzielić na:
- ceramikę inżynierską (inne nazwy: ceramika specjalna, drobnoziarnista),
wytwarzana w wyniku wysokotemperaturowego spiekania bez udziału fazy ciekłej i
wykazującą postać krystaliczną i prawie teoretyczna gęstość;
- ceramikę porowatą (inna nazwa: ceramika tradycyjna, klasyczna), obejmująca
kamionkę, porcelanę, cegłę, cement, beton oraz materiały ogniotrwałe, wypalaną w
wysokiej temperaturze, charakteryzującą się 5 – 15% udziałem porowatości w
wyniku odprowadzenia wody;
- szkła o strukturze amorficznej lub mieszanej (amorficzna i krystaliczna), w skład
których wchodzą tlenki kwasowe typu: SiO

2

, B

2

O

3

, P

2

O

5

, tlenki zasadowe typu:

Na

2

O, K

2

O, MgO, CaO oraz niekiedy tlenki pośrednie BeO, Al

2

O

3

, a także siarka,

selen i fluorek ołowiu. Przez krystalizację (odszklenie) w odpowiedni sposób masy
szklanej uzyskuje się tzw. ceramikę szklaną (piroceramikę) o bardzo drobnoziarnistej
strukturze, bez porowatości, z pozostałością kilku procent masy szklistej o
własnościach zbliżonych do ceramiki inżynierskiej (odporność na udary cieplne,
żaroodporność).

W ceramicznych i metalowo-ceramicznych konstrukcjach spajanych występuje

zwykle ceramika inżynierska i niekiedy ceramika szklana.

Ceramika inżynierska dzieli się na: korundową (Al

2

O

3

), steatytową

(MgO

⋅SiO

2

+2,5%Al

2

O

3

), forstetytową (2MgO

⋅SiO

2

+3%Al

2

O

3

), mulitową

(3Al

2

O

3

⋅SiO

2

), kordierytową (2MgO

⋅2Al

2

O

3

⋅5SiO

2

+ dodatki), spinelową (MgO

⋅Al

2

O

3

),

cyrkonową (ZrO

2

, ZrO

2

+Al

2

O

3

), berylową (95-99,5%BeO), węglikową (TiC,SiC,WC),

magnezową (MgO), azotkową (AlN, BN, TiN, ZrN, Si

3

N

4

), sialonową (Si

x-6

Al

x

O

x

NX-8

gdzie X=0

÷4), diament.

Charakterystyczne własności materiałów ceramicznych to wysoka

żarowytrzymałość (ponad 3000

°C), stosunkowo niska masa właściwa, wysoka

wytrzymałość (określana jako kohezyjna wytrzymałość dla kryształów), wysoki moduł
sprężystości (200

÷500 MPa), niski współczynnik rozszerzalności cieplnej

(6

÷10µm/m/°C), wysoka rezystancja właściwa (10

6

÷10

20

µOm⋅cm), niski współczynnik

przewodności cieplnej (2

÷60 W/m⋅K).

Materiały kompozytowe – definicja, klasyfikacja i podstawowe własności

Materiały kompozytowe, kompozyty (od compositus, łac. – złożony) to materiały
uzyskiwane przez połączenie ze sobą co najmniej dwóch różnych materiałów
(składników) o zróżnicowanych własnościach fizyko-chemicznych i postaci, tak by
własności kompozytów były wypadkową własności składników i udziałów
objętościowych tych składników. Własności powyższe mogą być wynikiem
oddziaływania addytywnego (sumarycznego) lub synergicznego (stanowi funkcję
oddziaływania) składników.
Kompozyty dzielą się na naturalne i inżynierskie (syntetyczne). Do pierwszych
należą pnie i łodygi drzew oraz roślin (celulozowe włókna w osłonie ligniny), a także
kości zwierząt i ludzi (kolagenowe włókna, nieorganiczne kryształy, woda i tłuszcze).

