Miskolci Egyetem Mszaki Anyagtudományi Kar Kerámia és Szilikátmérnöki Tanszék Kerpely Antal Anyagtudományok és technológiák Doktori Iskola

Átírás

1 Miskolci Egyetem Mszaki Anyagtudományi Kar Kerámia és Szilikátmérnöki Tanszék Kerpely Antal Anyagtudományok és technológiák Doktori Iskola Alumínium-oxid porkerámiák alakadási technológiai paramétereinek optimalizálása, különös tekintettel a mechanikai tulajdonságokra és a mikroszerkezetre PhD értekezés Készítette: Tamásné Csányi Judit okleveles anyagmérnök Tudományos vezet: Dr. Gömze A. László egyetemi docens Miskolc 7

2 Kerámia- és Szilikátmérnöki Tanszék Miskolci Egyetem Mszaki Anyagtudományi Kar Tel.: /5-66 Fax: H-355 Miskolc- Egyetemváros HUNGARY Department of Ceramics and Silicates- Engineering University of Miskolc Faculty of Materials Science and Engineering http//keramia.uni-miskolc.hu AJÁNLÁS TAMÁSNÉ CSÁNYI JUDIT Alumínium-oxid porkerámiák alakadási és égetési technológiai paramétereinek optimalizálása, különös tekintettel a mechanikai tulajdonságokra és a mikroszerkezetre Tamásné Csányi Judit -4. között nappali doktorandusz hallgató volt a Kerámiaés Szilikátmérnöki Tanszéken. A téma megfogalmazásakor figyelembe vettük a KEROX Kft. a MIKERON Kft. és a BAKONY Ipari Kerámia Kft. elvárásait, hogy a kereskedelemben elfogadható áron beszerezhet, nem-nagytisztaságú alumíniumoxidpor alapanyagból versenyképes minség, megfelel mechanikai tulajdonságokkal bíró víz- és gáztömör mszaki kerámiák legyenek gyárthatóak elállíthatóak. A téma megfogalmazásán túl a fenti 3 Kft. folyamatosan biztosította a szükséges alapanyagokat; igény esetén biztosította a szükséges alakító szerszámokat és présgépet, valamint a szinterel, égetkemencét. A témakör helyzete speciálisnak tekinthet, amennyiben a f irányt az iparilag gyártott mszaki kerámia termékek felhasználható-centrikus tulajdonságainak analízise, valamint ezen tulajdonságok elérhetsége és javíthatósága képezte a megfelel alakadási és szinterelési technológia megválasztásával. Így az anyag szerkezetének leírása esetén is a technológiai paraméterek anyagszerkezetre gyakorolt hatásának feltárása kapta a f hangsúlyt. Tamásné Csányi Judit munkavégzés közben rendszeresen igényt tartott az egyes részkérdésekben tanácsaimra. Munkáját következetesen, nagy kitartással végezte. Az alumínium-oxid sajtolóporok reológiai és reo-mechanikai tulajdonságainak megértése céljából nagy erfeszítéseket tett a hiányos mechanikai ismereteinek pótlására és felzárkóztatására tankönyvek, szakmai folyóiratok sokaságának áttanulmányozásával. A kísérleti munka legfontosabb részének azt tartom, hogy a laboratóriumi eszközpark az alakadási (sajtolási) és szinterelési (hkezel) berendezések teljesítmény korlátai ii

3 mennyiben tették lehetvé az alumínium-oxid kerámiák mszaki szempontból legfontosabb mechanikai és anyagszerkezeti tulajdonságainak befolyásolhatóságát, az elállított anyag mikroszkopikus tulajdonságainak megismerését. A rendelkezésre álló alapanyagok és laboratóriumi eszközök szigorúan adottak voltak, ezekhez képest a Jelölt kihozta a maximumot. A mszaki kerámiák gyártására használt alumínium-oxid porok reológiai vizsgálatainál a jelölt sikeresen használta a kombinált reo-tribométer, míg a mechanikai vizsgálatoknál a rendkívül nagy nyomószilárdság miatt hajlító vizsgálatokra került sor. A kiégetett alumínium-oxid porkerámiák anyag szerkezetét diffrakciósan, a töretfelületét pedig SEM módszerrel elemezte. Ezek a vizsgálatok feltárták az alakadási és alkalmazott szinterelési technológiák hatását, kapcsolatát a kiégetett alumínium-oxid porkerámiák mechanikai tulajdonságaira és mikroszerkezetére. A fentiek alapján a Jelölt által elvégzett munkát értékesnek és figyelemre méltónak tartom. A dolgozatot magát úgy a bírálók, mint az olvasók, a potenciális ipari és tudományos felhasználók számára szintén ajánlom. Miskolc, 7. május 4. Dr. Gömze A. László iii

4 Tartalomjegyzék Bevezetés, célkitzések.... Alumínium-oxid kerámiák alakadási és égetési (szinterelési) technológiáiban eddig elért eredmények kritikai elemzése Alumínium-oxid kerámiák tulajdonságai Alumínium-oxid sajtolóporok tulajdonságai és ezen tulajdonságok befolyásolási módszerei Alumínium-oxid sajtolóporok tulajdonságai Az alumínium-oxid sajtolópor tulajdonságának befolyásolási módszerei Alumínium-oxid sajtolóporok reológiai tulajdonságai Az ömlesztett anyagok porok- mechanikája, reológiája Reológiai modellek és reo-mechanikai anyagegyenletek Magas Al O 3 tartalmú kerámiák alakadása száraz porsajtolással Az alumínium-oxid porok sajtolásának legelterjedtebb módjai A porsajtolási elméletek fejldése Porsajtolás mechanikai méretezési modelljei Sajtolóporban sajtolás közben kialakuló nyomásviszonyok, nyomáseloszlások elemzése Az alumínium-oxid kerámiák szinterelésekor lejátszódó átalakulások, jelenségek A szinterelés alaptételei Szinterelés nitrogén atmoszférában Összegzés Kísérleti módszerek, elvégzett vizsgálatok Az alkalmazott kísérlettervezési módszer bemutatása Reológiai tulajdonságok vizsgálatára végzett kísérletek Alakadási és szinterelési tulajdonságok vizsgálatára végzett kísérletek Zsengélt és égetett kerámiák vizsgálata Összegzés Alumínium-oxid kerámiák sajtolási, tömörödési vizsgálata Alumínium-oxid sajtolóporok reológiai vizsgálata Az alumínium-oxid porok sajtolási, tömörödési vizsgálata Sajtolási paraméterek hatása a kiégetett Al O 3 kerámiák tulajdonságaira Eredmények összegzése Az égetési (szinterelési) atmoszféra hatása a magas Al O 3 kerámiák tulajdonságaira Szinterelési atmoszféra és a hmérséklet hatása a mikroszerkezetre A szinterelési hmérséklet és a sajtoló nyomás együttes hatása a sajtolt alumínium-oxid kerámiák tulajdonságaira Összegzés Összefoglalás Summary... 9 Tudományos eredmények, az értekezés tézisei... 9 Irodalomjegyzék sz. MELLÉKLET.... sz. MELLÉKLET sz. MELLÉKLET... 3

5 Bevezetés, célkitzések A hagyományos Al O 3 kerámiák a mszaki kerámiák. illetve 3. generációjához tartoznak szennyezettségük miatt. Ugyanakkor a nagytisztaságú, különleges feltételek mellett gyártott alakított és szinterelt - Al O 3 termékek a mszaki kerámiák 4. illetve 5. generációjába sorolhatók. A mi célunk az, hogy megfelel technológiai feltételek létrehozásával és annak gyártás során történ biztosításával a. és 3. generációhoz tartozó szennyezettség Al O 3 alapanyagból ilyen 4. vagy 5. generációhoz tartozó kerámiákkal egyez mechanikai, fizikai tulajdonságú termékeket hozzunk létre. A Bayer-eljárás során a nagymennyiségben elállított alumínium-oxid, mint keramikus alapanyag forradalmasította ezen anyagok elterjedését és ipari alkalmazását; tekintettel arra, hogy ezek a mszaki kerámiák kiváló mechanikai, fizikai és elektromos tulajdonsággal rendelkeznek, valamint a vegyi anyagokkal és a korrózióval szemben is igen ellenállóak. Ugyanakkor napjainkban még számos megválaszolatlan kérdést tartogat számunkra ez az anyag, mivel eltérbe kerültek olyan felhasználási területek, mint a különleges mechanikai és fizikai igénybevételek, orvosi alkalmazások, elektronika és nanotechnológia. A felhasználási területtl függetlenül a termékek elállításában közös, hogy azok alakadása és a szinterelése a portechnológiában jól bevált módszerekkel történik. Ehhez ismerni kell a porok reológiáját, viselkedését az adagolás, töltés és az alakadás során. Számos szerz foglalkozik az öntiszapok [,,3,4,5] illetve -3% nedvességtartalmú masszák reológai tulajdonságaival[6,7,8], nemcsak a kerámia iparban, de a gyógyszeriparban is a különböz porok folyási tulajdonságainak jellemzésére, leírására. Ismert alakadási technológia az alumíniumoxid mszaki kerámiák száraz porsajtolásának területén az egy- és a kétoldali sajtolás [9,,,], valamint az izostatikus préselés [3,4]. A sajtolás folyamatát, elvét és hatásmechanizmusát számos szakirodalom ismerteti [5,6,7]. Ezekbl egyértelmen kitnik, hogy a kerámiatermékek tömörödését a porok szemcseméretével és szemcseszerkezetével, valamint az alkalmazott alakadási technológiával és sajtolónyomásokkal tudjuk irányítani, befolyásolni. A sajtolási feltételek és technológiákon kívül a szinterelés módja is jelents mértékben befolyásolja a kerámia termék minségét, attól függen, hogy az milyen típusú kemencében és atmoszférában történik. A tömörödésre és a mikroszerkezet kialakítására összességében hat a porok karakterisztikája, a por összetétele, az alkalmazott adalékanyagok, a szinterelési

6 atmoszféra és a hntartási id. Az átkristályosodás és a diffúzió szempontjából elvárt tulajdonságai a poroknak és nyers próbatesteknek általában jól ismert. Az agglomerátumok és a gyártott próbatestek inhomogenitásának hatása a kiégetett kerámiák mikroszerkezetében jelentkezik. Az értekezés a reológiai jellemzk mellett, bizonyos tömörít feszültség és szinterelési atmoszféra hatásmechanizmusát vizsgálja és feltárja azok ok-okozati összefüggéseit a gyártott termék mikro- makroszerkezetére, valamint fizikai, mechanikai tulajdonságaira. Az értekezés célkitzései:. Az alumínium-oxid atomizer porok reológiai tulajdonságainak feltárása az alakítástechnológia számára használható anyagmodellek és anyagegyenletek felállítása.. A termék mikro- és makroszerkezetének, valamint mechanikai tulajdonságai szempontjából optimális vagy közel optimális sajtolónyomás értékek meghatározása; különös tekintettel arra, hogy az alakadáskor használt sajtolónyomással befolyásolhatók-e a mechanikai tulajdonságok, megközelíthetk-e vagy elérhetk-e a 4-5. generációs nagytisztaságú alumínium-oxid termékekre jellemz szilárdsági értékek. 3. Megvizsgálni és feltárni, hogy az alumínium-oxid szinterelésekor kifejt-e a nitrogén védgáz olyan pozitív hatást a kerámia termékek anyagszerkezetére és mechanikai tulajdonságaira, mint ahogyan ez megfigyelhet az acélötvözetek nitridálásakor, illetve karbonitridálása során. 4. Megvizsgálni és feltárni, hogy a megfelel gyártástechnológia kialakításával a hagyományos tisztaságú, szennyezettség 9-99,7% Al O 3 -tartalmú alapanyagokból elállíthatók-e olyan kiváló mechanikai tulajdonságú termékek, mint amilyeneket a 4-5. generációs nagytisztaságú Al O 3 -ból gyártanak. 3

7 . Alumínium-oxid kerámiák alakadási és égetési (szinterelési) technológiáiban eddig elért eredmények kritikai elemzése A mszaki kerámiaipar eltér szemcseméret és szemcseszerkezet, illetve tisztaságú alumínium-oxid (korund) porokat használ termékeinek elállítására. Ezek közös jellemzje, hogy mesterséges úton a bauxitból állítják el a jól ismert Bayereljárással. A vörös szín bauxit hazánkban is jelents mennyiségben található, amelyekben különböz hidroxidok formájában fordul el: AlO(OH) alakban a kristályszerkezettl függen, mint böhmit (γ-alo(oh)) vagy diaszpor (γ-alo(oh)); (Al O 3. 3H O) alakban mint hidrargillit (Al O 3 3H O) vagy más néven gibbsit (γ- Al(OH) 3 ). [8]. Tiszta α-al O 3 srbb, keményebb, merevebb és nagyobb olvadáspontú, mint a legtöbb szilikát kerámia (Morell, 987)[9]. Ezért a kerámiaipar az α-al O 3 -ot részesíti elnyben a korund más módusulataival szemben. Az alumínium-oxid módosulatait az.. ábra mutatja be... ábra: Az alumínium hidrátok dehidratációja (Átvéve: Walter H. Gitzen: Alumina as a ceramic material, 7. oldal, 5. ábra)[] T, C A préspor elállításához nagy tisztaságú timföld mellett különböz adalékanyagokat (talkum, kalcit, kaolin és bentonit) is használnak. Ezért a 9% Al O 3 tartalmú présport mszaki kerámia termékek elállításához az ipar már jónak tartja, mivel ebbl már nagy mechanikai szilárdságú víz- és gáztömör termék állítható el, miközben a technológiai tulajdonsága is kedvez. Így például a kaolin rlésnél iszapban tartja a finomszemcsés 4

8 anyagot, a talkum a szinterelésnél az üvegfázis létrejöttéhez szükséges, míg a bentonit a nyerstermék szilárdságát növeli. A kerámiaiparban használt alumínium-oxid porokat porlasztásos technológiával állítják el megfelel mérték olajsavas emulzió és PVA oldat hozzáadásával. A fémszappanok közé tartozó szerves vegyület (C 7 H 35 COO) Ca, a Ca-sztearát hozzáadásával megakadályozható a sajtolópor feltapadása a sajtoló szerszám falára. A sajtolt termék minsítésére, repedések, porozitások kimutatására gyakran használják a fuxint.. Alumínium-oxid kerámiák tulajdonságai Az Al O 3 kristály szerkezetét legegyszerbb úgy elképzelni (.. és.3 ábra), hogy egy hexagonális rácsú szoros térkitöltés oxigén rács oktaéderes lyukaiban vannak az Al-atomok. Mivel a hexagonális rácsban az atomok száma és az oktaéderes lyukak száma megegyezik, minden lyukban nem jut Al, csupán három közül kettbe.[] a) b) A hexagonális rácsú oxigén.. ábra: Hexagonális rácsú oxigén (Átvéve: a) Dr. BárczyPál: Anyagszerkezettan, 98.oldal b) F. Filser & L.J. Gauckler: Keramische Werkstoffe, Kapitel 4: 4 Beispiele für strukturkeramische Werkstoffe) A nagytisztaságú Al O 3 átlagos szemcsemérete 5-m. Azonban a szennyez tartalom hatására kialakuló üveges fázis a szemcsehatárokon helyezkedik el és az átlagos szemcseméret akár µm is lehet (.4. ábra). Az Al O 3 kerámiák tisztaságától és elállításától függen lényeges különbségek alakulhatnak ki az egyes termékek szerkezetében és tulajdonságaiban.[,3] 5

9 ..3. ábra: Hexagonális rácsú oxigén (Átvéve: F. Filser & L.J. Gauckler: Keramische Werkstoffe, Kapitel 4: 4 Beispiele für strukturkeramische Werkstoffe). a) Mikroszemcsék b)durvaszemcsék.4.ábra: Alumínium-oxid kerámiák szövetszerkezete (Átvéve: F. Filser & L.J. Gauckler: Keramische Werkstoffe, Kapitel 4: 4 Beispiele für strukturkeramische Werkstoffe) A különböz tisztaságú Al O 3 kerámiák tulajdonságait az.-.3. táblázat ismertetik. A táblázatból jól látható, hogy minél nagyobb tisztaságú alumínium-oxidot használunk, annál kedvezbb mechanikai, elektromos és termikus tulajdonságokkal bír a kiégetett kerámia... táblázat Az Al O 3 mechanikai tulajdonságai [4] MECHANIKAI MÉRTÉK- AL O 3 AL O 3 AL O 3 AL O 3 JELE TULAJDONSÁGOK EGYSÉGE < 9% 9-96% 99% > 99% Nyitott porozitás: - V/V % Srség: g/cm 3 > 3, > 3,4 > 3,5 3,75-3,94 Hajlítószilárdság: MPa > > 5 > Rugalmassági modulusz: E GPa > > Keménység: HV Mechanikai szívósság: K C MPam 3,5-4,5 4-4, 4-4, 4-5,5 6

