Podstawowe własności materiałów ceramicznych

•korzystny stosunek masy do objętości,

•biokompatybilność

•wysoka temperatura topnienia,

•duża odporność korozyjna,

•duża stabilność termiczna oraz wytrzymałość mechaniczna

•wysoka wytrzymałość na ściskanie

•w podwyższonej temperaturze (żaroodporność, żarowytrzymałość),

•wysoka kruchość, twardość i związana z nią odporność na ścieranie,

•mała przewodność cieplna i elektryczna.

W przeciwieństwie do metali wytrzymałość materiałów ceramicznych i szkieł może się zmniejszać z upływem czasu bez działania naprężeń cyklicznych, co nazywamy zmęczeniem statycznym Natomiast stosowanie materiałów ceramicznych w wysokich temperaturach w połączeniu z ich wrodzoną kruchością sprawia, że pojawia się problem pękania spowodowanego szybkimi zmianami temperatury tzw. szokiem cieplnym.

Zaletą wynikającą z charakteru wiązań międzyatomowych jest to, że ceramiki są twarde, a zatem są one odporne na zarysowania lub wgniecenia i dlatego są odpowiednie do zastosowania jako materiały o dobrej odporności na ścieranie i jako materiały ścierne do cięcia, szlifowania i polerowania metali.

Wytwarzanie - formowanie materiałów ceramicznych i kompozytów

Kolejność podstawowych stadiów procesu ceramicznego:

CERAMIKA WŁAŚCIWA- proszek formowanie ogrzewanie

SZKŁO- proszek ogrzewanie formowanie

MATERIAŁY WIĄŻĄCE- ogrzewanie proszek formowanie

Technologiczny proces wytwarzania materiałów ceramicznych:

1. Wytwarzanie mas

2. Formowanie

3. Suszenie

4. Wypalanie

1.Przygotowanie surowców do formowania obejmuje rozdrabnianie (kruszenie lub mielenie, rozcieranie), mielenie, mieszanie oraz ich oczyszczanie. Taki materiał jest zanieczyszczony cząstkami metalicznymi. Do ich usuwania stosuje się oddzielanie magnetyczne za pomocą ferrytowych magnesów trwałych lub używanie separatorów magnetycznych o dużym natężeniu pola magnetycznego.

Masy ceramiczne ze względu na konsystencje dzielą się na: masy lejne, ich wilgotność wynosi ponad 30%, masy plastyczne o wilgotności 13-30% oraz masy sypkie, których wilgotność mieści się w granicach 2-12%.

2.Metody formowania: formowanie ręczne, toczenie wyrobów, odlewanie, prasowanie.

3. Rozróżnia się trzy rodzaje wody znajdującej się w uformowanej masie:

-wodę swobodną (inaczej zwana błonkową, oddziela ona od siebie ziarna materiału, tworzą się w ten sposób powłoki na ziarnach),

-wodę kapilarną (zwana inaczej wodą porów, woda ta wypełnia pory)

-wodę adsorpcyjną (jest to woda, która gromadzi się na powierzchni cząstek).

Wytwarzanie materiałów ceramicznych i kompozytów metodą formowania i spiekania proszków

Metalurgia Proszków to:

• Konkurencyjna metoda dla procesów odlewania, kucia i obróbki ubytkowej.

• Stosowana gdy:

-temperatura topnienia jest zbyt wysoka (W, Mo).

-twardość jest zbyt duża dla obróbki skrawaniem.

- skala produkcji jest duża.

• Możliwość wytwarzania materiałów porowatych i kompozytowych niemożliwych do wytworzenia innymi metodami.

• Dobra zgodność wymiarowa.

Etapy wytwarzania spieków

- Wytwarzanie proszku

- Przygotowanie proszku

- Formowanie (prasowanie)

- Spiekanie

- Obróbka wykańczająca

Przygotowanie proszku:

1. Redukcja tlenków

2. Wyżarzanie

3. Odważenie proszków

4. Dodanie środków poślizgowych

5. Mieszanie

ROZKŁAD GĘSTOŚCI:

Na gęstość wypraski wpływ mają:

-Rodzaj proszku,

-Metoda prasowania,

-Ciśnienie prasowania,

-Kształt formy,

Przy spiekaniu:

•Temperatura i czas spiekania,

•Zastosowana atmosfera

•Obecność fazy ciekłej

Formowanie:

1. Zasypanie matrycy

2. Sprasowanie proszku

3. Usunięcie wypraski

Formowanie wtryskowe proszku

Metoda ta wzięła swój początek od formowania wtryskowego materiałów polimerowych, stosowanego na szeroką skalę do wytwarzania materiałów termoplastycznych. Umożliwia ona wykorzystanie zalet formowania

wtryskowego polimerów do wytwarzania materiałów metalowych, ceramicznych i metalowo-ceramicznych. Wzrost zastosowania formowania wtryskowego proszku PIM (Powder Injection Molding) jaki przypada na kraje rozwinięte obejmuje już prawie każdą dziedzinę życia. Szerokie zastosowania metody wynikają z możliwości wytwarzania elementów o skomplikowanych kształtach, stosunkowo małej masie i wysoko rozbudowanej powierzchni, co w przypadku innych metod wytwarzania materiałów spiekanych jest wyjątkowo trudne lub też niemożliwe. Dodatkowym atutem tej metody jest niewątpliwie możliwość pominięcia obróbki plastycznej i ubytkowej, oraz związane z tym korzyści ekonomiczne i ekologiczne. Formowanie wtryskowe proszku w porównaniu do innych metod wytwarzania materiałów spiekanych ma silne tendencje rozwojowe i z pewnością będzie metodą priorytetową w niedalekiej przyszłości.

Spiekanie- transformacja mechanicznie zespolonych wyprasek w w dużo wytrzymalsze, zespolone metalicznie spieki.

Największy wpływ na skurcz spieku ma mechanizm dyfuzji po granicach ziarn- przegrupowanie całych ziarn a nie pojedynczych atomów.

Procesy spiekania - podział

-Spiekanie w fazie stałej

-Spiekanie w fazie ciekłej

-Spiekanie w fazie supersolidus

Spiekanie w fazie stałej

Podstawową siłą napędową podczas spiekania w fazie stałej jest nadwyżka energii układu cząstek proszku w postaci energii powierzchniowej. Spiekany układ dążąc do minimalizacji energii, zmierza do zmniejszenia obszaru swobodnych powierzchni przez tworzenie szyjek, wygładzanie powierzchni, sferoidyzację i eliminacje porów. Spiekanie w fazie stałej zachodzi w temperaturze 0,70,8 bezwzględnej temperatury spiekanego materiału, w wyniku czego nie dochodzi nawet do przejściowego tworzenia się fazy ciekłej a głównymi mechanizmami przepływu masy są pełzanie, dyfuzja powierzchniowa, dyfuzja objętościowa, parowanie i kondensacja.

W wyniku płynięcia lepkościowego materiał przemieszcza się z cząstek do obszaru szyjki. Dzięki temu powiększa się płaszczyzna styku i zbliżają się do siebie środki cząstek. Proces dyfuzji

powierzchniowej polega na przemieszczaniu się atomów po powierzchniach ziarn od powierzchni wypukłych do powierzchni wklęsłych, ponieważ stężenie atomów słabo związanych z siecią krystaliczną metalu jest większe na powierzchni wypukłej niż wklęsłej. Ruch ten jest wynikiem działania napięć powierzchniowych i podczas spiekania jest bardzo intensywny.

Efektem dyfuzji powierzchniowej jest powiększenie się powierzchni styku bez zbliżania się środków cząstek metalu i skurczu spieku. Wzrost ziarna jest powszechną trudnością podczas spiekania, ponieważ powiększając się zmniejsza wielkość pożądanego obszaru granicy ziarna potrzebnego do spiekania. Dyfuzja powierzchniowa dominuje przy niskiej temperaturze spiekania, z tego powodu powolne podgrzewanie obniża siłę napędową spiekania bez zagęszczania wypraski.

Wskutek lokalnego występowania różnego rodzaju naprężeń i tym samym różnych stężeń wakancji i atomów na różnych granicach ziarna występuje ukierunkowane znoszenie dyfundujących wakancji oraz atomów i kierunkach przeciwnych. Efektem są zmiany kształtu ziarna. Schemat dotyczy dyfuzji objętościowej, która zachodzi w wysokich temperaturach. Niemniej dla dyfuzji po granicach ziaren występują identyczne mechanizmy przenoszenia masy.

Spiekanie w fazie ciekłej

Spiekanie z udziałem fazy ciekłej dotyczy układów wieloskładnikowych i przebiega najczęściej w temperaturze wyższej od temperatury topnienia najniżej topliwego składnika. Obecność fazy ciekłej aktywizuje proces spiekania dzięki procesom rozpuszczania zwiększającym ruchliwość atomów. Wpływ ten zależy w znacznym stopniu od zwilżalności fazy stałej przez fazę ciekłą określany skrajnym (ϕ) i dwuściennym (Ψ) kątem zwilżania.