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze¿one. Powielanie lub rozpowszechnianie ca³oœci wzglêdnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIÊDZYNARODOWEGO

IN¯YNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Procesy spajania

ceramiki i kompozytów

1.18

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

AW 1

Przy definiowaniu kompozytów inżynierskich wytwarzanych w wyniku celowej
działalności człowieka, oprócz przedstawionej powyżej definicji, dodaje się często
dodatkowo warunki, którymi powinny one odpowiadać, jak np.:
- zawartość drugiego składnika w materiale kompozytowym powinna przekraczać

5%;

- składniki kompozytów powinny różnić się własnościami od siebie i od kompozytu;
- kompozyty powinny być zwykle utworzone przez gruntowne wymieszanie i

połączenie składników technologiami o znacznym zaawansowaniu tzn., że np.
dwuskładnikowa struktura stopu powstała podczas swobodnego krzepnięcia nie
powinna być klasyfikowana jako kompozyt;

Kompozyty składają się z osnowy i wzmocnienia (zbrojenie). Osnowa spaja
wzmocnienie i przekazuje na wzmocnieniu obciążenia zewnętrzne.
Z uwagi na postać wzmocnienia, kompozyty dzielą się na:
• kompozyty wzmocnione cząstkami i cząstkami dyspersyjnymi

- o

uporządkowanym ułożeniu;

- o

nieuporządkowanym ułożeniu.

• kompozyty wzmocnione włóknami, jedno i wielowarstwowymi

- ciągłymi;
- nieciągłymi, o uporządkowanym lub nieuporządkowanym ułożeniu.

Wśród kompozytów z włóknami wielowarstwowymi są również tzw. laminaty.
Niekiedy laminaty złożone z wielu warstw różnie usytuowanych względem
siebie, a także kompozyty warstwowe-przekładkowe (stosowane zwykle w lotnictwie)
nazywane również kompozytami typu „plaster miodu” (ang. „honey comb”) lub
“kanapkowymi” (ang. „sandwich”) zalicza się do tzw. kompozytów konstrukcyjnych
(strukturalnych).
Z uwagi na rodzaj osnowy kompozyty dzieli się na: kompozyty o osnowie
metalowej, ceramicznej i węglowej oraz polimerowej.
W tabl.1 przedstawiono przykłady najczęściej spotykanych kompozytów o
osnowie metalowej (poz. 1

÷ 6), ceramicznej (poz. 7 ÷ 14), węglowej (poz. 15) i

polimerowej (poz. 16

÷ 18).

Kompozyty o osnowie metalowej (metale i stopy lekkie, kolorowe, reaktywne,
wysokotopliwe, nadstopy, fazy międzymetaliczne) posiadają wzmocnienie metalowe,
ceramiczne i węglowe. Podstawowe ich własności to: stosunkowo niska masa
właściwa i odpowiednio wysoka ich wytrzymałość mechaniczna, żarowytrzymałość,
przewodność elektryczna, zdolność tłumienia drgań, własności trybologiczne itp.
Kompozyty o osnowie ceramicznej (podstawowe gatunki ceramiki inżynierskiej)
posiadają wzmocnienia metalowe i ceramiczne, najczęściej w postaci cząstek
(proszek), nieco rzadziej w postaci włókien. Podstawowe ich cechy to: dobre
własności i trwałość mechaniczna (wyższa od materiałów ceramicznych), wysoka
twardość, żaroodporność (2600

÷3000 °C), odporność chemiczna, dobre własności

izolacyjne (wysoka rezystancja właściwa i niska przewodność cieplna).
Kompozyty o osnowie węglowej (grafitowo-krystalicznej i z tworzyw węglowych
amorficznych lub o budowie mieszanej) posiadają wzmocnienia węglowe,
uzyskiwane zwykle przez przemianę w wyniku pirolizy w materiały węglowe żywic
fenolowych, związków zawierających alkohol furfurylowy, smoły i paku, polifenylenu
lub poliamidów.

Piroliza (inaczej destylacja rozkładowa) to proces rozkładu termicznego
substancji prowadzony poprzez poddawanie ich działaniu wysokiej temperatury, ale
bez kontaktu z tlenem i innymi czynnikami utleniającymi. Jest to proces o złożonym

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze¿one. Powielanie lub rozpowszechnianie ca³oœci wzglêdnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIÊDZYNARODOWEGO

IN¯YNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Procesy spajania

ceramiki i kompozytów

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

1.18

AW 2

mechanizmie, wysokotemperaturowy i bezkatalityczny. Zwykle w trakcie pirolizy
bardziej złożone związki chemiczne wchodzące w skład pirolizowanej substancji
ulegają rozkładowi do prostszych związków o mniejszej masie cząsteczkowej.