10 .. táblázat Az Al O 3 elektromos tulajdonságai [4].3. táblázat Az Al O 3 termikus tulajdonságai [4] ELEKTROMOS MÉRTÉK- AL O 3 AL O 3 AL O 3 AL O 3 JELE TULAJDONSÁGOK EGYSÉGE < 9% 9-96% 99% > 99% Átütési szilárdság: E D kvmm Permittivitás (48-6 Hz) Veszteségi tényez ºC-on; (48-6 Hz) tan kf -3,5,5,,5,,5 Veszteségi tényez ºC-on; ( MHz) tan kf -3 Fajlagos villamos ellenállás ( ºC-on): m Fajlagos villamos ellenállás (6 ºC-on): m TERMIKUS MÉRTÉK- AL O 3 AL O 3 AL O 3 AL O 3 JELE TULAJDONSÁGOK EGYSÉGE < 9% 9-96% 99% > 99% Hkapacitás (3- ºC): c Jkg - K Hvezetés 3- Wm - K Hmérséklet-változás elleni ellenállás jó jó jó jó Max. használati hmérséklet: T ºC Alumínium-oxid sajtolóporok tulajdonságai és ezen tulajdonságok befolyásolási módszerei.. Alumínium-oxid sajtolóporok tulajdonságai Ismeretes, hogy tömörség szempontjából az a legjobb szemcseszerkezet, ahol az egyes frakciók aránya állandó. d d d d 3 d d n n... const. (.) Ugyanis ebben az esetben érhet el a legjobb térkitöltés, a legkisebb hézag és a pórustérfogat és így az adott anyagnál a legnagyobb tömörség szerkezet [5]. A kerámiaporok kívánt szemcseszerkezetét aprítással, rléssel állítják el. Elégtelen aprítás esetében a szemcseszerkezet durva, ennek hatására az égetett termék felülete is durva. Ezáltal az elkészített termék keménysége, kopásállósága, felülete, alaki minsége jelents mértékben lecsökken [5]. Ugyanakkor a nyersanyagok túlzott aprítása esetén számolni kell a kiporzással és a fajlagos felület növekedésével. A megnövekedett felület hasznos, mivel vele arányosan növekszik a felületi energia és ezáltal a szilárd fázisban lejátszódó reakciók sebessége. Grofcsik szerint a maximális 7

11 térkitöltés kerámiaporokat porlasztva szárítással állítják el, mivel az ekkor elállított sajtolómassza szemcséi gömbszimmetrikusak, ugyanakkor heterogén méretek [7,6]. A heterogén szemcseszerkezet térkitöltése kedvezbb, mivel homodiszperz, gömblakú szemcsék esetében a szemcsék egymás melletti helyezkedésekor ugyanannyi üres tér keletkezik, mint nagyobb vagy kisebb szemcsék tömörülésekor. Ha ellenben a nagyobb gömböcskék hézagait kisebb gömbökkel töltjük ki, ezzel polidiszperz rendszerre térünk át, és a térfogatsrség tovább növelhet, illetve a térkitöltés nagyobb (.5. ábra). a) Homodiszperz préspor b) Polidiszperz préspor.5. ábra: Homodiszperz és polidiszperz préspor (Átvéve: Grofcsik János: A kerámia elmélet alapja, 666. oldal)[7] Minél kisebb az átlagos szemcsenagyság, annál kisebbek a pórusok, és annál elnyösebb a formadarab égetési viselkedése. Az átlagos szemcsenagyság csökkenésének határt szab azonban a por fajlagos térfogatának növekedése, illetve a sajtolt darab szilárdságának csökkenése.[7] A préspor szemcsenagysága a késztermék térfogatára is nagy befolyással van. Azonos körülmények között a finomabb porból sajtolt darab srsége égetés után nagyobb. A viszonyokat vázlatosan az.6 ábra mutatja be. 8

12 .6. ábra: A sajtolt darab égetés utáni srsége a préspor szemcsenagyságának függvényében (Átvéve: Grofcsik János: A kerámia elmélet alapjai, 667. oldal)[7] Ez a hatás azzal magyarázható, hogy finom szemcsék esetében a fajlagos felület ersen megnövekszik, és a felületi erk kölcsönhatása következtében az összekristályosodás elbb indul meg [7].... Az alumínium-oxid sajtolópor tulajdonságának befolyásolási módszerei A sajtolóporok tulajdonságait rendszerint vagy rlés közben vagy utólagos adalékanyag hozzáadásával és homogenizálásával állíthatjuk el. rléssel állíthatjuk el a kívánt szemcseméretet és szemcseszerkezetet. A durvább szemcseszerkezet alapanyagok folyási tulajdonságai jobbak, mint a finomabbaké. Ezért a kerámia sajtolóporok esetében a -µm közötti szemcseméret-eloszlás ajánlott. Amennyiben az alapanyag %-ának a mérete kisebb, mint µm, akkor nemcsak a folyási tulajdonságok romlanak, de a préspor feltapad a sajtolószerszám felületére is. Ezért közkedveltek a kerámiaporok elállításánál az atomizerek, mert nemcsak a megfelel szemcseméret és szemcseszerkezet állítható el, de itt adagolható a porokhoz a különböz minségjavító adalékanyagok is, amennyiben az rlés eltt, rlés közben nem történt meg. Ilyen minségjavító adalékanyagok a következk: Diszpergálószer: csökkenti a viszkozitást. Az atomizerbe beadott adagban a nagy szilárdanyag tartalom a kedvez, mert ennek segítségével magas testsrség alapanyagot állíthatunk el, Kötanyag: a nyers szilárdság növelésére használják, 9

13 Folyósítószer: a kötanyag lágyságát növeli, és csökkenteni a por-kötanyag keverék nedvesség érzékenységét, Csúsztató adalék: csökkenti a bels súrlódási együtthatót, Nedvesít anyag: az anyag reológiai tulajdonságainak befolyásolása a mellett csökkenti a szinterelési idt és hmérsékletet. A fentieken kívül gyakran alkalmazott adalékanyag még a polivinil alkohol, ami poliglükollal van képlékenyítve, valamint a mikrokrisztallin-viasz emulzió, és az akrilviasz kötanyagok. A csúszási tulajdonságokat javító adalékként kedveltek még a sztearátok, és a korábban már említett talkum. Diszpergálószerekként összetett anionos karboxil savakat alkalmaznak. Mivel az agglomerátum tulajdonságai befolyásolják a késbbi termék tulajdonságait, a nem megfelel elkészítés maradó porozitást, alacsony szilárdságot, és rossz felületi tulajdonságokat okozhat a mszaki kerámia termékekben.[7,8].3. Alumínium-oxid sajtolóporok reológiai tulajdonságai Az alumínium-oxid sajtolóporok reológiai tulajdonságainak vizsgálatával csak néhány szakirodalom foglalkozik. Ezek közül jelents Carneim és Messing munkája. Kutatásuk során a szerves kötanyag és plasztifikátor tartalom hatását vizsgálják uniaxiáls sajtolás esetén. A tanulmányban ismertetik, és figyelembe veszik a plasztifikátorok viszkoelasztikus tulajdonságát is. A kísérletek során azonban nem kaptak szignifikáns eredményeket a sajtolópor és a plasztifikátor együttes hatására.[9] Piccolroaz és társai egy új módszert dolgoztak ki, mellyel a granulátumok sajtolásakor a mechanikai terhelés hatására végbemen deformáció, valamint a granulátumok közötti kohézió mértéke határozható meg, illetve írható le. A sajtolás jellemzésére elaszto-plasztikus, magyarul képlékeny-rugalmas mechanikai modellt alkalmaztak.[3] Bruni, Lettieri, Newton és Barletta vizsgálták a szemcseméret-eloszlás hatását az alumínium-oxid porok folyási és reológiai viselkedésére. A reológiai tulajdonságok feltárására Peschl nyírócellát használtak. Megállapították, hogy a folyási tulajdonságot alapveten befolyásolja a szemcseméret, a szemcsék közötti kohéziós erk.[3]

14 A bonyolult, nemlineáris, képlékeny-viszkorugalmas szilikátipari nyersanyagok és félkész termékek reológiai tulajdonságainak vizsgálatával, reológiai modelljeinek meghatározásával, a vizsgálat során ébred feszültség-állapotnak matematikai elemzésével a Kerámia- és Szilikátmérnöki Tanszék már hagyományokkal rendelkezik. Gömze A. László és munkatársai a bányanedves agyagásványok aprítását, az azbesztcement masszák extrudálhatóságát, csigasajtóval elállított termékek préselés utáni feszültség-állapotát, továbbá aszfaltkeverékek reológiai tulajdonságait vizsgálta. [7,8,3,33,34].3.. Az ömlesztett anyagok porok- mechanikája, reológiája Az ömlesztett anyagokban vagy szemcsés halmazokban a küls terhek és a saját súly hatására feszültségek jönnek létre. Egy tetszleges pontban fellép feszültségállapot a Mohr-féle kördiagrammal adható meg. A szemcsés halmazok határállapota akkor következik be egy bizonyos pontban, ha a pontbeli feszültségi állapot Mohr-diagramja elér egy bizonyos határgörbét. Tapasztalat szerint a határgörbe sok esetben jól közelíthet egy egyenessel, amely az alábbi egyenlettel írható fel: τ = tg Φ σ + c (.) Ezt a határgörbét más néven Coulomb-egyenesnek hívják, ahol c az elemek közötti kohézió, pedig a bels súrlódás szöge, illetve tg a bels súrlódási tényez. Olyan anyagoknál, mint a száraz homok a szemcsés anyag kohéziója zérus és a határgörbe az origóból indul ki. [35].3.. Reológiai modellek és reo-mechanikai anyagegyenletek Küls erk által gerjesztett mechanikai feszültségek hatására az anyagban lejátszódó (idtl függ) deformáció, alakváltozás leírására az alábbi három alapmodell szolgál. Ezek: az ideálisan rugalmas anyag, az ideálisan viszkózus anyag és az ideálisan képlékeny anyag. Amennyiben egy E rugalmassági, illetve G csavaró modulussal bíró ideálisan rugalmas testet t idpontban egy σ nyomó vagy τ csavaró igénybevételnek tesszük ki, az ε és γ fajlagos alakváltozás nagysága az

15 ε = σ E és γ = / G (.3) / τ összefüggésekkel írható le. Ezekre az anyagokra általában elmondható, hogy: σ = Eε σ = E ε és τ = Gγ G γ (.4) vagyis az ideálisan rugalmas testre (anyagokra) a Hook-törvény érvényes. Ezért ezeket az anyagokat Hook-féle anyagoknak is nevezzük. Amennyiben egy η= konstans viszkozitású ideálisan viszkózus (Newton-féle folyadék) testet egy t idpontban egy konstans σ mechanikai feszültséggel megterhelünk, akkor az alakváltozás mértéke az idvel lineárisan változik és felírható a dε σ = η = ηε (.5) dt ahonnan σ = ( t t ) (.6) η ε Amennyiben t i > t, úgy ε = ε i - azaz az anyagban (testben) egy idtl függ ε i nagyságú maradó alakváltozás lép fel. Ez azt jelenti, hogy állandó terhel feszültség esetén az ideálisan viszkózus anyag állandó folyásban van. Amennyiben egy σ s = const statikus folyáshatárral bíró ideálisan képlékeny testre (Saint-Venant-elem) a statikus folyáshatárt el nem ér σ küls mechanikai feszültség hat, úgy az alakváltozás nagysága zéró, azaz: σ < σ s, akkor ε = (.7) Amennyiben a testre ható küls mechanikai feszültség σ nagyobb vagy egyenl a σ s statikus folyáshatárhoz tartozó feszültség, azaz σ s < σ, akkor ε (.8) Az (.8) összefüggésbl könnyen belátható, hogy a végtelenhez tartó állandó folyás lép fel már abban az esetben is, amikor σ - σ s =.

16 Valós anyagok reológiai tulajdonságai viszonylag nagy pontossággal leírhatók ezeknek az ideális anyagoknak a sorba, illetve párhuzamba kapcsolásával. Ezek közül a legismertebbek a Maxwell modell (.7. ábra) és a Voigt-Kelvin modell (.8. ábra). Maxwell-féle reológai modell: Ezeknél az anyagoknál a terhelés kezdetén az összes feszültséget a rugalmas tag veszi fel. A rugó elmozdulásával a viszkózus elem is mozogni kezd, majd a rugó teljes alakváltozásakor a feszültség hatását a teljes egészében a viszkózus tag veszi át. A rugalmas tag a Hook törvényt követi, míg a viszkózus rész a Newton törvénynek tesz eleget. A soros modellnél a deformációk összegezdnek, a reológiai egyenlet a következ alakban írható fel: ε = ε r + ε c (.9) dε = dt dε r dε c dε + = dt dt dt E dσ + dt σ η (.) Állandó megnyúlás esetén: dε dt = σ = σ e t T (.) Azonos érték deformáció fenntartásához idben exponenciálisan csökken feszültség szükséges. Ezt a jelenséget a reológiában relaxációnak nevezik..7. ábra: A Maxwell modell A valóságos anyagokban visszamaradó deformáció hosszabb id után is tapasztalható, ez azonban a Maxwell modellbl nem következik. További hibának tekinthet, hogy 3

17 dσ állandó feszültség ( = ) mellett a modell az anyagot newtoni, ideális anyagként dt kezeli. Boltzman arra mutatott rá, hogy a testre t idben mköd σ feszültséget nemcsak a t idhöz tartozó alakváltozás befolyásolja, hanem az esetleges korábbi alakváltozások is; így bevezette az utóhatás függvényét. A reológiai viselkedés viszonylagos. Ez azt jelenti, hogy minden reológiai anyag vizsgálata esetén szükséges az észlelési id helyes megválasztása. A relaxációs mérések során ezt mutatja meg a Deborah-szám, amely a relaxációs (t r ), és a megfigyelési id (t m ) hányadosa: D N = t relaxációs / t megfigyelés (.) D N folyadék; D N szilárd Ez az érték nagyon anyagfügg, mert még a kzetek is folynak geológiai idtartam alatt. A Voigt Kelvin modell egy rugó és egy csillapító elem párhuzamos kapcsolatából áll el (.8. ábra). A terhelésként ható er következtében a rugalmas és a viszkózus elem együtt mozog. A viszkózus elem a deformációtól függetlenül állandó ert vesz fel, míg a rugó által felvett er nulláról lineárisan növekszik. Ekkor a modell alakváltozása (ε), a rugalmas elem (ε r ) és a viszkózus elem (ε c ) alakváltozása azonos kell legyen, tehát ε = ε r = ε c (.3) és a küls terhel feszültség (σ) egyenl a rugóelem (σ r ) és a csillapító elem (σ c ) bels feszültségeinek összegével, azaz σ = σ r + σ c (.4) dε σ = Eε + η (.5) dt σ η dε dε = ε + = ε + T (.6) E E dt dt 4

18 dσ Idben állandó feszültség ( = ) esetén: dt T d ε dε + = ε = ε e ( ε e ε ) e dt dt t T (.7) Így az alakváltozás-id függvény a: E t η σ ε ( t) = ( e (.8) E.8. ábra: A Voigt-Kelvin modell A Voigt-Kelvin modellben a rugalmas deformáció hosszabb id után asszimptótikusan közelíti meg a maximális deformációt. A deformáció megsznése után a relaxációhoz hasonló jelenség tapasztalható. A Voigt-Kelvin modell sem írja le megfelelen az összes terhelési módra az anyagok viselkedését, pl. konstans alakváltozás dσ ( = ) esetén elasztikusként azaz ideálisan rugalmas testként kezeli az anyagot. dt Napjainkban különösen a kerámiák és a szilikátipari alapanyagok és termékek mechanikai viselkedésének kutatásában [36] kettnél több alkotó elembl álló reológiai modelleket használnak. A többelemes modellek az egy vagy kételemes modellek kombinálásával, ezek egyenleteinek és görbéinek, mint görbeszakaszoknak az összeillesztésével írhatók le. Ezért az elemek számának növelésével a görbéket leíró egyenletek egyre bonyolultabbak lesznek. A legpontosabb leírást akkor kapnánk, ha minden pont pár esetét végig vizsgálnánk, de ez matematikailag lehetetlen. Ezért az anyag, mérési görbéjét szakaszokra bontjuk, majd a szakaszokat modellezzük és ezek modelljeit, illetve egyenleteit kapcsoljuk össze modell és egyenlet-rendszerekké. Általánosságban a kételemes rendszerek soros vagy párhuzamos kombinációit alkalmazzák, de esetenként egy elemes, alapmodelleket is bekapcsolnak a rendszerekbe. 5

19 A soros modell rendszereknél a feszültségek összeadódnak, míg a párhuzamosoknál eloszlanak a modellágakra, és a deformációk adódnak össze. A valóságos anyagok nagy része (pl. üvegszer anyagok, polimerek) csak nem-lineáris anyagként írhatók le. Ez azt jelenti, hogy valamilyen eltérést mindig tapasztalunk az eredeti, lineáris, illetve lineárisra visszavezethet modellektl. Ez az eltérés csökkenthet, újabb és újabb modell-elemek beépítésével, de ez egyre bonyolultabb összefüggéseket eredményez, és egy bizonyos határ után már nem javít lényegesen a közelítés pontosságán. A másik lehetség egy kísérleti úton meghatározható konstans hatványkitev bevezetése, ami az eredeti modelltl való eltérést mutatja. Ez a konstans valószínleg anyagfügg. Az irodalom ezt a konstanst -nak nevezi, és az e javasolja bevezetni. t T tartalmú tag(ok) hatványkitevjeként Így például a Maxwell modell eredeti egyenlete (.) a következképpen módosul: (Kohlrausch fractional stretched exponent formula = szakaszosan nyújtott exponenciális egyenlet): β t σ = σ T e (.9) A konstans kísérleti úton kimérhet konstans. A Maxwell modell esetén lecsengési tényeznek nevezzük. Általános rugó modell esetén szilárdulási vagy keményedési tényezként találkozunk vele. Értéke nagy általánosságban,3,8. A fizikai értelme, hogy a számított relaxációs id, egy aggregátumonkénti átlag. Vagyis molekuláris szinten több relaxációs id is elképzelhet, és ezek spektrumának szélességét jelenti a. Ha ez az érték, vagyis a függvény exponenciális, csak egyféle relaxációs id létezik (Maxwell modell szerint viselked anyag). Minél közelebb van ez az érték -hoz, annál szélesebb a spektrum. esetén mindenféle relaxációs id elképzelhet lenne (ilyen nincs).[35,36,37,38] 6

