Technologia ceramicznych
Technologia ceramicznych
tlenkowych materiałów
tlenkowych materiałów
narzędziowych
narzędziowych
(Al2O3)
(Al2O3)
Katowice, 11.05.15 r.
Materiały narzędziowe

Duża trwałość,
Rodzaj stosowanego
materiału ma wpływ na:

duża wytrzymałość na

ściskanie, rozciąganie,
jakość obrabianego
skręcanie, zginanie,
przedmiotu,


odporność na zużycie
dokładność jego
ścierne i chemiczne,
wykonania i cechy
użytkowe,

odpowiednia

ciągliwość,
wydajność obróbki
i jej koszt.

duża udarność.
Rys.1. Stosowane obecnie materiały
narzędziowe
Ceramika narzędziowa
ceramika tlenkowa ceramika nietlenkowa
(azotkowa)
Cechy ceramiki
narzędziowej:
Wady:

Duża odporność na

Duża kruchość,
ścieranie,
wrażliwość na

Mała przewodność cieplna
obciążenia zginające,
i elektryczna,

Zmęczenie cieplne.

Duża odporność na
korozję,

Duża wytrzymałość
w wysokich temperaturach,

Mała gęstość.
Metoda metalurgii proszków

Wytwarzanie materiałów z proszków niemetali,
materiałów ceramicznych lub/i ich mieszanin bez
przechodzenia przez stan ciekły.

Oddzielone ziarna proszków łączą w jednolitą masę
podczas wygrzewania silnie sprasowanych kształtek
w atmosferze redukującej lub obojętnej.

Metodę tą najczęściej wykorzystuje się wtedy (ale nie
tylko), gdy metody odlewania i formowania zawodzą.
Zalety MP
Przy pomocy tej metody można otrzymywać materiały o:

ściśle określonym składzie chemicznym,

wysokim stopniu czystości,

drobnoziarnistej strukturze,

własnościach izotropowych,

skomplikowanych kształtach,

wysokiej jakości powierzchni.
Poza tym:

eliminacja lub minimalizacja obróbki maszynowej,

eliminacja lub minimalizacja strat materiałów.
Etapy MP
1. Utworzenie proszków niemetali, materiałów
ceramicznych lub/i ich mieszaniny.
2. Formowanie i prasowanie proszków.
3. Spiekanie.
4. Ewentualna obróbka wykańczająca.
1. Utworzenie proszków niemetali, materiałów
ceramicznych lub/i ich mieszaniny

Proszek może być produktem mechanicznego rozdrobnienia
materiału bez zmiany jego składu chemicznego lub produktem
reakcji chemicznych z innych substancji.
Tłuczenie,
mielenie,
kruszenie,
ścieranie.
Reakcje
Przez
strącania,
rozpylenie
współstrącania,
ciekłego
rozkład
strumienia
termiczny soli.
materiału
gazem lub
wodą.
Rys.2. Klasyfikacja metod wytwarzania proszków niemetali, metali i stopów
1. Utworzenie proszków niemetali, materiałów
ceramicznych lub/i ich mieszaniny

Młyny do otrzymywania drobnych proszków:
- grawitacyjne,
- odśrodkowe,
- strumieniowe,
- wibracyjne,
- obrotowo  wibracyjne, Rys.3. Młyn wibracyjny
- pierścieniowe,
- typu  attritor .
Rys.4. Młyn grawitacyjny
Rys.5. Młyn attritor
1. Utworzenie proszków niemetali, materiałów
ceramicznych lub/i ich mieszaniny
Rys.7. Rozpylanie gazowe
Rys.6. Rozpylanie parą wodną
2. Formowanie i prasowanie proszków

Formowanie proszków zagęszczenie na drodze ściskania
w zamkniętej przestrzeni. W zależności od wymaganego kształtu
elementu dobiera się odpowiednią metodę formowania.
Podstawowe sposoby zagęszczania proszku:
a) prasowanie w matrycy,
b) prasowanie w formie elastycznej lub plastycznej (wielostronny nacisk),
c) walcowanie.
Rys.8.
Rys.9.
Rys.10. Przebieg prasowania proszków
3. Spiekanie

Wygrzewanie uformowanej kształtki przez określony czas,
w odpowiedniej temperaturze oraz atmosferze.
Otrzymanie materiału spiekanego, który odznacza się lepszą
spoistością niż uformowana kształtka.