Podstawowe własności kompozytów węglowych to: dobra wytrzymałość i
trwałość mechaniczna, bardzo wysoka żarowytrzymałość (3550

°C), wysoka

odporność chemiczna, wysoka energia absorbcji i pojemność cieplna, mały czynny
przekrój pochłaniania neutronów, dobra przewodność cieplna, mały współczynnik
rozszerzalności cieplnej.

Kompozyty o osnowie polimerowej: termo- i chemoutwardzalnej,

termoplastycznej i gumowej posiadają wzmocnienia ceramiczne, węglowe i
polimerowe. Własności ich zbliżone są do tworzyw sztucznych lecz charakteryzują
się wyższymi własnościami mechanicznymi i twardością.

Tablica 1

Przykłady kompozytów o osnowie metalowej, ceramicznej, węglowej

i polimerowej

Lp. Osnowa

Wzmocnienie

1)

1

Al, stopy Al serii 2xxx (Al-Cu); 5xxx (Al-Mg); 6xxx (Al-
Si-Mg); 7xxx (Al-Zn) i siluminy (Al-Si)

WC (p), Be (f), stal nierdz. (f), Al

2

O

3

(p,w,f),

W/B (f), BN (f), BorSiC (f), C (f), SiO

2

(p,w,f), szkło (f), SiC (p,w,f)

2

Mg, stopy MgAlZn

Be(f), Ta(f), Al

2

O

3

(p,w,f), W/B (f), C(f),

szkło(f), SiC (p,w)

3

Ti, stopy Ti i fazy międzymetaliczne

(Ti-Al)

Be(f), Mo(f), Al

2

O

3

(p,w,f), BorSiC(f),

SiC(p,w,f), TiB

2

4 Cu

W(f),

Nb(f),

Al

2

O

3

(p,w,f), W/B(f), C(f),

SiC(p,w,f), WC (p)

5

Ni i stopy Ni (nadstopy)

TaC(p), HfC(p), stal nierdz.(f), W(f), Nb(f),
C(f), NbC(p,w,f), TiC(p)

6

Nb, Mo

W(f), SiC(p,w,f)

7 Al

2

O

3

Mo, W, BN, ZrO

2

8 B

4

C

Nb, Ta, Mo, W, BN

9 szkło Al

2

O

3

(f), C

10 2Al

2

O

3

⋅ 2SiO

2

Mo, W

11 SiC

Al

2

O

3

(f), C, MgO, Si

3

N

4

, BeO

12 Si

3

N

4

Al

2

O

3

(f), SiC

13 TiC

Al

2

O

3

(f), mulit, Si

3

N

4

14 ZrO

2

Nb, Ta, Mo, W, Cr, SiC

15 C (materiały węglowe: krystaliczne np.: grafit,

amorficzne)

C (materiały węglowe: krystaliczne np.:
grafit, amorficzne) (f)

16 polimery termo- i chemoutwardzalne (żywice

epoksydowe i poliestrowe, fenoloplasty, aminoplasty,
itp.)

W/B, C (f i p), szkło organiczne (f),
polimery termoplastyczne (f), aramid

17 polimery termoplasyczne: krystaliczne i

niekrystaliczne (szkło organiczne, PMMA-akryl,
poliamidy, poliwęglany, polipropylen, polistyren,
polietylen, kopolimery: stylen-propylen, etylen-winyl
itp.)

W/B, Al

2

O

3

, C (f, p), materiały szklano-

epoksydowe, grafitowo-epoksydowe, szkło
organiczne, polietylen, aramid

18 gumy (lateks, polibutadien, kopolimery:styren-

butadien, nitryl-butadien itd.)

C(p), Al.(OH)

3

(p), stal (f)

1)

p – wzmocnienie proszkowe, w – wiskersy (pojedyncze kształty z dyslokacją śrubową względem osi

centralnej), f - włókna.
BorSiC – włókna borowe pokryte SiC (ochrona przed dyfuzją), W/B – drut wolframowy pokryty warstwą
boru (włókno borowe).