20 .4. Magas Al O 3 tartalmú kerámiák alakadása száraz porsajtolással Közismert, hogy a formázás mechanikája nagymértékben függ a formázandó anyag (por) reológiai tulajdonságaitól, valamint konzisztenciájától. Alumínium-oxid kerámia porok sajtolása történhet egy- vagy kétoldali egytengely sajtolással, többtengely uniaxiális és izostatikus sajtolással. Valamennyi esetben ugyanakkor porlasztva szárításos atomizer technológiával elállított eltér szemcseszerkezet granulált port alkalmaznak [8]..4.. Az alumínium-oxid porok sajtolásának legelterjedtebb módjai Az alumínium-oxid porok tömörítését leggyakrabban egytengely sajtológépeken végzik, ahol egy kényszerpálya (vezérpálya) mentén mozog a szerszám, amely rendszerint a fels bélyeg. A port felülrl egy töltkocsi segítségével töltik be a szerszámüregbe vagy présszerszámba. A fels bélyeg az alsó bélyeggel szemben kifejtett ervel tömöríti a port. Az egyoldali sajtolást rendszerint az egyszer, síkfelület termékek nagy mennyiségben történ elállítására használják. [39] Bonyolultabb felület vagy geometriájú termékek elállítására kétoldali sajtológépeket használnak, ahol egyidejleg mozgatható a fels és az alsó bélyeg, illetve a két bélyeg közül az egyik valamint a szerszámüreg vagy présforma. [39] A mszaki kerámiák gyártásánál rendszerint mozgó présformát (matricát) használnak, melynek egy tipikus megoldását az.9. ábra ismerteti. [39].9. ábra: A mozgó szerszámüreges sajtológép elvi mködésének lépései (Átvéve: R.L.K. Matsumoto: ASM International Handbook Comitee Vol. 4, 4. oldal) 7

21 Egyidej, párhuzamos uniaxiális sajtoláshoz rendszerint hidraulikus és mechanikus sajtológépeket alkalmaznak. Ezzel a berendezéssel már több párhuzamos síkok is mozgathatóak egyidejleg. Mindhárom esetben nagyon fontos a sajtolópor szemcseméretének és szemcseszerkezetének helyes eloszlása a présformában, valamint a megfelel sajtolónyomás elállítása [39]. Kerámiaporok sajtolásánál mindhárom esetre jellemz az alábbi mveletsor: töltés, elsajtolás, kilevegztetés, végsajtolás, kitolás vagy présszerszám lehúzás, és a sajtolt termék eltávolítása. Kilevegztetésre azért van szükség, hogy az elsajtolt sajtolópor pórusai közül a leveg, illetve a bezárt gázok eltávozhassanak. Ellenkez esetben a bent maradt (és összesajtolt) leveg, gáz a sajtolóer megsznése után a terméket szétfeszíti. A forró egytengely sajtolást, vagy más néven nyomás alatti szinterelést az alumínium-oxid porok feldolgozása során csak a high-tech kerámia termékek elállításhoz alkalmaznak. Ebben az esetben a gyártandó termékre az alakadás során termikus és a mechanikai energiák idben egyszerre hatnak. Érdemes megjegyezni, hogy forró sajtolás közben technológiailag három f szakasz különböztethet meg:. szakasz: részecske újrarendezdés;. szakasz: viszkózus és plasztikus folyás; 3. szakasz: diffúzió irányította folyamatok. A forró sajtolás elnye, hogy a termékben finom szemcseszerkezet alakul ki, a testsrség közelít az elméletihez, míg a mechanikai tulajdonságok extrém körülmények között is közel optimálisak. [4] Bonyolult geometriájú alumínium-oxid kerámiák megfelel tömörségben csak izostatikus sajtolással állíthatók el. Az izostatikus sajtolás történhet hidegen vagy egyidejleg hevítve. Az izostatikus sajtolás lényege, hogy a sajtolóport rugalmas falú formába ami rendszerint gumi vagy szilikon - töltik, majd alul és felül rugalmas lappal lezárják. Az így elkészített munkadarabot furatos acélcsbe helyezik és az alsó, illetve fels részt bilinccsel ersítik a cshöz. Az így elkészített formát folyadékba helyezik, majd a forma bels terének légtelenítése után a folyadékot nyomás alá helyezik. Ekkor a formát a folyadék nyomása egyenletesen körbeveszi és a kívánt méretre sajtolja a rugalmas formában lév port. Az izostatikus sajtolás következtében a zárt formában sajtoláskor fellép súrlódási veszteségek hiányában, teljes keresztmetszetében azonos szilárdságú, illetve tömörségre sajtolt terméket kapunk. [6] Az alkalmazott nyomás rendszerint nagy, 6MPa. Követelmény a nyomás megszüntetésekor, hogy 8

22 lassan, fokozatosan csökkenjen, különösen a MPa alatti érték elérésekor. Gyors nyomásmegszüntetés a termék roncsolódását okozza. A termék szobahmérsékleten, 8- C-on melegen, vagy -6 C-on égetés közben sajtolható. Az utóbbi esetben a sajtolásit végz közeg semleges gáz (argon, hélium). Az alumínium-oxid porok forró izostatikus sajtolása közben hasonló szemcseszerkezetet kapunk, mint a forró egytengely sajtoláskor közben, azzal a különbséggel, hogy itt már a termékek izostatikusan vannak sajtolva, ezért az minden irányban homogén. Ez a technológia fokozza a részecskék közötti kötést, és a szintereldés mértékét, vagyis az így gyártott termékek srsége és szemcseszerkezet egyenletesebb, mint forrósajtolás esetén [4]..4.. A porsajtolási elméletek fejldése Porsajtoláson azt a mveletet értjük, melynek következtében nyomással az ömlesztett porból önhordó, aránylag jó szilárdságú testet - nyers, munkadarabot - kapunk, melynek alakja és mérete a zsugorodási ráhagyás figyelembevételével megfelel a késztermék méretének és alakjának. Ezért fontos a nyomás és a nyers termék srsége közötti kapcsolat ismerete, mivel az összes befolyásoló tényez közül a nyomás az, amelytl a legnagyobb mértékben függ a sajtolt termék porozitása, szilárdsága, srsége, és felületi egyenletessége. [39] A porok szárazsajtolásakor az alábbi folyamatok játszódnak le: a szemcsék átmeneti újrarendezdése, szemcsék roncsolódása, szilánkosodása és térfogatsrség növekedés. A szemcsék átmeneti újrarendezdése megkezddik, amint a szerszámzárás megtörténik, és elindul a térfogatváltozás. A szerszámmozgások majdnem fele ebben a szakaszban történik. Általában kevesebb, mint MPa az alkalmazott nyomás. A részecskék kitöltik a hézagokat, maximalizálják a kitöltést. A leveg eltávolítása a szerszámfelek között a még trésen belüli résen keresztül történik meg. A tömörítés ezen szakaszában az alkalmazott nyomás hatására a részecskék elcsúsznak egymáson, és így újrarendezdnek, de még a szemcsék nem deformálódnak jelents mértékben. A szerszámok további mozgása során a termék ellenállása növekszik, ezáltal deformáció, tömörítés, nagymérték összepréseldés és a szemcsék roncsolódása, szilánkosodása megy végbe. A szemcsék között még így is hézagok vannak, de a jelents mérték szilánkosodás hatására kitöltik az üres helyeket. Ezen lépés során a 9

23 még ép részecskék összesrítik a már szilánkokra tört szemcséket. A termékben a részecskék között kapcsolat alakul ki. A részecskék további szilánkosodását, továbborientálódását, vagy a további szerszámmozgást befolyásolja a szemcsék morfológiája, keménysége, kémiai tulajdonsága és a tömörítést segít adalékok hiánya vagy jelenléte. Ebben a szakaszban a szerszám mozgás 5%-a történik meg. Az alkalmazott nyomás 5-MPa között van. Az alakadás során legfontosabb szakasz a sajtolás. A szemcsék szilánkosodása tovább folytatódik. A nyomás eléri a csúcspontot, ami Al O 3 sajtolóporok esetén általában 5-MPa közötti érték a gyártott termék vastagságától és geometriai alakjától függen. A nyomás növekedésével a látszólagos srség fokozatosan megközelíti az elméleti (maximális) értéket. Mivel ebben a szakaszban a nyomás magas, ezért dönt szerepet játszik abban, hogy a termék a kívánt srséget elérje. A sajtolóbélyegek visszahúzódásával a termékben maradt nyomás fokozatosan relaxálódik. A présszerszám lehúzása vagy termék kitolása után a munkadarab térfogatának megnövekedése figyelhet meg. Ennek a geometriai méret-növekedésnek a mértéke nagyban függ a használt préspor tulajdonságaitól, az alkalmazott adalékanyagtól, és a sajtolónyomástól. Ezért ha nagyobb ervel sajtolunk egy terméket, akkor azt nagyobb ervel lehet csak a szerszámból kitolni. A kisapkázódás, törés, és a rétegzdés arányának csökkentése érdekében az utóbbi idben a kitolás helyett a szerszám visszahúzás vagy szerszámlehúzás terjedt el Porsajtolás mechanikai méretezési modelljei A sajtolt termékek srségének meghatározására a sajtolónyomás függvényében különböz elméleti és gyakorlati, mechanikai számítási modellek léteznek. A nyomás és a sajtolt termék relatív srsége közötti függvénykapcsolatot Matsumoto nyomán az.. ábra mutatja.

24 .. ábra: A relatív nyomás függvényében a relatív srség (Átvéve: R.L.K. Matsumoto: ASM international Handbook Comitee Vol. 4, 43. oldal) A Seeling és Smidth által párhuzamosan kifejlesztett empirikus modell szerint a sajtoló porokból tömörített nyers termék porozitása a sajtolónyomástól exponenciálisan, míg srsége hatványfüggvényszeren változik. [ ( / )] Φ / Φ = exp P a R (.) D D = S P (.) D g g D a = T P a 3 (.) A fenti összefüggésekben: : porozitás, : D : D g : P a : kezdeti porozitás, kezdeti srség, a nyers termék srsége, az alkalmazott nyomás, R, S, T: empirikus állandók (függnek az anyag keménységétl, a részecskék geometriájától, illetve a vizsgálati módszertl). A fenti leírt összefüggéseket még ma is sok helyen alkalmazzák annak ellenére, hogy ezek a modellek nem foglalkoznak a por tulajdonságai és a tömörítés közbeni viselkedés közti kapcsolattal. A félmennyiségi modellt Kawakita, Niesz és Lukasiewicz fejlesztették ki, amelyek közül Lukasiewicz sajtolt nyers termék srsége és a sajtolónyomás közötti kapcsolatot az alábbi logaritmikus egyenlettel írta le: D g = D + m ln( P / P ) (.3) f a y

25 ahol: D g : a tömörített termék srsége az alkalmazott nyomásnál, D f : a por töltési srsége, m: a tömörítési állandó (ami függ a por alakíthatóságától), P y : a látszólagos szemcsére ható nyomás. A különböz ásványi és kémiai összetétel sajtolóporok sajtolószerszámban történ tömörödését jelents mértékben befolyásolja a szemcseméret és szemcseszerkezet, valamint a betöltés során tanúsított folyási tulajdonságok. Az agglomerált porok rendszerint jó folyási tulajdonságuknak köszönheten már a betöltéskor is nagyobb srséget érnek el, mint a nem agglomeráltak. Ezt a jelenséget jól szemlélteti az.. ábra... ábra: Nem agglomerált és gömb alakú kerámia porok tömörítési modellje (Átvéve: R.L.k. Matsumoto: ASM International Handbook Comitee Vol. 4., 44. oldal) A tömörítés kezdeti szakaszában a nem agglomerált por nagymértékben elkezd tömörödni, és viszonylag alacsony nyomásnál (P a ) elér egy töréspontot (A). Ez a töréspont alapvet változásokat mutat a sajtolópor deformációs reológiai - tulajdonságaiban a tömörítés során. Ennél a pontnál a nem agglomerált porok esetében az egymáson való csúszás és az újrarendezdési hajlam jelentsen csökken, mert már a szemcsék közti rések megteltek, és további tömörödés a szemcseroncsolódás eredménye. A (P C ) pont azt a nyomást jelöli, ahol a szemcséken belüli és a szemcsék közti porozitás megegyezik és ezáltal a mikroszerkezeti inhomogenitás kiküszöbölhet. Ez a modell nagyban befolyásolható a por elkészítésével.

26 A mennyiségi modellt Cooper és Eaton fejlesztette ki az alábbi összefüggés megadásával V = (V V ) /(V V ) = A exp( k / P ) + A exp( k / P ) (.4) ahol: A, A, k, k: a tömörítés mechanizmusától függ konstansok, P: az alkalmazott nyomás, V*: a tömörítés térfogat hányada, V: a tömörített termék kezdeti térfogata, V: a tömörített termék térfogata nyomás alatt, V : az elméleti s r ség termék térfogata. A mennyiségi modell szerint a termék térfogata exponenciálisan csökken a nyomás növekedésével, és exponenciálisan növekszik a tömörítés mechanizmusától függ k és k konstansokkal. A Cooper és Eaton-féle mennyiségi modellnél a tömörödési szakaszok a következ k: els lépésben a betöltött por szerkezete tömörítés el tt laza. A modellt jól igazolja az.. ábra folytonos görbéje, amely a betöltött por pórusméretének alakulását mutatja... ábra: A pórusméret függvényében a porozitás mennyisége (Átvéve: R.L.k. Matsumoto: ASM International Handbook Comitee Vol. 4., 45. oldal) 3

27 Ezt a jelleget a MPa-os sajtolónyomás követi, de már 7MPa-os sajtolónyomásnál ez a jelenség eltnik. 7MPa-os sajtolónyomás esetén a szemcsék közti pórusok beragadnak, a szemcsék egymásba préseldnek. Ekkor már a lágy agglomerátumok teljesen elveszítik gömb alakjukat, és a szemcsék közötti porozitás jelents mértékben lecsökken. Amennyiben az alapanyag szemcséi kemények és mechanikailag nagy szilárdságúak, akkor a pórus megszüntetéséhez 7MPa-nál nagyobb sajtolónyomásra van szükség. Kerámiaporok különösen alumínium-oxid porok sajtolásakor gyakori, hogy a por és a présforma fala közötti súrlódás hatására egyenetlen lesz a srség eloszlás (.. ábra) és a por a présszerszám felületére feltapad, míg a sajtolt nyers termékben a sajtolópor rétegezdése és kisapkázódása figyelhet meg. Az ilyen jelleg hibák elfordulásnak valószínsége lényegesen nagyobb egytengely, egyoldalú sajtolás esetén, mint kéttengely, valamint egytengely kétoldali sajtolás esetén..3. ábra: Srség és nyomás viszonyok az egyoldalú sajtolás esetén (Átvéve: R.L.k. Matsumoto: ASM International Handbook Comitee Vol. 4., 45. oldal) Az.3. ábra jól szemlélteti, hogy a sajtolt nyers termékben a legnagyobb srség a sajtolószerszám széleinél (A) alakul ki. Ennek következtében a szerszámfal közelében nagymérték nyírás hat az anyagra, amelyet a sajtoló bélyeg elmozdulásra kényszerít a sajtolószerszám fala mentén. [39].4.4. Sajtolóporban sajtolás közben kialakuló nyomásviszonyok, nyomáseloszlások elemzése Egyoldalú sajtolás esetében csak a szerszám egyik bélyege mozog. A bélyegtl távolodva a növekv falsúrlódás miatt a csökken nyomásértékek (.4. ábra) hatására inhomogén lesz a termék. 4

28 F - sajtolóer F r - reakcióer.4. ábra: Nyomásviszonyok egyoldalú sajtolás esetén Egytengely kétoldali sajtolás esetében az alsó és fels sajtolóbélyeg egyidejleg egymással szemben, vagy csak az egyik bélyeg és vele együtt a matrica mozog, a másik sajtolóbélyeg áll. Ebben az esetben a sajtolóporban ébred mechanikai nyomófeszültségek csökkenése lényegesen kisebb, mint az egyoldalú sajtolás esetén (.5. ábra). F = F, ha D konstans.5. ábra: Nyomásviszonyok kétoldalú sajtolás esetén Hengeres testek tárcsák egytengely kétoldali sajtolása esetén a présszerszám (forma) falain fellép súrlódási veszteség miatt a sajtoló nyomásnak csak egy része jut el a sajtolópor teljes keresztmetszetéhez. Álló alsó és mozgó felsbélyeg esetén az alsóbélyegnél csak a súrlódással csökkentett értéke észlelhet. Ennek megértésére és a présporban sajtolás közben ébred nyomófeszültségek levezetésére szolgál az.6. ábra, ahol az A keresztmetszet dh elemi vastagságú térfogatra ható küls errendszert mutatjuk be. 5

29 .6. ábra: Nyomásviszonyok hengeres test egytengely sajtolása esetén Magát a sajtolás folyamatát kvázistatikusnak tételezzük fel, ezért a tehetetlenségi erket elhanyagolhatjuk. Ebben az esetben a dh elemi vastagságú rétegre ható a függleges irányú erk egyensúlyi feltétele: pda ( p + dp) da + df = (.5) s Ebben az egyenletben p, illetve p+dp a réteg két oldalán ható nyomás, df s a réteget D π határoló palástfelületre ható elemi súrlódási er, A = a keresztmetszet területe. 4 Eredményül az Adp = df s (.6) egyensúlyi egyenletet kapjuk. A df s súrlódási ert a df n normális irányú erbl számíthatjuk. Mint az ismeretes, a szemcsés, vagy porszer anyagoknál a p tangenciális és a p h horizontális irányú nyomás nem állandó (mint a folyadékokban és gázokban), hanem közöttük a p h = νp (.7) összefüggés áll fenn, amelyben a ν az ún. Rankine-tényez, amely az anyagminség és szemcsenagyság függvénye. Mivel a fels bélyeg lefelé halad, ezért a súrlódási er a Coulomb-féle hipotézis alapján: ahol df s = µ df n (.8) df = p da p KdH (.9) n h p = h 6