Zasadnicze zjawiska zachodzące podczas spiekania to:
- przemieszczanie się atomów (transport masy),
- dyfuzja powierzchniowa i objętościowa,
- płynięcie wywołane ciśnieniem kapilarnym,
- parowanie i kondensacja.
Przyczyna: nadwyżka energii układu cząstek proszku (duża
powierzchnia właściwa).
Obniżenie energii układu: zmniejszanie powierzchni swobodnych
cząstek.
4. Obróbka wykańczająca

Obróbka cieplna i cieplno-chemiczna - polepszenie własności
wyrobów spiekanych.

Utlenianie w parze wodnej - poprawienie odporności na korozję
oraz zmiana własności fizycznych i mechanicznych.

Kalibrowanie - przeprowadzane na gotowych produktach,
uzyskanie wyższej dokładności wymiarowej.

Nasycanie spieków (np. niemetalami)

Obróbka plastyczna i skrawanie - uzyskanie wymaganych
cech geometrycznych i własności.
Ceramika tlenkowa
Czysta ceramika Ceramika mieszana Ceramika umocniona
tlenkowa wiskerami lub płatkami
Czysta ceramika tlenkowa (tzw. ceramika biała):
Podstawowym składnikiem jest ą  Al2O3 (korund) wykazujący:

dużą twardość w temperaturze podwyższonej i pokojowej,

dużą odporność na zużycie ścierne i chemiczne,

pasywność na powietrzu.
Wady: duża kruchość, mała odporność na szoki termiczne.
Czysta ceramika tlenkowa + dodatki
1) MgO, TiO: ograniczenie rozrostu ziarna w ceramice.
2) ZrO2:

polepszenie ciągliwości, odporności na pękanie i szoki termiczne
ceramika Al2O3 + ZrO2 (3  15%)

maksimum wytrzymałości na zginanie Al2O3 + 15 % ZrO2

Dodatek tlenku powoduje umocnienie wywołane przemianą
martenzytyczną z sieci tetragonalnej w jednoskośną podczas
chłodzenia. Dochodzi do zwiększenia objętości właściwej o 3-5%.

Przemiana: wokół cząstek powstają mikropęknięcia, które ulepszają
właściwości osnowy absorbują energię pękania przy obciążenie
mechanicznym i cieplnym (polepszenie odporności na kruche
pękanie).

Temperatura przemiany: jest tym niższa im drobniejsze są cząstki
tlenku cyrkonu, dla cząstek mniejszych od wielkości krytycznej
przemiana nie zachodzi (wymuszenie przemiany przez np.
szlifowanie).
Ceramika mieszana

Al2O3 + TiC i/lub TiN (30  40%) ceramika mieszana
o kolorze czarnym, uzyskanym dzięki TiC.
Działanie TiC i TiN:

dyspersyjne umocnienie ceramiki zwiększa ciągliwość materiału
(równomiernie rozmieszczone TiC i TiN zatrzymują pęknięcia
inicjowane w osnowie),

wzrost twardości,

odporność na zużycie ścierne,

odporność na szoki termiczne,

dobra przewodność cieplna.
Wada: powyżej 1070 K TiC ulega utlenieniu, co powoduje
pogorszenie właściwości użytkowych ceramiki mieszanej.
Ceramika umocniona wiskerami lub
monokrystalicznymi płatkami

Al2O3 + wiskery z SiC wbudowane w osnowę / płatki SiC lub Al2O3

Wiskery  monokryształy w kształcie włosków o małym stężeniu
defektów, które wykazują dużą wytrzymałość mechaniczną i małą
rozszerzalność cieplną.
Działanie wiskerów:

zwiększenie twardości,
Rys.11. Monokrystaliczne płatki Al2O3

zwiększenie wytrzymałości na zginanie,

zwiększenie odporności na pękanie,

duża odporność na szoki termiczne.
Wada ceramiki: mała odporność na obciążenia
dynamiczne.
Rys.12. Wiskery SiC
Rys.13.
Rys.14.
Zastosowanie ceramiki tlenkowej

Ceramika biała  narzędzia do obróbki zgrubnej oraz
średniodokładnej (przede wszystkim toczenia) stali węglowej,
niskostopowej oraz żeliwa.

Ceramika mieszana - toczenie wykańczające i frezowanie
dokładnie stali hartowanych, stopowych i żeliw utwardzonych.

Ceramika umocniona whiskerami  obróbka nadstopów niklu,
superstopów żaroodpornych.
Ceramiczne gatunki płytek wieloostrzowych:
- techniki skrawania,
- operacje toczenia z dużymi prędkościami,
- frezowanie.
Dziękuję za uwagę
Bibliografia

Wysiecki M.: Nowoczesne Materiały Narzędziowe, Warszawa,
WNT, 1997.

Dobrzański L.: Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo,
Warszawa, WNT, 2002.

Rutkowski W.: Metalurgia proszków, Wrocław, Wydawnictwo
Czytelnik, 1950.