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze¿one. Powielanie lub rozpowszechnianie ca³oœci wzglêdnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIÊDZYNARODOWEGO

IN¯YNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Procesy spajania

ceramiki i kompozytów

1.18

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

AW 3

Procesy łączenia materiałów ceramicznych i kompozytowych

Łączenie materiałów ceramicznych i kompozytów na ich osnowie (między sobą
i z metalami)

• Spawanie wiązką skoncentrowanej energii (laserowe, elektronowe) i spawanie

łukowe.

• Spajanie szkliwami (tzw. lutami szklanymi).

• Zgrzewanie dyfuzyjne (w próżni) i tarciowe.

• Lutowanie twarde lutami aktywnymi oraz lutami „klasycznymi” z

wykorzystaniem metalizacji proszkowej.

Łączenie kompozytów na osnowie metalowej

• Spawanie skoncentrowaną wiązką energii (laserowe, elektronowe).

• Spawanie łukowe elektrodą nietopliwą w osłonie gazu neutralnego (TIG) i

spawanie plazmowe.

• Zgrzewanie rezystancyjne – kondensatorowe, tarciowe, dyfuzyjne.

• Lutowanie twarde.

Łączenie kompozytów węglowych

• Lutowanie twarde lutami aktywnymi z dodatkami węglikotwórczymi.

• Lutowanie twarde po pokryciu powierzchni kompozytu warstwą metaliczną.

• Klejenie z wykorzystaniem pirolizy.

W przypadku łączenia materiałów i kompozytów węglowych z metalami stosowane
jest najczęściej lutowanie twarde lutami aktywnymi lub z wykorzystaniem powłok
technologicznych.
Łączenie kompozytów polimerowych
Kompozyty o osnowie termo- i chemoutwardzalnej

• Klejenie klejami zbliżonymi do osnowy kompozytów, jednoskładnikowymi –

termoutwardzalnymi lub dwuskładnikowymi – chemoutwardzalnymi.

Kompozyty o osnowie termoplastycznej

• Spawanie i zgrzewanie technikami zalecanymi dla polimerów

termoplastycznych.

• Klejenie klejami termoplastycznymi.

• Klejenie klejami zawierającymi rozpuszczalniki przeprowadzające osnowę

kompozytu w stan plastyczny.

Kompozyty o osnowie gumowej

• Klejenie klejami organicznymi.

Ogólny opis zasad poszczególnych procesów łączenia. Zalety i wady.

Procesy łączenia materiałów ceramicznych i kompozytów na ich osnowie.

Spawanie wiązką skoncentrowanej energii i spawanie łukowe.
Spawanie jest bardzo rzadko stosowane do łączenia materiałów ceramicznych i
tylko dla niektórych rodzajów. Decydują o tym takie czynniki jak: skłonność
materiałów ceramicznych do sublimacji przy topieniu (ceramika azotkowa i
węglikowa), zbyt wysoka temperatura topnienia (ceramika magnezowa i zawierająca
tlenek magnezu w większych ilościach) a także negatywny wpływ wysokiej
temperatury procesu, szybkiego ochłodzenia po spawaniu oraz zjawiska topienia
ceramiki na jej strukturę (porowatość, pęknięcia) i własności mechaniczne
(kruchość). Podstawowymi metodami spawania materiałów ceramicznych są:

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze¿one. Powielanie lub rozpowszechnianie ca³oœci wzglêdnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIÊDZYNARODOWEGO

IN¯YNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Procesy spajania

ceramiki i kompozytów

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

1.18

AW 4

spawanie wiązką elektronów i laserowe ( z użyciem laserów CO

2

i Nd:YAG) oraz

spawanie łukowe elektrodą wolframową (TIG) bez dodatku spoiwa w osłonie gazów
neutralnych i plazmowe Znane są przykłady wykonywania wiązką elektronów i
laserem połączeń: Al

2

O

3

- Al

2

O

3

, Al

2

O

3

– Ta oraz przez spawanie plazmowe i metodą

TIG: ZrB

2

- ZrB

2

, TaC – TaC, ZrB

2

– Mo, a także materiałów szklano-ceramicznych

(ceramika krzemionkowa). Połączenia tak wykonane wykazują często wysoką
kruchość.