30 a normál irányú er, da p a dh vastagságú henger palástjának felszíne és K = Dπ a kerülete. Ezek után az egyensúlyi egyenlet Adp = µνkpdh (.3) alakot ölti. Ez egy közönséges, lineáris elsrend differenciálegyenlet H és p között. A változókat szétválasztva kapjuk, hogy dp p K = µν dh (.3) A A H vastagságra történ sajtoláskor a fels illetve az alsó bélyeg felületére ható p, ill. p nyomás meghatározható, ha a fenti differenciálegyenletet a megfelel határok között integráljuk: p H dp K = µν dh (.3) p A p p K ln = µν H (.33) p A vagy végs formájában: p K H µν A p = e (.34) K µν H A p = pe (.35) A kapott összefüggésbl kiolvasható, hogy p < p és adott H esetén a K K 4 nyomásviszony a hányadostól függ. Hengeres test sajtolásakor =, így A A D H 4µν D p = pe (.36) A nyomásváltozásra az.36 összefüggésben kapott exponenciális függvényünk nagyon jól igazolja az Illjevits által kísérleti úton kapott (.5. ábra) nyomásváltozási görbéket [4]. 7

31 .5. Az alumínium-oxid kerámiák szinterelésekor lejátszódó átalakulások, jelenségek Szinterelés során a részecskék között kötések alakulnak ki a magas hmérséklet hatására fellép atommozgásnak köszönheten. A folyamat során a diffúziónak nagy jelentsége van. A szintereldés sebességét több változó befolyásolja, ezek a kezdeti srség, a részecske méret, a szinterelési közeg, hmérséklet, id és hevítési sebesség. A szintereldésnek három szakasza van: kezdeti, közép és végs. A kezdeti szakaszban a részecskék között kötések alakulnak ki az érintkezési pontoknál. A szintereldés elrehaladtával a kapcsolódási pontoknál kialakult kötések növekednek. Ezért a mikroszerkezetben különbségek lesznek, a kialakult kapcsolatoknak megfelelen. A folyamat során a pórusszerkezet egyenletesebb lesz, ekkor lép be a második szakasz. A második szakaszban a szintereldés sebessége folyamatosan csökken, a szemcse-pórus határ morfológiája nagymértékben befolyásolja ezt a sebességet. A szemcsék növekedése a késbbi szintereldés során következik be, ami alatt a pórusok elszigeteldnek egymástól, és törekednek gömb alakot felvenni. A szintereldés ezen pontjánál nehéz az elszigetelt pórusok eltávolítása, a szemcsehatáron végbemen diffúzió hatására. Ugyanez figyelhet meg a különböz tisztaságú és szemcseszerkezet alumínium-oxid kerámiák szinterelése során is..5.. A szinterelés alaptételei A szinterelés els szakaszában kohéziós kötés alakul ki. A kötés terjedése befolyásolja a szintereldés során kialakult tulajdonságokat. A szintereldés hatására a részecskék összerendezdnek, és a még nem szintereldött porra jellemz nagy felületi energiát az atomi mozgások csökkentik. Az egységnyi térfogatra es felületi energia nagysága fordítottan arányos a részecskék átmérjével. Ezért a kisebb részecskék nagyobb energiával rendelkeznek, gyorsabban szintereldnek, mint a nagyobb szemcsék. Szintereldési hajtóert a részecskék között létrejött kapcsolat növekedése okozza azzal, hogy csökkenti a részecskék felületét, és ezzel együtt a felületi energiájukat is. A szintereldés során fellép diffúzió termikusan aktivált folyamat, aminek a meginduláshoz szükséges egy minimális energia. 8

32 Ezt a diffúziós folyamatot [4,43,44] Arrhenius írta le a következ képlettel: N / N = exp( E / k T ) (.37) ahol: N/N : igénybe vehet vakanciák aránya, E: aktiválási energia, k: Boltzmann állandó, T: abszolút hmérséklet. A porsajtolásnál alkalmazott alapanyag szemcséi megközelítleg gömb alakúak. Szintereldés során a részecskék közti kötések száma növekszik (.7. ábra)..7. ábra: A szemcsék közti kialakuló kötések szinterelés során (Átvéve: R.L.k. Matsumoto: ASM International Handbook Comitee Vol. 4., 6. oldal) Az érintkez részecskék között lév kötés növekszik, és a részecskék összeolvadnak. Minden érintkezési pontban egy részecskehatár alakul ki a szilárd-leveg határfelületen. A szinterelés kezdeti szakasza addig tart, amíg a nyak méretaránya (X/D; ahol X a nyak átmérje és D a szemcse átmérje) kisebb, mint,3. Ebben a szakaszban a pórus szerkezet nyitott, és a pórusok összeérnek. A középs szakaszban a pórus szerkezet már egyenletesebb. A szinterelt termékek tulajdonságai ebben a szakaszban alakulnak ki. A szakasz végén nagymérték szemcsenövekedés figyelhet meg. Ennek hatására a pórusok elkülönülnek egymástól. A nyílt pórusszerkezet geometriailag instabil, amikor a porozitás 8%-ra zsugorodott össze. Ennél a pontnál a hengeres alakú porozitások gömb alakot vesznek fel. Az izolált pórusok megjelenése az utolsó szakasz kezdetét jelzi. Ekkor a szintereldés lelassul, a pórusokban lév gáz fogja a maximális srséget 9

33 meghatározni. Következésképpen a vákuumban történ szinterelés hasznos lehet, hogy nagyobb végs srséget érjük el. A szinterelési folyamat a kerámiaipar területén - szilikát, oxid- és nem oxidkerámia - mindent eldönt lépés a termék minségének szempontjából. A szinterelés alatt értjük a technikai terminológia szerint a megszilárdulást és a srsödést, egy pl. por alakú alapanyagból egy komplett tömör anyaggá való összeállást, egy hmérséklet behatás következtében. A folyamat tulajdonsága, hogy nem minden komponens olvad meg, következésképpen a külsdleges forma megtartva marad. A termékek tulajdonságai egyformák és jól reprodukálhatóak. A szinterelési folyamat végbemenetelekor egy homogén anyag (általában finomkristályos szerkezet, sok esetben jelentéktelen porozitással) eláll. A szinterelés hajtóereje abból adódik, hogy a felületi és a határfelületi energiákon keresztül szemcsenagyobbodás és pórustérfogat csökkenés megy végbe. Ezen kívül sok esetben szerepet játszanak az anyagra jellemz kémiai reakcióképességek és a kapilláris erk is. A szinterelési folyamat a szabadentalpia minimalizálására törekszik. A tökéletes szinterelési eljárással majdnem elérhet az elméleti maximális srség. A szinterelésnél megkülönböztetünk kétféle folyamatot: folyadék fázis nélküli szinterelés (szilárdfázisú szinterelés) és folyadék fázison keresztüli (folyadékfázisú szinterelés). Mindenkori folyamatoknál kémiai reakciók mennek végbe, amelyek a szinterelési folyamatot és a mikrostruktúrát ersen befolyásolják. A szinterelési reakcióban egy homogén alaptest vesz részt, amely kett vagy több komponensbl áll össze. A teljes reakció következtében az égetésnél sr tömör, kötött anyag áll el. A szinterelési folyamat elemzése, vizsgálata során a hajtóer, az anyagtranszport mechanizmus, a szemcseképzdéshez és póruscsökkenéshez vezet folyamat kinetikája eltérbe kerül. [45] Számos elméleti modellt állítottak már fel ezek tanulmányozására. Ezen modellek szemléletes geometrikus matematikai ábrázolások, amelyek gyakran csak egyes részfolyamatokra szorítkoznak. A reális folyamatok leírására ezeket csak nagy körültekintéssel szabad alkalmazni. A szinterelési hmérséklet a szilárdfázisú szinterelésnél az összes résztvev fázis olvadáspontja alatt van. A folyamat a diffúziós folyamatok, párolgási- és lecsapódási mechanizmusok, és küls nyomás esetén képlékeny alakváltozási jelenségek alapján mehet végbe. A folyamat közben a felületi és határfelületi energiákon keresztül a rendszer a szabadentalpia csökkentésére törekszik. A reális rendszerek és az ideális modellek közötti ellentét a krisztallográfikus tulajdonságokból 3

34 adódó speciális felületi- és határfelületi energiáktól függ. A szilárdfázisú szinterelés a már említett három szakaszra osztható, mint a kezdeti stádium (kb. 5%-os zsugorodás az elméleti maximális srséghez képest), a közép vagy fstádium (95%-ig) és a végstádium (95-%). A szinterelés kezdeti stádiumában nyitott porozitás és a részecskék átrendezdése kap szerepet. A szemcsék érintkezési pontjain anyaghidak jönnek létre; és a pórusok legömbölyödnek. Az anyagtranszport folyamatok létrejöhetnek zsugorodás vagy zsugorodás nélkül is (.8. ábra). A párolgás és lecsapódás nagy általánosságban jelentéktelen szerepet játszik. A kerámiaipari szinterelésben leginkább a diffúziós mechanizmusok dominálnak. A felületi-, határfelületi és térfogati diffúzió elssorban a végbemeneteli sebességükben különböznek. A vakancia koncentráció nagyon ersen befolyásolja a diffúziót. Ezek a görbültebb felületeken (kis sugarú nyakaknál) magasabb, mint a szemcsék belsejében. Ezen koncentráció különbség egy vakancia diffúziót okoz, amely együtt jár egy ellentétes irányú anyagvándorlással..8. ábra: Szinterelés közbeni anyagtranszport folyamatok Zsugorodás nélkül: ) párolgás/lecsapódás, ) felületi diffúzió, 3) térfogati diffúzió a felületrl Zsugorodással: 4) térfogati diffúzió a szemcsehatárokról, 5) határfelületi diffúzió a szemcsehatárok mentén, 6) képlékeny alakváltozás A szintereldés középs vagy ffolyamatában a kialakult nyakak növekszenek, a szemcsék közelednek egymáshoz. Az anyagok geometriája megváltozik, a szomszédok a nyakakon keresztül egymáshoz simulnak. Kezdetben itt is jelen van még kb. %-nyi nyílt porozitás. A pórustérfogat-csökkenés jön létre, a pórusok száma csökken. A zárt pórusok létrejöttével párhuzamosan kezdetét veszi a kristálynövekedés, és az egyes szemcsék már nem különböztethetk meg egymástól. A szintereldés végstádiumában befejezdik a szerkezet tömörödése, a szemcsenövekedés lecsillapodik, a pórusok és zárványok bizonyos mennyiségnél állandósulnak. A rendszerben már csak nagyon lassú térfogati diffúzió mehet végbe, ezért a szerkezeti felépítés már nem változik. 3

35 A folyékonyfázisú szinterelésnél a szinterelési hmérséklet az anyagrendszer szolidusz hmérséklete felett van, így egyes komponensek megolvadnak, és fellép a folyadékfázis. Az olvadt fázis létrejötte szempontjából három hasonló folyamat különböztethet meg, mint homogén anyagrendszer teljes megömlesztése, heterogén rendszerben az egyik fázis megömlesztése kémiai reakció nélkül, heterogén rendszerben kémiai reakció következtében létrejöv folyadékfázis. A tömörödést a folyadékfázis összetétele, szilárd részek oldhatósága ill. a folyadékfázis nedvesít képessége nagyban befolyásolja. A kezdeti stádiumban, a folyadékfázis jelenléténél megfigyelhet a részecskék átrendezdése, amely a magas testsrséghez vezet. A darabok zsugorodása annál jelentsebb, minél több a folyadékfázis mennyisége. A szintereldés középs vagy ffolyamatában mihelyt a részecskeátrendezdés és ezzel egyidejen a zsugorodás sebessége lecsökken, bekövetkezik a szilárdfázis kiválása, ami további srsödéssel jár. A nagyobb szemcsék növekednek a kisebb szemcsék kárára, mivel ezeknél magasabb oldhatóság mutatkozik, ez kevesebb, de nagyobb szemcsék kialakulásához vezet. A szemcsék kölcsönösen közelednek egymáshoz. A szintereldés végs szakaszában a teljes tömörség elérése eltt csak a szilárdfázisú szinterelési folyamat jöhet létre a szomszédos szemcsék között, ahol a nagyon lassú határfelületi diffúzió megy végbe [45]..5.. Szinterelés nitrogén atmoszférában Szinterelés során a nitrogén bevitele - történhet gáz, illetve szilárd anyag formájában (AlN) és reakciója a rideg, szilárd anyaggal egy olyan új anyagot eredményez, mely megtartva mechanikai tulajdonságait, szívóssá válik. A nitrogén gázban történ hkezelés eredménye, hogy az Al O 3 mellett AlN és AlON is keletkezik. Az AlN számos kiváló tulajdonsággal rendelkezik, hvezetképessége, fajlagos ellenállása nagy, dielekromos állandója mérsékelten alacsony. Az AlN a természetben nem létezik. A fém alumíniumpor direkt nitridációjával vagy az alumínium-oxid por karbotermikus reakciójával állítható el [46]. Az AlON olyan polikristályos anyag, melynek szerkezete éppen inverze a spinelnek. Üvegszer, pórusmentes anyag, mely nagy keménységgel, de ugyanakkor alacsony hvezetképességgel rendelkezik. Az alumínium-oxinitrid fázis elállítására alkalmazható módszerek, mint az Al O 3 egyidej redukciója és nitridációja, a fém alumínium oxinitridációja égés során, gázfázisú reakciója AlCl 3 -al, direkt reakció az Al O 3 és az AlN között a legelterjedtebbek.[47] 3

36 A szakirodalom szerint az Al O 3 és az AlN reakciója 65 C felett eredményez AlON fázist, amely történhet plazmaszórással, AlN hozzáadásával, nitrogén gázban szinterelve. A plazmaszórásos eljárás során elször az Al O 3 /AlN kompozitpor szinterelése történik Ar/N plazmában ( K), mely direkt nitridációja az alumínium-oxidnak. Ezzel a módszerrel kockarácsú AlN állítható el, mely N- és O-ionokat tartalmaz. Az így készült anyag AlN és γ-al O 3 tartalma a kiindulási anyag AlN és Al O 3 tartalmához képest növekszik. Ezért további hkezelés szükséges, mely nitrogén gázban 8- C-on h hntartással történik. Az utólagos hkezelés hatására az AlN hexagonális rácsú lesz, az AlN mennyisége növekszik, de a γ-al O 3 tartalom csökken.[48] Az Al O 3 -hoz adott AlN mennyisége és a szinterelés hmérséklete jelents mértékben befolyásolja az anyag mikrostruktúráját. Nitrogén gázban történ szinterelés során alacsonyabb (< mol%) AlN tartalom mellett homogén mikroszerkezetet kapunk, alumínium-oxid szemcsék érintkezési felületén AlON jelenik meg. Magasabb AlN tartalomnál a keletkezett AlON az alumínium-oxid szemcsehatára körül helyezkedik el. 6 C-on szinterelve α-al O 3 és AlON keletkezik. Növelve a szinterelés hmérsékletét, 7 és 75 C-on mol% AlN esetén az α-al O 3 és AlON mellett egy un. φ-fázis (5 Al O 3 AlON, monoklin) is megjelenik, azonban -5 mol% AlN esetén csak az α-al O 3 és AlON van jelen. 8 C-on történ szintereléskor 5 mol% AlN esetén α-al O 3 és AlON mellett φ-fázis is jelen van. mol% AlN esetén α-al O 3 és AlON keletkezik. mol% esetén csak AlON jön létre az AlN-Al O 3 rendszerben. Meg kell jegyezni, hogy 6 C-on 5-5 mol% AlON keletkezhet, de az alumínium-oxid porozitása növekszik és szemcsedurvulás is kialakulhat. 7 és 8 C-on az AlN mennyiségétl függen a keletkezett AlON az alumínium-oxid szemcsehatárainak érintkezésénél illetve azok körül is lehet.[47] A mechanikai tulajdonságok javítására az AlN mellett TiN is használható. Ennek az eljárásnak a hátránya, hogy a TiN olvadáspontja 95 C, így magas hmérsékleten történ sajtolást igényel. A sajtolást 3MPa sajtolónyomással végzik 4-55 C-on 3 perc hntartással nitrogén atmoszférában.[48] Az alumínium-oxinitrid spinel (ALON), mint sok más nagytisztaságú, polikristályos oxid anyag szerkezetét tekintve egyfázisú kocka ráccsal, pórusmentességgel jellemezhetk. Fizikai tulajdonságai nagyon hasonlóak a 33

37 magnézium aluminát spineléhez, kivéve, hogy az AlON a nagyobb keménységgel (9, GPa) és a jóval alacsonyabb htágulási együtthatval rendelkezik. Az AlON egy szilárd olvadék az AlN-Al O 3 bináris rendszer vonalán, mely valójában egy pszeudo bináris renszer az Al-O-N rendszerben. A következ ábra szerint az ALON olvadék 35,7 mol%-nál 65 C-on jelenik meg..9. ábra: AlN-Al O 3 fázisdiagram (Átvéve: Allen M. Alper: Phase Diagrams in Advanced Ceramics 9. old.[49]) McCauley és Corbin az együtt összerölt AlN és Al O 3 porokat formázva szinterelték in situ. Az elállítás paramétereinek többféle kombinációját is feltárták. Amint azt az.9. ábra is mutatja, a folyadék fázis a szilárd fázis egyik oldalának igen keskeny sávjában található magas hmérsékleten. 975 C-on történ szinterelés eredménye a szemcsén belül létrejöv porozitások, de a magasabb hmérséklet (5 C) jóval kevesebb porozitást eredményez és ALON-t. Késbb tökéletesítették az eljárást, a kiinduló por elzetes reakciókkal alakítva,5m és ez alatti szemcseméret-eloszlású ALON por. [5] A kiinduló por reakciója: Al O 3(s) + C (s) + N (g) ALON (s) + CO (g) (.38) Tabary, Servant és Alary megfigyelték, hogy a karbon két formában van jelen. Egyszer, mint grafit, amely nem lépett reakcióba olvadáskor, a másik a kiválásokba ágyazódott 34