Zalety i wady P/M:

•Teoretycznie nieograniczony wybór stopów, możliwość uzyskania materiałów o szczególnych właściwościach.

•Wytwarzanie trudno topliwych stopów.

•Wytwarzanie materiałów porowatych na łożyska samosmarujące.

•Ekonomiczny proces przy produkcji masowej.

•Długi czas wygrzewania wpływa na wymiary i kształt wyprasek.

•Zredukowanie strat materiałów.

•Ograniczony rozmiar spieków i kształt.

•Wysoki koszt wytworzenia proszku.

•Wysoki koszt narzędzi.

•Mniejsza wytrzymałość produktów, niż tych wytworzonych w konwencjonalnych metodach.

WĘGLIKI SPIEKANE

Węgliki spiekane są materiałami składającymi się z węglików metali trudno topliwych, głównie W (Wolfram), a także Ti (tytan), Ta (Tantal) i Nb (Niob), o udziale objętościowym ok. 65÷95% oraz metalu wiążącego, którym jest zwykle kobalt. Ponadto mogą być produkowane węgliki spiekane, w których metalem wiążącym jest nikiel, molibden oraz żelazo lub ich stopy z kobaltem.

Węgliki spiekane należą do grupy materiałów o najszerszym zastosowaniu w procesach obróbki kształtowej

Skład chemiczny spieków węglikowych

•węgliki metali wysokotopliwych ( WC, TiC, TaC, NbC)

•metal wiążący (Co, lub Ni )

Wielkość ziaren w węglikach spiekanych

ultra drobnoziarnista d < 0,5 µm. drobnoziarnista d < 1,5 µm.

standardowa d < 1,5 - 3 µm. gruboziarnista d < 3 - 30 µm.

Na właściwości węglików spiekanych wpływ mają:

•stosunek objętościowy węglików metali trudnotopliwych do metalu wiążącego

•wielkość zastosowanych ziaren, sposób formowania i spiekania

Własności węglików spiekanych

Do najczęściej podawanych własności dla spiekanych materiałów narzędziowych zalicza się: twardość,

wytrzymałość na zginanie i gęstość.

Węgliki spiekane w zależności od gatunku i przeznaczenia posiadają twardość od 1200 - 1600HV

Wytrzymałość na zginanie węglików spiekanych mieści się w przedziale od 1600 - 2300 N/mm2

Gęstość spieków węglikowych wynosi od 10,1 - 14,6 g/cm3

SZKŁO

W szkle występuje przewaga struktury bezpostaciowej nad krystaliczną, ale mimo to jest uznawana za materiał ceramiczny. Wytwarzane jest przez szybkie chłodzenie w zakresie temperatury krzepnięcia .

Szkła podlegają odszkleniu- DEWITRYFIKACJI stając się materiałem krystalicznym.

Tlenki występujące w szkłach ze względu na ich rolę dzieli się na:

-tworzące: SiO₂, B₂O₃, GeO₂, P₂O₅

-modyfikujące: Na₂O, K₂O, CaO, MgO, BaO, ZnO, PbO

-stabilizujące: Al₂O₃, ZrO₂, TiO₂

Własności mechaniczne szkieł:

- gęstość 2.1-6.5 g/cm³ (najczęściej 2.5)

-współczynnik rozszerzalności cieplnej 0,06 – 1x10^-6 K^-1

-wytrzymałość na rozciąganie 40-100 MPa (po hartowaniu 300 MPa)

-średnia twardość Mohsa 6

-wytrzymałość na ściskanie 600-1200 MPa

Podział ze względu na skład chemiczny

-kwarcowe

-krzemowo- sodowo- wapniowe

-borowe

-krzemowo- glinowo- sodowe

-litowe i inne

Podział ze względu na zastosowanie

-techniczne

-budowlane

-gospodarcze

-do wyroby opakowań

Zalety szkła

Odporność na czynniki atmosferyczne

-odporność na działanie kwasów (z wyjątkiem fluorowodorowego)

-odporność na działanie wysokich temperatur

-przezroczystość

-niepalność

-łatwość kształtowania w stanie plastycznym

-nieprzenikalność cieczy i gazów

-mała przewodność cieplna i elektryczna

Wady:

-kruchość