Spajanie szkliwami

W tym procesie spajania na łączone ze sobą powierzchnie (ceramika –

ceramika, ceramika – metal) nanosi się głównie metodą natrysku szkliwo (zwane też
„lutem szklanym”). Szkliwa są to odpowiednie mieszaniny tlenków np. typu : Al

2

O

3

–

MnO-SiO

2

, Al

2

O

3

–CaO-MgO-SiO

2

, Al

2

O

3

–SiO

2

–MgO, SiO

2

-Al

2

O

3

–Y

2

O

3

o

temperaturach mięknięcia 800

÷1200 °C. Warstwy szkliwa są następnie spiekane

(glazurowane) z podłożem. Po złożeniu tak przygotowanych części i wygrzaniu w
temperaturze wyższej o około 40

°C od temperatury mięknięcia szkliwa następuje ich

trwałe połączenie. Własności uzyskanych połączeń odpowiadają własnościom
stosowanych szkliw.
Zgrzewanie dyfuzyjne i tarciowe
Zgrzewanie dyfuzyjne i tarciowe jest stosowane niekiedy do wykonywania
połączeń ceramiki i kompozytów na jej osnowie z metalami.
Przy zgrzewaniu dyfuzyjnym w wyniku zastosowania odpowiedniej temperatury i
czasu procesu oraz docisku elementów łączonych zapewnione są warunki do dyfuzji
reaktywnej na granicy ceramika-metal. Przykładem takiego procesu łączenia może
być dyfuzyjne zgrzewanie ceramiki korundowej (Al

2

O

3

) z miedzią w atmosferze

wodoru i azotu. Można również łączyć w ten sposób dwa elementy ceramiczne,
stosując przekładkę z miedzi. Inne przykłady zgrzewania dyfuzyjnego to zgrzewanie
ceramiki azotkowej Si

3

N

4

z aluminium i jego stopami (wytrzymałość złączy ok. 110

MPa). W miejsce przekładek można w tych procesach stosować warstwy pośrednie,
uzyskane np.: metodą metalizacji proszkowej na powierzchni ceramiki, które
podobnie jak przekładki przyspieszają proces dyfuzji podczas łączenia i wpływają na
podwyższenie jakości połączeń.
Przykłady zgrzewania tarciowego materiałów ceramicznych obejmują łączenie
ceramiki azotkowej (Si

3

N

4

) i korundowej (Al

2

O

3

) z aluminium i jego stopami. Można

również zgrzewać tarciowo ze sobą elementy z ceramiki korundowej, stosując
przekładkę aluminiową, Wykonane złącza charakteryzują się wytrzymałością na
rozerwanie ok. 40

÷80MPa.

Lutowanie twarde lutami aktywnymi oraz „klasycznymi” z wykorzystaniem
metalizacji proszkowej.
Obie powyższe metody lutowania twardego są najpowszechniej stosowanymi w
praktyce procesami łączenia ceramiki i kompozytów na jej osnowie, zrówno ze sobą i
z metalami. Pierwsza z nich jest realizowana w piecach próżniowych lub z czystą
atmosferą neutralną chemicznie czy też wodorową, przy zastosowaniu spoiw
zawierających pierwiastki reaktywne Ti, Zr, Be. Przykładami takich spoiw są
następujące stopy: AgCu(27-33)Ti(2-5); AgCu23,5In14,5Ti1,25; AgTi1; Ti48Zr48Be4;
TiCr25V21; CuTi43; TiNi30 o strukturach krystalicznych lub amorficznych. W czasie
lutowania w wysokiej temperaturze składniki aktywne spoiw dyfundują do podłoża
ceramicznego tworząc trwałe połączenia chemiczne. Stosowaną dość często
odmianą tej metody, zwłaszcza dla ceramiki korundowej (Al

2

O

3

), jest lutowanie z

użyciem pasty z wodorkiem tytanu TiH

2

i „klasycznego” lutu np. typu Ag-Cu. Warstwę

pasty z wodorkiem o grubości 10-20

µm układa się pomiędzy łączonymi elementami

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze¿one. Powielanie lub rozpowszechnianie ca³oœci wzglêdnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIÊDZYNARODOWEGO

IN¯YNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Procesy spajania

ceramiki i kompozytów

1.18

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

AW 5

wraz ze spoiwem. W trakcie nagrzewania wodorek tytanu rozkłada się na tytan oraz
wodór, który częściowo redukuje Al

2

O

3

. Zredukowane aluminium tworzy z tytanem

związek (Ti

3

Al), stanowiący bardzo wytrzymałą warstwę pośrednią, zwilżalną przez

spoiwo tworzące lutowinę. Luty aktywne znalazły praktyczne zastosowanie przede
wszystkim do łączenia ceramiki korundowej (Al

2

O

3

), a także azotkowej (Si

3

N

4

),

węglikowej (SiC), cyrkonowej (ZrO

2

), a także do wykonywania połączeń ceramiki z

metalami, w tym również diamentów z metalami. Pozwalają one uzyskać połączenia
o wytrzymałości 130

÷260 MPa.

Druga metoda lutowania z wykorzystaniem metalizacji proszkowej obejmuje
wytworzenie tą techniką na łączonych powierzchniach elementów ceramicznych
warstwy pośredniej, silnie związanej z podłożem i zwilżalnej przez lut, a następnie
lutowanie przy użyciu klasycznych, standardowych spoiw np.: typu AgCu28, CuAu36,
AuNi18 itp. W celu wytworzenia powyższej warstwy pośredniej stosuje się pastę
złożoną z proszku wolframowego lub molibdenu z manganem lub niekiedy
zawierającą dodatkowo żelazo-krzem. Pastę tę nakłada się ręcznie przez
stemplowanie lub sitodrukiem (10

÷50 µm) na łączone powierzchnie ceramiczne i po

wysuszeniu poddaje się spiekaniu (temperatura 1200

÷1700 °C) w wilgotnym

wodorze (punkt rosy 15

÷30 °C), w efekcie czego powstaje tlenek manganu, który

reaguje z podłożem ceramicznym, tworząc trwałe wiązanie chemiczne (z ceramiką
korundową tworzy wiązanie spinelowe MnAl

2

O

4

). Proszek molibdenu lub wolframu

zawarty w paście pozostaje elementem metalicznym w utworzonej warstwie
pośredniej silnie związanej z podłożem. Warstwę tę pokrywa się następnie
galwanicznie, chemicznie lub przez spiekanie metalem łatwo zwilżalnym przez
spoiwa np.: Fe, Cu lub Ni. Tak przygotowane elementy lutuje się „klasycznymi”
spoiwami srebrnymi lub złotymi w piecach z atmosferami kontrolowanymi. Warstwy
pośrednie do lutowania ceramiki można również uzyskiwać w wyniku osadzania
metodami fizycznymi lub chemicznymi z fazy parowej (PVD, CVD) takich metali jak:
Hf, Ta, Ti, Zr na powierzchnie łączone.
Klejenie
Klejenie materiałów ceramicznych i kompozytów na ich osnowie można
wykonywać przy użyciu klejów ceramicznych na bazie elastomerów, kitów lub
wosków, żywic epoksydowych, kauczuku syntetycznego itp. Wytrzymałość połączeń
jest niewysoka i nie są one odporne na podwyższone temperatury.

Procesy łączenia kompozytów o osnowie węglowej

Lutowanie twarde lutami aktywnymi oraz z wykorzystaniem powłok

technologicznych
Lutowanie twarde to najczęściej stosowana metoda łączenia materiałów
węglowych i kompozytów na ich osnowie między sobą oraz z metalami. Proces może
być realizowany w piecach próżniowych lub z czystą atmosferą neutralną w dwojaki
sposób:
- z użyciem lutów aktywnych, zawierających chrom, tytan lub cyrkon (pierwiastki
węglikotwórcze), takich jak: TiZr48Be4, TiCu49B2, AgCu27Ti4, TiCu15Ni15,
CuTi10Sn10, umożliwiających utworzenie na granicy lutowiny trwałych węglikowych
wiązań chemicznych;
- z użyciem „klasycznych” lutów srebrnych, złotych i miedzianych po uprzednim
pokryciu łączonych powierzchni warstwą o grubości do kilku

µm metalu

wysokotopliwego (Mo, W) np.: przez osadzanie chemiczne z fazy parowej (CVD).