38 be, így válva Al-O-N-C kvaternér rendszerré. A négy elem kombinációi csak szilárd állapotban vannak jelen, mint Al O 3, AlN és Al 4 C 3, mint pszeudo-ternér rendszer. Az.4. táblázat a rendszerben jelenlév karbont tartalmazó fázisokat ismerteti. A Fosterféle Al O 3 -Al 4 C fázisdiagramot a.. ábra mutatja be. Fontos megjegyezni, hogy 9 Al O 3 - Al 4 C 3 összetételnél Al O 3 -Al 4 O 4 C eutektikum jelenik meg, ahol az Al 4 C 3 4, tömeg%-ban van jelen. Az Al-C-O rendszer termodinamikáját Lihrmann figyelte meg. Megállapította, hogy az Al OC 7 C felett szétbomlik. Az AlN jelenléte ezen a hmérsékleten nem okoz lényeges változást. Így a Kuo által tanulmányozott AlN- Al OC rendszerben Al OC-ben gazdag kiválás figyelhet meg 6% AlN - 39% Al OC szilárd olvadékban 6 C-on 5h után. Továbbá 88 C-on -44mol% Al OC, illetve 98 C-on -4mol% Al OC található az Al OC-AlN (H) szilárd olvadék fázisban..4. táblázat A karbont tartalmazó fázisok kristálytani adatai Képlet Rácsszerkezet a (Å) b (Å) c (Å) Al 4 O 4 C orth. 9,3 8,64 5,77 Al OC hex 3,7 5,78 Al OC hex 3,53 4,987 Al 4 C 3 hex 3,339 5, Al 5 C 3 N hex 3,8,67 Al 6 C 3 N hex 3,48 4,3 Al 7 C 3 N 3 hex 3,6 3,7 Al 8 C 3 N 4 hex 3, 55,8 (Al OC) (-x) (AlN) x hex 3,3 4,994 Wurtzite szerkezet hex Az Al O 3 -AlN-Al 4 C 3 ternér diagramot Henry, Zambétakis és Lihrmann tanulmányozta. Az els két szerz az Al OC (-x) AlN x szilárd oldat jelenlétét mutatta ki 5-6 mol% AlN tartalom mellett. 35

39 .. ábra: Al O 3 -Al 4 C 4 pszeudo-bináris rendszer (Átvéve: Tabary, Servant, Alary: Journal of the European Ceramic Society, p.96) A.. ábra az AlONC fázis összetétele olvasható le a P (5% Al O 3 75% AlN) és P (6% Al O 3 -% AlN % Al 4 C 3 ) pontokat összeköt vonalak mentén mólnyi mennyiségben. Az Al O 3 -Al 4 C 3 szakasz metszéspontja lehet a 6,5mol% Al 4 C 3, amely nem az irodalmi értékeket követi. Így Al 4 O 4 C található a mol%-nyi Al 4 C 3 -nál és Al OC-nál, illetve az 5 mol%-nyi Al 4 C 3 -nál is. Három domináns AlN alapú összetételt különböztethetünk meg. Általános formája az AlN-Al O 3 pszeudo-bináris rendszerben az Al n O 3 N (n-). Az Al O 3 -Al 4 C 3 pszeudo-bináris szakaszban ez a formula Al (x+4) O (.5x) C 3 -á válik. Ahol az x = 8; 6; 5; 4,4 és 4; és az M/X = n/n+ arány azonos 4/5, 5/6, 6/7, 7/8, és 8/9, ahol M =(n Al ) és X = (n O +n C ). [5].. ábra: Az AlONC fázis összetétele az Al 4 O 6 -Al 4 N 4 -Al 4 C 3 pszeudo-ternér rendszerben (Átvéve: Tabary, Servant, Alary: Journal of the European Ceramic Society p.98) 36

40 .6. Összegzés A szakirodalmi áttekintés során foglalkoztunk a sajtolóporok tulajdonságaival, befolyásolási módszereivel. A reológiai tulajdonságok vizsgálatával foglalkozik Carneim és Messing, akik a száraz porsajtolás reológiai jellemzit vizsgálták. Kutatásuk során foglalkoztak az adalékanyaggal bevont sajtolóporok viszkozitásának meghatározásával, a sajtolás f szakaszainak (Reed szerint) figyelembevételével vizsgálták a sajtolt, nyers termék srségének változását a sajtolónyomás és az id függvényében. A száraz porsajtolás területén számos szakirodalom foglalkozik a szemcseméret-eloszlás, a sajtolónyomás és a szinterelés hatásaival. Az alumínium-oxid kerámiák nitrogén védgázban történ szinterelésével kevés kutató foglalkozik, így számunkra is számos kérdést nyújt a portechnológia ezen területe. Az értekezésben ezért feladatunk választ keresni a fent említett területek még megválaszolatlan kérdéseire. Az értekezés feladatai: a) A különböz tisztaságú alumínium-oxid atomizer porok reológiai tulajdonságainak feltárására a deformáció-id, nyírófeszültség-nyomófeszültség függvénykapcsolatok, Coulomb-egyenes meghatározása, reológiai modell megalkotása és anyagegyenletek megfogalmazása által. b) Másodfokú rotációs kísérlettervek (matematikai-statisztikai módszerek) alkalmazásával a termék mikro- és makroszerkezetének, valamint mechanikai tulajdonságai szempontjából optimális vagy közel optimális - sajtolónyomás értékek meghatározása különböz sajtolási módok esetében; ahol figyelembe kell venni az alkalmazott sajtolónyomást, annak hatásidejét, a sajtolópor adalékanyagtartalmát; illetve annak szemcseméret-eloszlását. Meg kell határozni a kiégetett minták porozitását, srségét, hajlítószilárdságát. c) Nitrogén védgáz alkalmazása nyers termékek zsengélése (elégetése) során. Ekkor meg kell vizsgálni a nitrogén védgázban történ égetés hatására kialakuló anyagszerkezetet pásztázó elekronmikroszkóppal (SEM), röntgen diffraktométerrel. d) A kialakuló srség, porozitás, hajlítószilárdság, kopásállóság és mikrokeménység vizsgálata, összehasonlítása a normál módon, illetve nitrogén védgázban zsengélt, majd kiégetett kerámiák tulajdonságainak vizsgálata. 37

41 . Kísérleti módszerek, elvégzett vizsgálatok A célkitzésekben megfogalmazott hatásmechanizmusok feltárásához ismerni kell az alumínium-oxid elvárt tulajdonságait, a tulajdonságok kialakítási lehetségeit, az egyes paraméterek hatásait, melynek eddig elért eredményeit igyekeztünk feltárni és összefoglalni az átfogó irodalomkutatás során. A porok elkészítésére, rlési tulajdonságokra vonatkozóan az utóbbi idben számos szakirodalom[5,53,54,55] jelent meg a különböz rlési metódusokra. A kutatók leginkább a mechanokémiai folyamatok[56,57,58,59] feltárását, nanoszemcsék elállítását[6,33,6,6] ismertetik, míg más szerzk a sajtolás jellegzetességeivel, azok mikroszerkezeti hatásával foglalkoznak. Ezek többnyire a forró izostatikus sajtolás problémakörét tárják fel[63,64,65]. Azonban számos kutató továbbra is az uniaxiális és hideg izostatikus sajtolás[4] kérdéseit, és azok hatásait, mint mikroszerkezetbeni anizotrópiát ismertetik[9,,3]. A szinterelésre vonatkozóan a kutatók többnyire a forró izostatikus sajtolás tulajdonságait tanulmányozzák. Néhányan vizsgálják a nitrogén-atmoszféra hatását is. Az irodalomkutatással párhuzamosan, elméleti és gyakorlati összefüggéseket kerestünk a sajtolónyomás, a szinterelési atmoszféra és a késztermék srsége, illetve hajlítószilárdsága között. Kísérleteinket hagyományos módon, illetve ún. kísérlettervezés módszerével végeztük. A matematikai statisztikai alapokra épül kísérlettervezést esetünkben teljes faktoriális és másodfokú rotációs kísérlettervekkel valósítottuk meg, amelyek célzottan a sajtolási tulajdonságokra és a szinterelés hatásainak feltárására irányultak. A kísérlettervek végrehajtásával meghatároztuk az egyes faktorok (sajtolónyomás, maximális rátartási id, szinterelés hmérséklete, adalékanyag mennyisége, tölttömeg) és a vizsgált tulajdonságok közötti összefüggéseket. A klasszikus portechnológiával készült alumínium-oxid mszaki kerámiák tulajdonságait nagymértékben befolyásolják a következ paraméterek (faktorok): a) Porok összetétele Szemcseszerkezet; Szemcseméret-eloszlás; Oxidos összetétel; 38

42 b) Alakadási technológia (egy-, kétoldali sajtolás és izostatikus préselés) Alkalmazott sajtolónyomás, (MPa); A maximális sajtolónyomás hatásideje, (s); Adalékanyag fajtája, mennyiségének aránya, (%); c) Égetés módja Hntartási id; Égetés hmérséklete; A kemence atmoszférája. Kísérleteink többségét a Miskolci Egyetem Kerámia- és Szilikátmérnöki Tanszék Portechnológiai, illetve Szilikáttechnológiai laboratóriumaiban végeztük. Vizsgálatainkhoz a kereskedelemben is kapható magas alumínium-oxid tartalmú présporokat (.. táblázat), továbbá a Bakony Ipari Kerámia Kft. által gyártott 96% tisztaságú présport alkalmaztunk. A doktoranduszi tevékenység során alakadási technológiák jellemzésére egy-, kétoldali sajtolással, illetve izostatikus préseléssel készítettünk gyr-, tárcsa és hasáb alakú próbatesteket. A vizsgálati mintákat 64 Con szintereltük a Mikeron Kft Nabel HT8 típusú kemencéjében. Összehasonlítás céljából megvizsgáltuk az egyes présporból készült darabok égetési tulajdonságait alacsonyabb hmérsékleten (46 C, 55 C) égetve is. A vizsgált minták egyrészét nitrogén atmoszférában elégettük (zsengéltük) 5-4 C hmérsékleti tartományban, más-más hntartási id mellett. Majd az így zsengélt próbatesteket 64 C-on történ szinterelésnek is alávetettük... táblázat: Alkalmazott présporok kémiai összetétele ÖSSZETÉTEL MARTOXID KMS-9 KREUTZ SPG 95 ALCOA CT 3 SDP Al O 3 9% 95% 99,7% SiO 3,6%,%,% MgO,5%,4%,% CaO,5%,%,3% Na O - <,%,8% Fe O 3 - <,3%,% 39

43 .. Az alkalmazott kísérlettervezési módszer bemutatása Kísérleteinkhez a valószínségszámítás és matematikai statisztikai alapokra épül kísérlettervezési módszert alkalmaztunk. Egy kutatási objektum leírására a.. ábrán látható ún. fekete doboz alkalmazható. A jobb oldali nyíl a vizsgálat céljának numerikus jellemzjét reprezentálja, Y i - vel jelöljük, és függ változónak nevezzük. A kísérlet során az Y i függ változókat befolyásoljuk az x i független változók vagy faktorok révén. A kísérlet célja az Y i függ változók és az x i független változók közötti függvény kapcsolat megállapítása és adekvát módon történ matematikai leírása. A feltüntetett [ x x ], i x i z i értékek a kísérlet során fellép zavarótényezk.[66] Az Y = Ψ,..., függvényt válaszfüggvénynek nevezzük. z z i x x i FEKETE DOBOZ, KUTATÁSI OBJEKTUM Y i.. ábra: A kutatási objektum vázlata; (Átvéve Dr. Fridrik László: Válogatott fejezetek a gépgyártás-technológiai kísérletek tervezése témakörébl[67]) A kísérletekben mindegyik független változó (faktor) több értéket vehet fel. Ezeket az értékeket szinteknek nevezzük. Az x i faktorok szintjeinek rögzített szintkombinációja egy lehetséges kísérleti beállítás, ami Y i függ változó egy adott értékét eredményezi. Az adott rendszer bonyolultságát a különböz lehetséges beállítások száma határozza meg. A lehetséges, egymástól független kísérleti beállítások száma: f n = p, (.) ahol p a szintek száma és f a faktorok száma. Kísérleteink tervezésekor szem eltt tartottuk, hogy milyen tulajdonságai vannak a kutatási objektumnak. Lényeges kérdés, hogy reprodukálhatóak-e az objektumon a kísérlet eredményei. Minden faktorra bizonyos szinteket kiválasztva és 4

44 ezek kombinációira elvégezve a kísérletet több alkalommal megvizsgáltuk az optimalizációs paraméterre adott értékeket. Ezek szórása jellemzi az eredmények reprodukálhatóságát. Ha a szórás nem haladta meg valamely elzetesen megadott mennyiséget, akkor az objektum eleget tett a reprodukálhatóság követelményének. A kísérleteink során biztosítottuk a folyamatba való aktív beavatkozást; vagyis annak lehetségét, hogy a faktorok szintjeit idközben a kívánt szintre beállíthassuk. Az ilyen kísérleteket aktív kísérletnek nevezzük, az objektumot pedig, amelyen az aktív kísérlet elvégezhet, irányíthatónak.[66,67,68,69] Bizonyos esetekben az egyik faktor értékét szintenként változtatva, a többit pedig állandó értéken tartva, mértük a függ változót. Könnyen belátható, hogy így az összes lehetséges kísérleti beállítások száma nagyon nagy lehet, melyek megvalósítását a kísérleti költségek, és a rendelkezésre álló id korlátozták, vagy lehetetlenné tették. Ez az ún. passzív kísérleti módszer, amely azon túl, hogy sok kísérleti beállítást feltételez, az eredmények kiértékelése is nagyon nehéz, esetleg még hamis következtetések levonásához is vezethet. Ezzel szemben az általunk többségében alkalmazott aktív kísérletekben az összes vizsgálandó faktor értékeit elre meghatározott sorrendben variáltuk, a függ változó alakulását pedig mérési adatoknak matematikai statisztikai módszerekkel történ feldolgozása útján határoztuk meg. A beállítási szintek azok az értékek, amelyeket a faktorok a kísérletek során felvettek. A kísérleteinkben a vizsgálatokat általában 5 szinten végeztük el, és ezeket a szinteket úgy választottuk meg, hogy szimmetrikusak legyenek egy alkalmasan választott középszintre. Ezt a középszintet nullszintnek vagy alapszintnek szokás nevezni. A kísérleti feltételek leírásának és a kísérleti adatok egyszersítésére a faktorok szintjeit ún. kódolt értékekkel adtuk meg. Ez a gyakorlatban azt jelenti, hogy a középszinthez, pl. a értéket, a felette lév beállítási szintekhez a + és +, az alatta lévkhöz pedig a - és - értékeket rendeltük hozzá. A faktornak a két szomszédos szintje közötti különbség a variációs intervalluma. A variációs intervallum minden egyes faktorra nézve egy olyan érték, amely az alapszinthez hozzáadva a + - es, az alapszintbl levonva a - -es, kétszeres értékét hozzáadva, illetve levonva a + -es illetve a - -es szintet adja meg. A variációs intervallumokat úgy választottuk meg, hogy többszöröse legyen annak a hibának, amellyel az adott faktor szintjét beállítottuk. Ugyanakkor ügyeltünk arra, 4

45 hogy ne lehessen olyan nagy, hogy a fels vagy az alsó szint az optimális paraméter értelmezési tartományának határán legyen vagy azon kívülre kerüljön... Reológiai tulajdonságok vizsgálatára végzett kísérletek Reológiai vizsgálatunkhoz a Miskolci Egyetem Kerámia- és Szilikátmérnöki Tanszék munkatársai által kifejlesztett kombinált reo- és tribométert [7] használtuk. A témában ismert szakirodalom szerint a száraz sajtolópor reológiai tulajdonságait nyírócella segítségével jellemzik. Az általunk végzett módszerrel az Al O 3 porokra eddig még nem jelent meg publikáció. A.. ábrán bemutatott kombinált reo- és tribométer berendezés (6) asztalra van telepítve, melyhez rögzített a (9) hajtómves villamos motor tengelyén a () kötéldobbal. A (5) kiskocsi mozgatása a kötéldobon átvetett és a (7) görgkön megvezetett (3) végtelenített drótkötéllel valósul meg. A kocsi elmozdulási sebessége fokozatmentesen állítható a () inverteres fordulatszám szabályzó berendezés segítségével. A (4) állványon elhelyezett (5) pneumatikus léghenger hozza létre a normálirányú terhelést, melynek értéke az () nyomásszabályozó szeleppel állítható be, hiszen a dugattyú átmér és a dugattyútérben kialakuló nyomás szorzata adja az.. ábrán jelölt F n -t. A nyomás értéke a (9) nyomásmérrl olvasható le. Az állványhoz van rögzítve a () mintatartó gyr, melybe a vizsgálandó anyag, esetünkben alumínium-oxid sajtolópor helyezhet el. A (5) kiskocsi fels részére helyezhet el az (4) aktuálisan vizsgálandó felület, amely lehet akár sík (eltér felületminséggel) a küls, mozgó súrlódási együttható méréséhez, akár recézett felület, az anyagok bels súrlódásának vizsgálatához. A kötélben ébred F t húzóert a (8) ermér cella, a kocsi elmozdulását (8) elmozdulásmér cella méri, és e szenzorok által szolgáltatott mérjeleket a (7) mér adatgyjt egység fogadja, és továbbítja a (6) számítógép felé, ahol megtörténik azok feldolgozása. A súrlódási tényez a kötélben ébred er és a pneumatikus henger által létrehozott leszorító normál irányú er hányadosából számítható. Vizsgálataink során a.. táblázatban ismertetett különböz tisztaságú alumínium-oxid sajtolóporok és a Bakony Ipari Kerámia Kft által gyártott 96% Al O 3 granulátum reológiai tulajdonságait határoztuk meg a Kerámia és Szilikátmérnöki Tanszéken kifejlesztett kombinált reo- és tribométerrel (.. ábra). A mintatartó gyrbe minden mérési sorozat esetében azonos mennyiség (m = 3g) sajtolóport töltöttünk. 4