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze¿one. Powielanie lub rozpowszechnianie ca³oœci wzglêdnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIÊDZYNARODOWEGO

IN¯YNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Procesy spajania

ceramiki i kompozytów

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

1.18

AW 6

Klejenie z wykorzystaniem zjawiska pirolizy
Klejenie z zastosowaniem klejów na osnowie żywic fenolowych lub
zawierających alkohol furfurylowy, ulegających w wyniku obróbki termicznej i
zjawiska pirolizy samoczynnej przemianie przez rozkład na materiały węglowe.

Procesy łączenia kompozytów o osnowie metalowej

Kompozyty o osnowie metalowej łączy za pomocą spawania łukowego –
metodą TIG i plazmowego, spawania laserowego i elektronowego, zgrzewania
rezystancyjnego (kondensatorowego), dyfuzyjnego i tarciowego oraz lutowania
twardego, stosując warunki i parametry procesów odpowiednie dla metalu lub stopu
osnowy kompozytu. Zgrzewanie dyfuzyjne tych materiałów przebiega w
temperaturach niższych od temperatur likwidus osnowy kompozytu (najczęściej
400

÷600 °C) i przy czasie do ok. 1h w zależności od zawartości składników i

temperatury zgrzewania.
Wybór metody łączenia kompozytów o osnowie metalowej powinien
uwzględniać warunek zachowania ciągłości ich struktury, a w zasadzie ciągłości
wzmocnienia w strefie łączenia. Dlatego też łączeniu metodami spawalniczymi
poddaje się najczęściej kompozyty o wzmocnieniach cząstkowych.

Procesy łączenia kompozytów o osnowie polimerowej

Procesy łączenia kompozytów o osnowie utwardzalnej

Kompozyty tego typu łączy się przez klejenie, stosując kleje o składzie
zbliżonym do składu osnowy kompozytu jednoskładnikowe – termoutwardzalne lub
dwuskładnikowe – chemoutwardzalne.

Procesy łączenia kompozytów o osnowie termoplastycznej

Kompozyty o osnowie termoplastycznej łączy się za pomocą:
- spawania i zgrzewania techniką zalecaną dla polimerów termoplastycznych;
- klejenia klejami termoplastycznymi (akrylowy, poliamidowy, z octanem celulozy,
azotanem celulozy, fenoplastowy, z octanem poliwynilu itp.) o wysokich
temperaturach mięknięcia (topnienia);
- klejenia klejami zawierającymi rozpuszczalniki przeprowadzające osnowę

kompozytu w stan plastyczny.

Procesy łączenia kompozytów o osnowie gumowej

Kompozyty o osnowie gumowej można kleić przy pomocy klejów organicznych,
przeznaczonych dla wyrobów gumowych.

Kompozyty polimerowe można również łączyć z metalami lub ceramiką - wyłącznie
za pomocą klejenia.

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze¿one. Powielanie lub rozpowszechnianie ca³oœci wzglêdnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIÊDZYNARODOWEGO

IN¯YNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Procesy spajania

ceramiki i kompozytów

1.18

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

AW 7

Zastosowanie i problemy specjalne

Podstawowe zastosowanie ceramiki i kompozytów na osnowie ceramicznej to:
dysze dopalaczy silników, obudowy i osłony izolacyjne w samolotach, statkach
kosmicznych, izolatory, narzędzia (części robocze), elementy urządzeń
elektropróżniowych i elektronicznych, implanty w medycynie.
Zastosowanie kompozytów węglowych obejmuje żaroodporne części oraz
elementy konstrukcyjne samolotów, pojazdów kosmicznych (osłony ablacyjne,
izolatory termiczne) i sprzętu militarnego, obudowy reaktorów nuklearnych, sprzęt
sportowy i ochronny.
Kompozyty o osnowie metalowej są wykorzystywane w lotnictwie i
kosmonautyce do wytwarzania dysz silników (Cu/C, Ti/SiC, Ni/W, Ni/Al

2

O

3

, Ti/TiC,

Al/SiC, Al/C, Al/B, Mg/C, Mg/ Al

2

O

3

), łopatek turbin (Ti/TiB

2

), anten (Mg/ Al

2

O

3

,

Mg/C), wymienników ciepła (Cu/W) w pojazdach kosmicznych i samolotach, płyt
akumulatorowych (Pb/C), styków elektrycznych i łożysk (Cu/W, Cu/C), den tłoków
(Al/Al

2

O

3

, Al/C) w silnikach samochodowych itp.

Zastosowanie kompozytów o osnowie polimerowej obejmuje z kolei elementy
izolacyjne i elektrostatyczne, łopatki wirników, zbiorniki i instalacje wodne, pokrycia
elewacyjne budynków, meble, wyposażenie wnętrz samochodów, elementy karoserii
samochodowych, elementy kadłubów i skrzydeł samolotów, sprzęt ochrony osobistej,
sprzęt sportowy.
Stanowiąc element określonej konstrukcji, powyższe materiały muszą być
niekiedy łączone z innymi podzespołami. Najczęściej zaleca się do tego celu metody
łączenia nie wprowadzające ciepła do strefy złącza, takie jak nitowanie, skręcanie
śrubami, zaciskanie, klejenie (materiały i kompozyty ceramiczne, metalowe i niektóre
polimerowe) czy też spinanie, sczepianie i zszywanie (niektóre materiały
polimerowe). W przypadku konieczności stosowania termicznych metod łączenia
(spawanie, zgrzewanie, lutowanie) dobór metody i warunków procesu musi
zapewnić:
- zachowanie w strefie łączenia ciągłości struktury kompozytu, a w zasadzie
ciągłości występowania jego wzmocnienia;
- ograniczenie możliwości oddziaływania dyfuzyjnego składników wzmocnienia z
osnową w warunkach temperaturowo-czasowych procesu łączenia;
- ograniczenie lokalnych sił i naprężeń cieplnych powstających podczas procesu
łączenia pomiędzy osnową kompozytu, a wzmocnieniami zwłaszcza w postaci
ciągłych warstw i włókien o odmiennej od osnowy rozszerzalności cieplnej (np.
kompozyty metalowo-ceramiczne, metalowo-węglowe, ceramiczno-metalowe).
Dlatego też termiczne metody łączenia kompozytów muszą zapewniać
równomierne nagrzewanie kompozytu w całej objętości (lutowanie piecowe) lub
bardzo wąską strefę wpływu ciepła i karb postaciowy (spawanie skoncentrowaną
wiązką energii, zgrzewanie oporowe, kondensatorowe i tarciowe).
W większym stopniu niż w przypadku innych materiałów konstrukcyjnych należy
rozważyć zastosowanie do łączenia kompozytów klejenia. Metoda ta pozwala łączyć
ze sobą różnoimienne materiały a ponadto nie wymaga wprowadzenia ciepła
wpływającego często negatywnie na łączone materiały.
Wymagane warunki bhp dla procesów łączenia materiałów kompozytowych są
podobne jak w przypadku łączenia tymi metodami materiałów stanowiących osnowę
kompozytów.

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze¿one. Powielanie lub rozpowszechnianie ca³oœci wzglêdnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIÊDZYNARODOWEGO

IN¯YNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Procesy spajania

ceramiki i kompozytów

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

1.18

AW 8

Literatura uzupełniająca

1. Blicharski M.: Wstęp do inżynierii materiałowej. WNT Warszawa, 2003.
2. Dobrzański L.A. : Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo. WNT

Warszawa, 2002.

3. Praca zbiorowa : Poradnik Inżyniera, Spawalnictwo. T. 1 , WNT, Warszawa,

2005.

4. Praca zbiorowa : Poradnik Inżyniera, Spawalnictwo. T. 2, WNT, Warszawa,

2007.

5. Śleziona J.: Podstawy technologii kompozytów. Wyd. Politechniki Śl. Gliwice,

1998.

6. Winiowski A.: Spajanie materiałów kompozytowych. Przegląd Spawalnictwa

nr 12/1999

7. Włosiński W.: Spajanie metali z niemetalami. PWN Warszawa, 1989.
8. Hyla J.: Wybrane zagadnienia z inżynierii materiałów kompozytowych. WNT

Warszawa 1996

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze¿one. Powielanie lub rozpowszechnianie ca³oœci wzglêdnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIÊDZYNARODOWEGO

IN¯YNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Procesy spajania

ceramiki i kompozytów

1.18

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

AW 9