46 A küls és bels súrlódási együttható meghatározásához sík acéllapot használtunk. A töltött térfogatot állandó F n ervel terheltük, és eközben a kötéldob () és a kötélpálya (3) közötti kapcsolat oldásával alkalmassá téve a deformáció-id görbe felvételére a kombinált reo- és tribométert, majd állandó ervel terheltük a rendszert p F n Ft ábra: Kombinált reo- és tribométer[7] A készüléket a.3. ábrán bemutatott elvi vázlat szerinti módon átalakítva, lehetvé vált felvenni a különböz tisztaságú alumínium-oxid porok deformáció-id görbéit változó F n nyomóerk mellett. A kapott eredmények alapján számíthatóvá vált a súrlódási együttható, a nyírófeszültség; és így meghatározható a Coulomb-egyenes is..3. ábra: Az átalakított készüléken végzett reológiai vizsgálat elvi vázlata 43

47 A Bakony Ipari Kerámia Kft által elállított porok esetében lehetség nyílott azonos tisztaságú, ám eltér litersúlyú, így eltér szemcseméret-eloszlással rendelkez porok vizsgálatára is. A mintatartó gyrbe minden mérési sorozat esetében azonos mennyiség (m = 3g) sajtolóport töltöttünk. A töltött térfogatot állandó F n ervel terhelve állandó elmozdulási sebesség mellett felvettük a nyíróer-id és elmozdulásid diagramokat. Ezt követen megismételtük a vizsgálatot az elmozdulási sebesség egyenletes növelése mellett, így meghatározva a maximális nyíróerket. Majd újra megismételtük a vizsgálatot a következ feltételek mellett: a töltött térfogatot állandó F n ervel terheltük, és eközben a kötéldob () és a kötélpálya (3) közötti kapcsolat oldásával alkalmassá tettük a deformáció-id görbe felvételére a kombinált reo- és tribométert, így állandó ervel terheljük a rendszert. A készüléket újra átalakítva a.3. ábrán bemutatott elvi vázlat szerint, lehetvé vált felvenni a különböz szemcseméret és szemcseszerkezet alumínium-oxid porok deformáció-id görbéit változó F n nyomóerk mellett. A kapott eredmények alapján számítható lett a súrlódási együttható, a nyírófeszültség; és így meghatározható a Coulomb-egyenes is. A szemcseméret-eloszlás meghatározására a Quantimet 57C képelemz berendezést alkalmaztuk. A vizsgálat során több látótérben is mértük a szemcsék területét, majd az így kapott adatokból kiszámítottuk azok átmérjét. Az elemzéshez[7] pedig a szemcsék átmérjének számtani közepét vettük figyelembe. A sajtolópor alapanyagául a MAL RT által gyártott ALO - GB típusú timföld szolgált, melyet adalékanyagok hozzáadásával a gyár számunkra tovább rölt és porlasztva szárított. A timföld összetételét és jellemzit az. Melléklet tartalmazza. Adalékolásnál talkumot, kalcitot, bentonitet és kaolint, mint ömleszt anyagot használtunk... táblázat: Sajtolóporok szemcseátmér értékei L - L - L + SZEMCSEÁTMÉR Srség (Litersúly), kg/l,8,3,58 Átlag, µm 86, ,4 Maximum, µm 9,6 93,4 5, Minimum, µm 7 6,4 7, Szórás, µm 34,3 37,5 49,7 Relatív szórás, % 39,7 5,7 5 44

48 A fentieken túl reológiai vizsgálatainkhoz három különböz litersúlyú alumínium-oxid port alkalmaztunk. A sajtolóporok szemcseméret-eloszlását képelemz berendezéssel határoztuk meg, az így mért szemcseátmérket a.. táblázat tartalmazza. A kísérletekben felhasznált sajtolóporok szemcseméret-eloszlását az. Melléklet tartalmazza..3. Alakadási és szinterelési tulajdonságok vizsgálatára végzett kísérletek Alakadási és szinterelési tulajdonságok jellemzésére több kísérletsorozatot végeztünk. Kísérleteink során az egyes sorozatokban egyrészt vizsgáltuk a formázás hatásait, másrészt a hagyományosan és nitrogén atmoszférában elégetett (zsengélt), majd szinterelési hmérsékleten kiégetett minták mikroszerkezetében történt változásokat; a jellemz mikroszerkezeti és mechanikai tulajdonságokat. Az els kísérletsorozatban a.. táblázatban ismertetett Kreutz SPG 95 és Alcoa CT 3 SDP alumínium-oxid présporból kétoldali sajtolással készítettünk körgyr alakú próbatesteket a Mikeron Kft mechanikus présgépén a.3. és.4. táblázatban ismertetett módon, ahol a sajtolószerszám tüskéjének átmérje 34,6 mm, a ház átmérje 47,7 mm. Táblázatos alakban ábrázolhatók a kísérleti feltételek is, ez a táblázat a kísérleti mátrix, amelynek sorai a különböz kísérleti beállításoknak, oszlopai pedig a faktorértékeknek felelnek meg. A.4. táblázat a matematikai modell megalkotásához szükséges 6 kísérleti beállítást tartalmazza. A mérési eredmények az y i oszlopvektorba kerülnek beírásra. Az alkalmazott szerszám edzett acélból készült, felülete polírozott. Sajtolást követen a nyers, körgyr alakú termékek küls átmérje 47mm, bels átmérje 36,7 mm. Továbbá hideg izostatikus sajtolással 5 és MPa sajtolónyomással is készítettünk korong alakú próbatesteket. Izostatikus sajtolás esetében a sajtolónyomást a rendszerbe töltött olaj nyomása biztosítja a gumizsákba töltött sajtolóporra. Az így kapott hengeres formájú nyers terméket a kívánt formára kell esztergálni..3. táblázat: Faktorok és faktorszintek Faktorok Jele Mért. egys. Var. Int. Faktorszintek Sajtoló nyomás x MPa Max. rátartási id x s

49 A nyers minták egy részét normál módon 5 C-on (.4. ábra), a maradék mennyiséget pedig nitrogén védgázban 4 C-on zsengéltük (.5. ábra) szilitrudas kemencében. Majd a zsengélt félkész termékeket 64 C-on szintereltük a Mikeron Kft Nabel HT8 típusú kemencéjében. Minden kísérleti beállítás esetében mintadarabot készítettünk, a vizsgálatokhoz a kapott értékek átlagát vesszük alapul. Továbbá, mivel kétféle anyagminségre vonatkozik a vizsgálat, így xx8, azaz 36 darab körgyr alakú próbatestet készítettünk. A kapott eredmények alapján regressziós egyenletekkel írjuk le a függvénykapcsolatot az alkalmazott faktorok és vizsgált tulajdonságok között. T, C t, h T, C t, h.4. ábra: Zsengélés hagyományos módon.5. ábra: Zsengélés nitrogén védgázban T, C t, h.6. ábra: Magas Al O 3 tartalmú kerámiák szinterelése 95% és 99,7% Al O 3 tartalmú kerámiák esetén normál és nitrogén atmoszférában elégetve, szinterelve az alábbi kutatási objektumokat vizsgáltuk:. Sajtolási tömörödés y ; y ; y N ; y N ;. Zsengélési zsugorodás y ; y ; y N ; y N ; 3. Égetési zsugorodás y 3 ; y 3 ; y N3 ; y N3 ; 4. Zsengélési veszteség y 4 ; y 4 ; y N4 ; y N4 ; 46

50 5. Égetési veszteség y 5 ; y 5 ; y N5 ; y N5 ; 6. Égetett termék látszólagos porozitása y 6 ; y 6 ; y N6 ; y N6 ; 7. Égetett termék testsrsége y 7 ; y 7 ; y N7 ; y N7 ; 8. Égetett termék hajlítószilárdsága y 8 ; y 8 ; y N8 ; y N8 ; Az y ij illetve y Nij válaszfüggvények esetében az általunk alkalmazott jelölések szerint az i a kerámiapor Al O 3 -tartalmát (: 95%; : 99,7%), j a vizsgált tulajdonság sorszámát, N a nitrogén védgázban elégetett mintákat jelöli..4. táblázat: Tervezési mátrix Sorszám x x x x x x x y i Sorszám x x x x x x x y i A második kísérletsorozatban Kreutz SPG 95 és Alcoa CT 3SDP alumínium-oxid kerámiaport alkalmaztunk, amibl körgyr és korong alakú próbatesteket készítettünk izostatikus és egyoldali sajtolással. A hideg izostatikus sajtolást a MIKERON Kft. berendezésén végeztük. A szilikonzsákba tömörített Al O 3 hengerbl a próbatesteket méretre vágták, az így kapott korong alakú próbatestek mérete: 5mm és mm vastagságúak. Az egyoldali sajtolással készült próbatesteket a Kerámia- és Szilikátmérnöki Tanszék kn mechanikai berendezésén készítettük, a próbatesteket 5mm sajtolószerszámba préseltük, és a tölttömeg g volt. Mindegyik alakadási eljárás során 5, 75 és MPa sajtolónyomást alkalmaztunk. A sajtolást követen a nyers próbatestek egyik részét elektromos kemencében 36 Con zsengéltük 5 óra hntartás mellett nitrogén atmoszférában (.7. ábra). Másik részét 5 C-on zsengéltük úgy, hogy 5 és 8 C között nitrogén gázt áramoltattunk a kemencébe (.8. ábra). Majd a darabokat a Mikeron Kft NABER HT8 típusú kemencéjében 64 C-on égettük ki (.6. ábra). 47

51 T, C 8 6 4,3,3 3,8 8,8 9,6,5,9 T, C 8 6 4,,33,33 3,75 4,58 7,5 7,9 t, h t, h.7. ábra: Zsengélés nitrogén atmoszférában.8. ábra: Zsengélés normál atmoszférában Kreutz SPG 95 és Alcoa CT 3SDP Al O 3 tartalmú kerámiák esetén normál és nitrogén atmoszférában elégetve, szinterelve az alábbi kutatási objektumokat vizsgáltuk:. Zsengélési zsugorodás y ; y ; y N ; y N ;. Égetési zsugorodás y ; y ; y N ; y N ; 3. Zsengélési veszteség y 3 ; y 3 ; y N3 ; y N3 ; 4. Égetési veszteség y 4 ; y 4 ; y N4 ; y N4 ; 5. Égetett termék látszólagos porozitása y 5 ; y 5 ; y N5 ; y N5 ; 6. Égetett termék srsége y 6 ; y 6 ; y N6 ; y N6 ; 7. Égetett termék hajlítószilárdsága y 7 ; y 7 ; y N7 ; y N7 ; A harmadik kísérletsorozathoz Martoxid KMS-9, Kreutz SPG 95 és Alcoa CT 3SDP alumínium-oxid kerámiaport alkalmaztunk (.. táblázat). Mindegyik típusból kétoldali sajtolással készítettünk hasáb alakú próbatesteket 66,64; 99,96; 33,8MPa sajtolónyomással a Kerox-Multipolar II. Kft-nél, ahol a próbatestek mérete,5x,5x5mm. A sajtolt próbatestek egy részét elször nitrogén atmoszférában 36 C-on zsengéltük (.9. ábra), majd 46 C-on, illetve 55 C-on és 64 C-on szintereltük azokat a Miskolci Egyetem Polimermérnöki Tanszék nagyhmérséklet EK- típusú elektromos kemencéjében (.. ábra). T, C ,,3,3 3,8 8,8 9,6,5,9 t, h.9. ábra: Zsengélés nitrogén védgázban 48

52 8 Égetés hmérséklete, C Égetés ideje, h.. ábra: Magas Al O 3 tartalmú kerámiák szinterelési hgörbéi Martoxid KMS-9, Kreutz SPG 95 és Alcoa CT 3SDP alumínium-oxid kerámiák esetén normál és nitrogén atmoszférában elégetve, szinterelve az alábbi kutatási objektumokat vizsgáltuk:. Égetett termék látszólagos porozitása y ; y ; y N ; y N ;. Égetett termék srsége y ; y ; y N ; y N ; 3. Égetett termék hajlítószilárdsága y 3 ; y 3 ; y N3 ; y N3 ; A negyedik kísérletsorozatban a Bakony Ipari Kerámia Kft. által a már említett módon elállított alumínium-oxid kerámiaport alkalmaztuk. DORST TPA 5/ típusú kétoldali hidraulikus sajtoló berendezéssel készítettünk hasáb alakú próbatesteket (4x4xmm) a.5. táblázatban foglaltak szerint. A sajtolt mintákat három különböz hmérsékleten 46, 55 és 64 C-on - szintereltük (.. ábra). A három különböz hmérsékleten történ égetést egy kemencében a Bakony Ipari Kerámia Kft üzemszeren használt alagútkemencéjében - nem tudtuk megoldani. 64 C-on hagyományos módon alagútkemencében égettünk ki egy minta sorozatot. A többi mintát a Miskolci Egyetem Polimermérnöki Tanszék nagyhmérséklet EK- típusú elektromos kemencéjében égettük. Továbbá egy mintasorozatot 36 C-on nitrogén védgázban zsengéltük (.9. ábra) a Kerámia- és Szilikátmérnöki Tanszéken, majd 64 C-on szintereltük a Mikeron Kft Naber HT8 típusú kemencéjében. A regressziós vizsgálatokat kétféle módon végeztünk. Az egyik módszernek az Excel táblázatkezel programot használtuk, ahol a szükséges közbens számítási lépéseket egymás után végeztük el. A másik módszer a Minitab statisztikai program volt. A disszertációban összehasonlítottuk a két módszerrel kapott eredményeket. 49

53 .5. táblázat. Faktorok és faktorszintek Faktorok Jele Mért. Var. Faktorszintek egység Int Sajtoló er x kn Adalékanyag-arány x %,6,6,,8,4 Bakony Ipari Kerámia Kft kerámiák esetén normál és nitrogén atmoszférában szinterelve az alábbi kutatási objektumokat vizsgáltuk:. Sajtolási tömörödés y ; y ; y N ; y N ;. Égetési zsugorodás y ; y ; y N ; y N ; 3. Égetési veszteség y 3 ; y 3 ; y N3 ; y N3 ; 4. Égetett termék látszólagos porozitása y 4 ; y 4 ; y N4 ; y N4 ; 5. Égetett termék testsrsége y 5 ; y 5 ; y N5 ; y N5 ; 6. Égetett termék hajlítószilárdsága y 6 ; y 6 ; y N6 ; y N6 ;.4. Zsengélt és égetett kerámiák vizsgálata Kutatómunkánk során az általunk legyártott, zsengélt (elégetett) és égetett kerámia próbadarabokon számos vizsgálatot végeztünk. A zsengélési zsugorodás a zsengélés utáni magasság és a sajtolt próbatest magasságának viszonyszáma. S zs H = ( H zs (.) ) % ahol S H zs zs a zsengélési zsugorodás, (%); a zsengélés utáni magasság, ( mm); H a kiindulási magasság, ( mm). A zsengélési veszteség a zsengélés után mért tömeg és a sajtolt próbatest tömegének viszonyszáma. G zs m = ( m zs (.3) ) % ahol G m zs zs a zsengélési veszteség, (%); a zsengélés utáni tömeg, ( g); m a kiindulási tömeg, ( g). 5

54 Az égetési zsugorodás a zsugorító hkezelés után mért magasság és a sajtolt próbatest magasságának viszonyszáma. S e H = ( H e (.4) ) % ahol S e H e az égetési zsugorodás, (%); az égetés utáni magasság, ( mm); H a kiindulási magasság, ( mm). Az égetési veszteség a zsugorító hkezelés után mért tömeg és a sajtolt próbatest tömegének viszonyszáma. G e m = ( m e ) % (.5) ahol G m e zs az égetési veszteség, (%); az égetés utáni tömeg, ( g); m a kiindulási tömeg, ( g). A hajlítószilárdság meghatározásához szükséges méréseket hárompontos hajlítóvizsgálattal, a kn mechanikus berendezésen és Instron modellen végeztük. A sajtológépen a hárompontos hajlítást a.. ábra szerint modelleztük: a különböz méret körgyr, korong és hasáb alakú próbatesteket az alátámasztásokra helyeztük, majd fokozatos, növekv ervel terheltük, amikor ennek hatására a darab eltört, a törést okozó er értékét leolvastuk a méróráról. gyr, korong vagy hasáb alakú próbatest alátámasztó henger 3 törfej D hengeres tör átmérje, (mm) L alátámasztó hengerek közötti távolság, (mm) F hajlítóer, (N) 3 F D=mm.. ábra Hajlítószilárdság mérésének vázlata kn mechanikus berendezésen L 5

55 Hasáb alakú próbatestek hajlítószilárdságának (σ h ) meghatározására [7] a következ egyenletet használtuk: [ N / ] M hx σ h =, mm ; (.6) K M h x F l =, [ N mm] ; (.7) 8 ahol M h az F hajlítóer nyomatéka, K x arányossági tényez, mely a test alakjától és méreteitl függ ún. keresztmetszeti tényez és l az alátámasztás távolsága. Téglalap keresztmetszeti tényezje: 3 [ mm ] ab K x =,. (.8) 6 Korong és körgyr alakú próbatestek esetében a hajlítószilárdság meghatározását a fenti módszertl eltéren kell végezni. A szabványos vizsgálattól eltér módszerrel végeztük a vizsgálatokat, így az alábbi módon számított szilárdsági értékek csak összehasonlításra alkalmasak. A körgyrre és a korongra csak a hajlítóer hat, ezért tiszta hajlításról beszélünk. Figyelembe kell vennünk a tárcsák és korongok méretbeni különbségét: Ha D > L, akkor l = L, ha D < L, akkor l = D, ahol D a próbatest küls átmérje, L az alátámasztó hengerek közötti távolság, és l az alátámasztás távolsága. Tekintve, hogy a vizsgálat során a terhelt keresztmetszet téglalap alakú, ezért a keresztmetszeti tényez meghatározására a következ egyenletet használjuk korong esetében: Körgyr esetében: K x 3 [ mm ] Dh K x =,. (.9) 6 3 [ mm ] ( D d) h =, ; (.) 6 5

56 ahol D a próbatest külsátmérje, és d a próbatest belsátmérje, így D, illetve (D-d) esetünkben a próbatest szélessége és h a próbatest magassága. A már kész darabok üzemelés során ki vannak téve a tönkremenetelhez vezet károsodási folyamatoknak, amelyet okozhat kémiai, mechanikai hatás, illetve ezek együttese. Szerkezeti kerámiák esetében a felhasználás szempontjából tekintve, a kopás az egyik legfontosabb tényez, mivel ennek gazdasági hatása is jelents. A kopás összetett folyamat, amit képlékeny alakváltozás, kifáradás, törés, korróziós és diffúziós folyamatok is kísérhetnek. A Kerámia és Szilikátmérnöki Tanszék laboratóriumában található koptatógépen (.. ábra) végeztük a kopási vizsgálatokat. A koptatáshoz vizet és 7 µm szemcseméret SiC port használtunk. A vizsgálat során minden próbatestet percig koptattunk. Majd ezt követen minden darabot szárítószekrényben szárítottunk 5 C hmérsékleten, 5 órán keresztül. A már nedvességtl mentes próbatesteknek mértük a tömegét.[73,74].. ábra: Koptatógép A rideg, keramikus anyagok egyik mechanikai jellemzje lehet a Vickerslenyomatos törési szívósság, illetve a HV keménység. Vizsgálatokat a Miskolci Egyetem Mechanikai Technológiai Tanszék Mitutoyo keménységmér berendezésén végeztük. A legtöbb rideg kerámiára mint az alumínium-oxid kerámiákra is - a félpenny geometriájú lenyomat a jellemz. Az ilyen geometriájú lenyomatok esetén a törési szívósság meghatározására különböz, már jól ismert matematikai modellek (. Melléklet) állnak a rendelkezésünkre. A törési szívósság meghatározásához figyelembe vettük a lenyomatkészítés eltti feszültségállapot, valamint az anyag mikroszerkezetét (pórusok, szemcsehatárok, a szemcse- és lenyomat méretének arányát). 53

57 A testsrséget Archimedes-módszerével határoztuk meg, amelyhez bemerül közegnek vizet használtunk. A testsrség meghatározásához a következ adatokra volt szükség: A száraz próbatest tömege (m sz ), A folyadékkal telített próbatest tömege levegn mérve (m n ) A folyadékba lógatott próbatest tömege (m v ) A folyadék srségének (ρ f ) ismeretében az anyag testsrségét következ képlet alapján számíthatjuk ki: 3 [ g / ] msz ρt = ρ f, cm. (.) m m n v A porozitás, illetve a vízfelvev képesség és a szilárdság között egyértelm összefüggés van: minél kisebb a vízfelvev képesség, annál nagyobb a termék szilárdsága.[74] Látszólagos porozitásnak nevezzük az anyagban lév nyitott pórusok térfogat százalékos mennyiségét. A valódi porozitást a zárt és a nyitott pórusok együttes térfogata adja. A valódi porozitás (P v ) a testsrség és a valódi srség ismeretében a következ összefüggés alapján számolható: ρ ρt P v = %. (.) ρ A látszólagos porozitást (P l ) a folyadékkal telített próbatest tömegének (m n ) és a száraz állapotban mért tömegnek (m sz ) testsrségének és a folyadék srségének az ismeretében számolhatjuk: ( m m ) ρt n Pl = ρ m f sz sz %. (.3) A nyitott pórusok térfogat százalékos mennyisége P ny =P l. A zárt pórusok térfogat százalékos mennyisége P z =P v -P l. Az alumínium-oxid sajtolóporban lév adalékanyagok a zsengélés, szinterelés során gzök, gázok formájában távoznak el, melynek hmérsékleteit termoanalitikai 54

58 vizsgálatokkal határoztuk meg. A sajtolóporok termoanalitikai vizsgálatát a Földtani Intézet által üzemeltetett MOM Derivatograph C-típusú termoanalitikai berendezéssel végeztük. A felftés 5 C-tól C-ig történt, C/perc-es sebességgel. A derivatográf elnye, hogy segítségével egyidejleg lehet mérni és rögzíteni a vizsgált anyagban kialakuló hmérsékletváltozás (T-görbe) függvényében a tömeg-változást (TG-görbe), a tömegváltozás deriváltját (DTG-görbe), az etalon anyaghoz viszonyított hmérséklet eltérést; vagyis az entalpiaváltozás jellegét és mértékét (DTA-görbe). Így állapítható meg az, hogy a vizsgált szilárd anyagban hközlés hatására endoterm (helvonó) vagy exoterm (htermel) reakciók jönnek-e létre. A mikroszerkezet feltárására AMRAY 8 pásztázó elektronmikroszkópos (SEM) felvételeket készíttettünk, illetve EDX analízist végeztünk. Számunkra lényeges információkat a gerjesztett térfogatból visszaszóródó elektronok hordozzák. EDX üzemmódban a DX 4.5 szoftver segítségével a készülék ezeket a jeleket feldolgozva a térfogatban lév atomokat, molekulákat térfogathányaduk szerinti mennyiségben ismerteti. A normál és nitrogén gázban szinterelt próbatestek röntgendiffrakciós vizsgálatát a Miskolci Egyetem Ásványtani- Földtani Intézetében elhelyezett BRUKER D8 ADVANCE-típusú röntgen diffraktométerrel készült. A vizsgálathoz a próbatesteket porítani kellett. A minta felület kémiai jellemzit XPS módszerrel végeztük az MTA Kémiai Kutatóközpont Anyag- és Környezetkémiai Intézetében..5. Összegzés A kutatás során vizsgálatainkhoz minden esetben igyekeztünk korszer módszereket és jól bevált megbízható eszközöket igénybe venni. A kitzött feladatok elvégzése végrehajtása - során törekedtünk a számítógépes adatfelvételre és adatrögzítésre; valamint a matematikai statisztikai alapokra épül kísérlettervezési módszerek alkalmazására. 55

59 3. Alumínium-oxid kerámiák sajtolási, tömörödési vizsgálata A szakirodalomból [,75,76,77,78] ismert, hogy a porsajtolással elállított különböz kerámia termékek mechanikai szilárdságát, tömörségét és anyagszerkezetét jelents mértékben befolyásolja az alkalmazott kompaktálási technológia, a sajtolónyomás nagysága, és a sajtolt termék geometriája. Különösen nagy jelentséggel bír a mechanikai tulajdonságokra a sajtolónyomás tömörítés közbeni eloszlása és csökkenésének mértéke a sajtolóporban [79,8]. Ezért az optimális sajtolási feltételek csak a sajtolópor reológiai tulajdonságainak ismeretében határozhatók meg. [76] 3.. Alumínium-oxid sajtolóporok reológiai vizsgálata Az eltér tisztaságú sajtolóporok reológiai vizsgálata, reológiai jellemzinek ismerete fontos az alakadási technológia kiválasztásakor, mivel az alakadás során az anyag tömörödését meghatározza annak bels- és küls súrlódási együtthatója, melynek meghatározását az IGREX Kft. tulajdonát képez, a Miskolci Egyetem Kerámia- és Szilikátmérnöki Tanszék laboratóriumában található kombinált reo- és tribométerrel végeztük. A kombinált reo- és tribométer mködési elvét a. fejezet ismerteti. Vizsgálataink során 4 különböz tisztaságú alumínium-oxid granulátumot használtunk. A kombinált reo-tribométert átalakítva, felvettük az egyes sajtolóporok reológiai jelleggörbéjét (. Melléklet). A 3.. ábra a vizsgált porok nyírófeszültség-id kapcsolatát ismerteti. A vizsgálat során felvett adatokból (er, elmozdulás, id) kiszámítható a súrlódási együttható és a nyírófeszültség. Megállapítható, hogy 9% feletti Al O 3 -tartalmú sajtolóporok nyírófeszültség-id görbéje közel azonos, függetlenül a sajtolóporban található egyéb ásványok és oxidok típusától és mennyiségi arányától. 56

60 Nyírófeszültség, MPa,4,35,3,5,,5,,5, id, s 9% 95% 96% 99,7% 3. ábra: Nyírófeszültség id jelleggörbe A 3.. ábra ismerteti a kapott vizsgálati eredmények alapján számított súrlódási együttható és az alkalmazott nyomás közötti összefüggéseket. A méréseink során megfigyeltük, hogy az F N terhel er növelésével a küls súrlódási együttható növekszik. A 3.. ábra szerint arra következtethetünk, hogy,6mpa-ig terhelve a sajtolóport, a szemcsék kitöltik a vizsgálatokhoz használt fémlemez teljes (6,3µm érdesség) felületét és ekkor a szemcsék már nem tudnak egymáson átgördülni és kialakul a tökéletes csúszás.,9 Súrlódási együttható,7,5,3,,9,7 9% 95% 96% 99,7%,5,8,,6,,4,8 Sajtolónyomás, MPa 3.. ábra: Súrlódási együttható a sajtolónyomás függvényében eltér tisztaságú Al O 3 kerámiák esetén Szemcseméret-eloszlás hatásának vizsgálata során a Bakony Ipari Kerámia Kft által elkészített sajtolóporokat használtuk (. Melléklet). A sajtolópor reológiai 57

61 tulajdonságait befolyásolja az adalékanyag-tartalom, illetve a szemcseméret-eloszlás. A sajtolópor adalékanyag-tartalmának meghatározásához termoanalitikai vizsgálatot végeztünk, mely alapján megállapítottuk, hogy az általunk használt sajtolóporok adalékanyag-tartalmában nincs jelents mennyiségi különbség. A termoanalitikai vizsgálat és a reológiai vizsgálat eredményeit a. Melléklet tartalmazza. Er, N Er, N ,76,5,8 3,4 3,8 4,56 5,3 6,8 6,84 7,6 8,36 9, 9,88,6,4,,4,8 4, 5,6 7 8,4 9,8,,6 4 5,4 6,8 8, 9,6,4 3,8 Id,s Elmozdulás, mm Elmozdulás, mm 8 6 4,76,5,8 3,4 3,8 4,56 5,3 6,8 6,84 7,6 8,36 9, 9,88,6,4,,36,7 4,8 5,44 6,8 8,6 9,5,9, 3,6 5 6,3 7,7 9,4,8 3, a),8mpa terhelés esetén b),8mpa terhelés esetén 3.3. ábra: L szemcseméret-eloszlású sajtolópor jelleggörbéi A kombinált reo-tribométeren a töltött térfogatot állandó F N ervel terhelve, állandó elmozdulási sebesség mellett felvettük a nyíróer-id és elmozdulás-id diagramokat (3.3. ábra) is. A maximális nyírófeszültség meghatározásával ábrázolni tudjuk a Coulomb-egyenest is a 3.4. ábra szerint. A felvett egyenesek egyenleteit meghatároztuk. Kapott egyenletek a különböz szemcseméret-eloszlású porok esetében: L jel minta esetén: τ =,36σ +, 4 (3.) L jel minta esetén: τ =,35σ +, 5 (3.3) L + jel minta esetén: τ =,65σ +, 37 (3.4) 58

62 Nyirófeszültség, MPa,4,35,3,5,,5,,5,5,,5,,5,3 Nyomófeszültség, MPa L - L - L ábra: Coulomb-egyenes felvétele Ezt követen megismételtük a vizsgálatot az F N terhelert különböz állandó értéken tartva miközben az elmozdulási sebesség egyenletesen növeltük, így meghatározva a maximális nyíróerket. A kapott vizsgálati eredmények közül a 3.5. ábrán azt a két esetet mutatjuk be, amikor az F n terheler az alumínium-oxid sajtolóporban,8mpa, illetve,8mpa nyomófeszültséget generált. Az ábrából jól látható, hogy nagyobb tömörít nyomás esetén lényegesen nagyobb er képes csak a rendszer megmozdítására, és ezáltal elmozdulást elidézni Er, N 4 3 Er, N 4 3,7 5,4 8,,8 3,5 6, 8,9,7 4,4 7, 9,8 3,5 35, 37,9 4,6 43,3 5,46,9 6,4,8 7,3 3,8 38, 43,7 49, 54,6 6, 65,5 7 76,4 8,9 Elmozdulás, mm ,8 6,6 9,4,3 5,4 8,5,6 4,6 7,7 3,8 33, , a),8mpa terhelés esetén b),8mpa terhelés esetén 3.5. ábra: L szemcseméret-eloszlású sajtolópor jelleggörbéi 59

63 A Coulomb-egyenes felvételével (3.6. ábra) megállapítható, hogy egyenletesen növelve a rendszer sebességét a nyírófeszültség-nyomófeszültség diagrammon a legnagyobb meredekséggel és így bels súrlódási együtthatóval az L + jel sajtolópor rendelkezik. Nyírófeszültség, MPa,45,4,35,3,5,,5,,5 L - L- L+,5,,5,,5,3 Nyomófeszültség, MPa 3.6. ábra: Coulomb-egyenes felvétele Kapott egyenletek a különböz szemcseméret-eloszlású porok esetében: L jel minta esetén: τ =,47σ +, 5 (3.5) L jel minta esetén: τ =,36σ +, 4 (3.6) L + jel minta esetén: τ =,98σ +, 5 (3.7) Az általunk alkalmazott módszerek szerint a vizsgált porok eltér szemcseméreteloszlása, illetve halmazsrsége esetünkben nincs hatással a sajtolóporok bels súrlódási együtthatóira. Ezt követen a töltött térfogatot állandó F N ervel terheltük, és eközben a kötéldob és a kötélpálya közötti kapcsolat oldásával alkalmassá tettük a deformáció-id görbe felvételére a kombinált reo- és tribométert. A 3.7. ábra az alumínium-oxid sajtolópor alakváltozás-id, valamint a 3.8. ábra az elmozdulás-id jelleggörbét adja meg F N tömörít er által elidézett,8mpa sajtolónyomás esetén. 6

64 ,7,6,5,4,3,, 5,7,4 7,,8 8,5 34, 39,9 45,6 5,3 57 6,7 68,4 74, 79,8 Alakváltozás 85,5 9, 96, ábra: Alumínium-oxid sajtolópor reológiai jelleggörbéje ,8,6 7,4 3, 9 34,8 4,6 46,4 5, 58 63,8 69,6 75,4 8, 87 9,8 98,6 Elmozdulás, mm 3.8. ábra: Alumínium-oxid sajtolópor elmozdulás-id függvénye Reológiai vizsgálataink során megfigyeltük néhány sajtolási jellegzetesség megjelenési formáját is (. Melléklet). Az. fejezetben már ismertettük a félmennyiség modellt. Reed a sajtolás folyamatát 3 f szakaszra osztja, melyek a sajtoló nyomás és a töltési srség közötti kapcsolatot veszi figyelembe. A hengeres, tárcsalakú alumínium-oxid nyerstermékek sajtolásakor a 3.9 ábrán bemutatott srség-sajtolási id diagrammot kaptuk, miközben a sajtolónyomást az id függvényében lineárisan növeltük. Ezt a görbét elsként Matsumoto és szerztársai írták le. [9] 6

65 3.9. ábra: Sajtolás f bb szakaszai (Átvéve: R.D. Carneim, G.L. Messing: Powder Technology 5()3 38) N = X N =5X 3.. ábra: A sajtolás I. szakasza N = 8X N = X 3.. ábra: A sajtolás II. szakasza Ezek szerint az id függvényében lineárisan növekv sajtolónyomás esetén a s r ségváltozás folyamata 6 f szakaszra bontható, ahol az I. szakaszban a sajtolópor 6

66 betöltésével megindul a szemcsék rendez dése és a szerszámbélyeg zárásával a rendez dés meg is sz nik. A II. szakaszban a szerszámbélyeg zárásakor kifejtett terhel er k hatnak a granulátumokra. A III. részben a növekv terhel er hatására megindul a sajtolás folyamata, a szemcsék deformálódnak. A IV. szakaszban a szemcsék deformációjával, szilánkosodásával elérjük a maximális tömörödés mértékét. Az V. szakasz kezdete a szerszámbélyeg kitolásával kezd dik, amikor is megindul a visszarugózás folyamata és a relaxáció. Az utolsó szakaszban éri el a termék végleges tömörségét, s r ségét. Vizsgálataink során az I. szakaszban a betöltött granulátum csekély mérték tömörödése figyelhet meg, ekkor a granulátumok egymáson és a szerszám falán elcsúszva rendez dnek. A granulátumok közötti hézagok sokkal nagyobbak, mint a granulátum átlagos pórusai (3.. ábra). A II. szakaszban a granulátumok a sajtolónyomás hatására deformálódnak (3.. ábra), töredeznek és a relatíve nagy rések térfogata lecsökken. A tömörödés itt leírható a következ egyenlettel: DC = D f + m ln( Pa / Py ) (3.8) ahol DC sajtolt termék s r sége Pa alkalmazott nyomásnál; és m a sajtolási konstans, amely függ az alakíthatóságtól és a granulátumok méreteloszlásától. Az adalékanyagot tartalmazó granulátum terhel nyomása Py, ami kevesebb, mint MPa; Df a töltési s r ség. Az egyenletes s r ség eléréséhez annál nagyobb nyomás szükséges, minél nagyobb az adalék- illetve köt anyag tartalma a granulátumnak. A III. szakasz akkor kezd dik, amikor a granulátumok közötti nagy pórusok elt nnek a deformáció során és a tovább növelt sajtoló nyomás hatására a szemcsék elcsúsznak, újrarendez dnek vagy összetöredeznek (3.. ábra). N =8X N = 5X 3.. ábra: A sajtolás III. szakasza 63

67 Megállapíthatjuk tehát, hogy kismérték,8-,8mpa - sajtolónyomás alkalmazásakor a sajtolópor már a sajtolási folyamat I., II. és a kezdeti III. szakasza szerint viselkedik. Ekkor az általunk kapott reológiai modellt 3.3. a) ábra szerint írhatjuk le. Mivel a szemcsék itt már rendezdnek, további sajtolónyomás hatására deformálódni fognak. Az így kialakult állapot visszarendezdéséhez végtelen id szükséges. a) Al O 3 sajtolóporok viselkedése az I.-II. sajtolási szakaszban b) Szemcsék egymáshoz tapadása III. szakasz kezdetén c) Szemcseroncsolódás a IV. szakaszban d) Visszarugózás és relaxáció az V. VI. szakaszban 3.3. ábra Alumínium-oxid sajtolóporok reológiai modelljei a sajtolás f szakaszaiban A sajtolóporok felületén lév nedvesítanyagok (adalékanyagok) elsegítik a szemcsék egymáson és a szerszámfalán való elcsúszást, ugyanakkor a szemcsék egymáshoz való tapadását is a sajtolónyomás hatására. Az adalékanyagokat reológiai viselkedésük szempontjából viszkózus vagy viszkoelasztikus modellel írhatjuk le [9]. Így felírhatjuk 3.3. b) ábra szerinti modellt. A szemcseroncsolódás során a vizsgált rendszerünk kettéválik, így ez a reológiai modellben is megjelenik (3.3. c) ábra). A visszarugózás jelensége a terhelés megsznésével a porszer, keramikus anyagoknál jól ismert. A sajtolás során a rendszerben ébred feszültségek egy része a terhelés megsznésével visszahat a rendszerre, a szemcsék visszarugóznak, ezáltal a termék 64

68 65 térfogata növekszik és a sajtolt termék srsége csökken. A visszarugózás jelenségét egy, az eddigi modellünkhöz sorba kapcsolt rugalmas tag biztosítja.(3.3.d) ábra) Az Al O 3 sajtolópor reológiai modellje tulajdonképpen megfelel a már ismert azbesztcement reológia modelljével. Az így leírt modell jelleggörbéit láthatjuk a 3.4. ábrán. Látható, hogy ez a modell nem csak az alumínium-oxid porok, hanem más, egyéb porszer anyagok reológiai modelljével is azonos. A két modell (3.3.d) ábra és 3.4. ábra) azonossága azt jelenti, hogy az alumínium-oxid porokra is felírhatók a Gömze-féle anyag és deformációs reológiai egyenletek. [8] Gömze-féle reomechanikai egyenlet szerint: τ τ η η η η τ τ τ τ = a a a t t t t t a a (3.9) A deformáció leírására a Gömze-féle deformációs függvény szolgál: ) ( exp ) ( t H t E E C t H E C a t = η τ η (3.) 3.4. ábra: Azbesztcement tipikus deformáció-id függvénye és reológiai modellje (Átvéve: Gömze A. László: Vybor osnovnih parametrov shnekovnik pressov dlya formovaniya ctroitel nih izdelij iz asbestotzementnih mass, Avtoreferat, Moscow, 985. UDK )

69 3.. Az alumínium-oxid porok sajtolási, tömörödési vizsgálata Az alumínium-oxid porok sajtolási, tömörödési vizsgálathoz a. fejezetben részletezett alábbi három tömörítési eljárást alkalmaztuk: egyoldalú, egytengely hideg sajtolás; kétoldalú, egytengely hideg sajtolás; hideg izostatikus sajtolás. Vizsgálataink során jellemzen az alábbi technológiai paramétereket változtattuk az els kísérletsorozatban: x sajtolónyomást létrehozó sajtoló er, [N]; x a maximális sajtolónyomás hatásideje, [s]. Ettl eltért a negyedik kísérletsorozat, ahol a sajtolást elsegít folyósító adalékanyag (Ca-sztearát) mennyiségének sajtolást tömörödést elsegít hatását kívántuk megismerni, feltárni. Ennél a kísérletsorozatnál az alábbi jelölést használtuk: x sajtolónyomást létrehozó sajtolóer, [N]; x a bekevert folyósító adalékanyag mennyisége, [%]. Miután az adott kísérletsorozaton belül azonos sajtolószerszámot használtunk a sajtolóer értékének változtatásával azonos mértékben változott a sajtoló porra ható (küls) sajtolónyomás. Miután a tömörített termék keresztmetszetét mm -ben fejeztük ki, így a sajtolóer által gerjesztett sajtolónyomás értékét MPa-ban kaptuk meg. Vizsgálataink során a hengeres szerszámüregbe minden esetben azonos tömeg és granulometriájú sajtolóport töltöttünk és mértük a sajtolt termék magasságát az x és x független változó függvényében. A sajtolási vizsgálatok kísérletterveit és a kapott mérési eredményekbl számított és adekvátságra ellenrzött regressziós egyenleteket a. Melléklet tartalmazza. Itt csupán az els és a negyedik kísérleti sorozat eredményeit és regressziós egyenleteit kívánjuk bemutatni, mivel ezek jól szemléltetik, hogy az azonos tömeg és granulometriájú porból sajtolt próbatestek magassága csak a sajtolónyomástól függ és közel lineárisan csökken a sajtolónyomás növekedésével [78]. Y Y tömörödés tömörödés 99,7% Al O 3 = 9,, p (3.) 95 % Al O 3 = 9,43, 87 p (3.) 66

70 Az els kísérletsorozat eredményei azért érdemelnek megkülönböztetett figyelmet, mert a 99,7% Al O 3 tartalmú porok esetén a maximális sajtolónyomás hatásideje gyakorlatilag nem befolyásolta a tömörödés mértékét. Ugyanakkor a kapott (3.) regressziós egyenlet nem bizonyult adekvátnak, amit a mért adatok alapján készített 3.5. ábra is jól szemléltet. Sajtolt magasság, mm 9,8 9,6 9,4 9, 9 8,8 8,6 8,4 95% AlO3 99,7% AlO Sajtolónyomás, MPa 3.5. ábra: Sajtolt, nyers termék tömörödése kétoldali sajtolás esetén A negyedik kísérletsorozatban szitálatlan és szitált 99,7% Al O 3 sajtolóport használtunk, és a sajtolást elsegít folyósító adalékanyag-tartam hatását kívántuk feltárni különböz sajtolónyomások mellett [83]. Bár a vizsgálati eredmények kiértékelésekor kapott (3.3) és (3.4) regressziós egyenletek adekvátak voltak, gyakorlatilag azt mutatták, hogy ezeknél a viszonylag jelents sajtolónyomásoknál az alumínium-oxid porok tömörödése esetünkben független a bekevert folyósítószer mennyiségétl. Y Y tömörödés tömörödés szitálatla n = 9,638, 49 p (3.3) szitált = 9,693, 38 p (3.4) Ezekbl a regressziós egyenletekbl is jól kitnik, hogy a folyósítószer mindenek eltt a töltéskor és a szerszámüreg egyenletes kitöltésénél játszik szerepet. Ott a présporban való jelenléte és homogén eloszlása viszont elengedhetetlen. 67

71 3.3. Sajtolási paraméterek hatása a kiégetett Al O 3 kerámiák tulajdonságaira Az alakadás hatása a késztermék tulajdonságaira - mint testsrség, látszólagos porozitás, hajlítószilárdság - jól megfigyelhet azok alakulása az égetési hmérséklettl, atmoszférától függetlenül. A következkben vizsgáljuk normál, illetve viszonylag alacsony hmérsékleten (46 C) égetett termékek tulajdonságaira tett hatását. Az els kísérletsorozat eredményei alapján (hagyományos módon hkezelve) kétoldali sajtolással készített minták testsrségének alakulását ismerteti a 3.6. és 3.7. ábra a sajtolónyomás függvényében. Jól látható, hogy a nagy tisztaságú 99,7% Al O 3 -tartalmú kerámia testsrsége már MPa sajtolónyomás mellett is eléri az elvárt testsrséget. A sajtolónyomás további növelésével már nem érünk el további javulást, ezért ez nem is indokolt. Mindkét ábra szerint a sajtolónyomás maximális hatásidejének növelésével sem érhet el további javulás. Testsrség, g/cm3 4 3,95 3,9 3,85 3,8 3,75 3,7 3,65 3,6 max. rátartási id 3 sec max. rátartási id 9 sec max. rátartási id 5 sec 9,5 7,85 6,8 4,7 77,4 Sajtolónyomás, MPa 3.6. ábra: Testsrség a sajtolónyomás függvényében 95% Al O 3 -tartalom esetén 4 Testsrség, g/cm3 3,95 3,9 3,85 3,8 3,75 3,7 max. rátartási id 3 sec max. rátartási id 9 sec max. rátartási id 5 sec 9,5 7,85 6,8 4,7 77,4 Sajtolónyomás, MPa 3.7. ábra: Testsrség a sajtolónyomás függvényében 99,7% Al O 3 -tartalom esetén 68

72 Lényeges különbség a két sajtolópor között a látszólagos, nyílt porozitás esetében mutatkozik. Az eredmények szerint a 95% Al O 3 -tartalmú sajtolópor alkalmazásakor a megfelel gáz és víztömör szerkezet kialakításához MPa sajtolónyomást kell alkalmazni. Ugyanakkor, a 99,7% Al O 3 -tartalmú kerámiák esetében a kapott eredmények függetleníthetk a sajtolónyomás mértékétl.,3 Látszólagos porozitás, %,5,,5,,5 max. rátartási id 3 sec max. rátartási id 9 sec max. rátartási id 5 sec 9,5 7,85 6,8 4,7 77,4 Sajtolónyomás, MPa 3.8. ábra: Látszólagos porozitás a sajtolónyomás függvényében 95% Al O 3 -tartalom esetén,3 Látszólagos porozitás, %,5,,5,,5 max. rátartási id 3 sec max. rátartási id 9 sec max. rátartási id 5 sec 9,5 7,85 6,8 4,7 77,4 Sajtolónyomás, MPa 3.9. ábra: Látszólagos porozitás a sajtolónyomás függvényében 99,7% Al O 3 -tartalom esetén Az elvárt mechanikai tulajdonságok, mint például a maximális hajlítószilárdság eléréséhez figyelembe kell venni a sajtolónyomás hatását is. Kísérleteink szerint kétoldalú sajtolás esetén 5MPa sajtolónyomás mellett érhet el optimális 69

73 hajlítószilárdság, ugyanakkor a termék testsrségének és látszólagos porozitásának értéke sem romlik[83,84]. 6 Hajlítószilárdság, MPa % AlO3 99,7% AlO3 9,5 7,85 6,8 4,7 77,4 Sajtolónyomás, MPa 3.. ábra: Hajlítószilárdság a sajtolónyomás függvényében A harmadik kísérletsorozat vizsgálja az alakadás hatását viszonylag alacsony hmérsékleten szinterelt (46 C) termékek esetében is ,9 3,9 Testsrség, g/cm3 3,8 3,7 3,6 3,5 3,4 9% AlO3 95% AlO3 99,7% AlO3 Testsrség, g/cm3 3,8 3,7 3,6 3,5 3,4 9% AlO3 95% AlO3 99,7% AlO3 3,3 66,64 99,96 33,8 3,3 66,64 99,96 33,8 Sajtolónyomás, MPa Sajtolónyomás, MPa 3.. ábra: Normál és nitrogén atmoszférában égetett darabok srsége Hagyományos úton szinterelt darabok esetén, növelve a sajtolónyomást, láthatjuk, hogy a 9% tisztaságú alumínium-oxid srsége nem változik nagymértékben. A 95% tisztaságú Al O 3 -ot tekintve a sajtolónyomás növelésével ezen a hmérsékleten a srség csökken. A 99,7% tisztaságú por növekv sajtolónyomás mellett növekv srséget ad. A nitrogén védgázban zsengélt és égetett darabok tulajdonságai (testsrség) hasonlóak a hagyományos módon égetett darabokéval. A 9% tisztaságú alumíniumoxid testsrsége a hkezelés után nem változott. A 95%-os alumínium-oxid testsrsége ellentétes módon változik a hagyományos módon elállított minták 7

74 testsrségével szemben, azaz növekv sajtolónyomás mellett a srségi értékek is növekednek. A 9% tisztaságú alumínium-oxid már alacsony sajtolónyomás esetén is eléri az elvárt srségi értékeket (.. táblázat). Porozitást tekintve a nitrogén atmoszférában zsengélt darabok tulajdonságai kismértékben javultak. A nitrogén atmoszférában is zsengélt darabok hajlítószilárdsága jelents mértékben javult, ezen a hmérsékleten (36 C) a 9% tisztaságú alumínium-oxid hajlítószilárdsága a legmagasabb.,5,5 Látszólagos porozitás, %,,5,,5 9% AlO3 95% AlO3 99,7% AlO3 Látszólagos porozitás, %,,5,,5 9% AlO3 95% AlO3 99,7% AlO3 66,64 99,96 33,8 66,64 99,96 33,8 Sajtolónyomás, MPa Sajtolónyomás, MPa 3.. ábra: Normál és nitrogén atmoszférában égetett darabok porozitása 5 5 Hajlítószilárdság, MPa 5 5 9% AlO3 95% AlO3 99,7% AlO3 Hajlítószilárdság, MPa 5 5 9% AlO3 95% AlO3 99,7% AlO3 66,64 99,96 33,8 66,64 99,96 33,8 Sajtolónyomás, MPa Sajtolónyomás, MPa 3.3. ábra: Normál és nitrogén atmoszférában égetett darabok hajlítószilárdsága A nitrogén atmoszférában zsengélt minták felületén kialakult karbonban gazdag réteg kiváló mechanikai tulajdonságot biztosít a terméknek. A 3.4. ábra ismerteti az els kísérletsorozatban készített minták átlagos tömegveszteségét az egyes alakadási módszerek esetében. Az átlagos tömegveszteséggel jellemezhetjük a minták kopási tulajdonságait. Összehasonlítva az egyes alakadási módszerek esetében kapott jellemz értékeket, megállapíthatjuk, hogy a nitrogén atmoszférában hkezelt minták ellenállóbbak, mint a hagyományos módon zsengélt és szinterelt minták. 7

75 Az a) esetben látható, hogy az optimális tulajdonságok elérése vagy nagyon alacsony sajtolónyomás alkalmazásával, vagy 4,7 MPa sajtolónyomás esetében érhet el. Izostatikus sajtolás esetén kedvez tulajdonságokat érhetünk el alacsony sajtolónyomás alkalmazása mellett is, amennyiben a mintákat nitrogén védgázban hkezeljük. Egyoldali (felülrl sajtolt) sajtolás esetén vizsgáltuk az alsó- és fels bélyeggel terhelt felületet. A vizsgálat beigazolta, hogy az egyoldali sajtolónyomás hatására kialakult feszültségállapot a mechanikai tulajdonságokra is hat. Így a felülrl nyomott oldal esetében a kopási tulajdonságok kedvezbbek[85]. Átlagos tömegveszteség, g,5,,5,,5 9,5 7,85 6,8 4,7 77,4 Sajtolónyomás, MPa 95% 99,7% 95% N 99,7% N Átlagos tömegveszteség, g,5,,5,,5 5 Sajtolónyomás, MPa 95% 99,7% 95%, N 99,7% N a) kétoldali sajtolás b) izostatikus sajtolás,5 Átlagos tömegveszteség, g,,5,,5 95% 99,7% 95% N 99,7% N alsó szerszámfél fels szerszámfél kétoldali Sajtolónyomás 4,7MPa c) egyoldali és kétoldali sajtolás 3.4. ábra: Kopási tulajdonságok alakulása A keménységi és Vickers-lenyomatos törési szívóssági vizsgálatokhoz 95% és 99,7%- tartalmú Al O 3 kerámiatárcsákat állítottunk el izostatikus sajtolással, 64 C-on szinterelve[86]. A kész próbatestek felületét polírozással megfelel módon elkészítve mértük az alumínium-oxid HVm keménységét. Tovább terhelve a rideg anyagok lenyomata körül félpenny típusú repedések keletkeztek, ezáltal meghatároztuk a Vickers-lenyomatos törési szívósság értékét[87,88,89]. A próbatesteken a HVm keménységmérést F = 9,8N és t = sec feltételek mellett végeztük. A 3. táblázat ismerteti az általunk mért mérési adatok átlagát, mint a Vickers-féle lenyomat átlagos átmérjét, d átlag, és a teljes repedés hosszát, c átlag. 7

76 A 3.5. ábra szemlélteti a két eltér tisztaságú alumínium-oxid kerámián készített Vickers lenyomat felvételeit más-más mélységélességgel. a) 95% Al O 3 b) 99,7% Al O ábra: Vickers lenyomatok (N = 9x) 3.. táblázat: Mérési eredmények Sajtolónyomás 5MPa MPa Al O 3 -tartalom 95% 99,7% 95% 99,7% HVm, GPa 5,44 3,9,7,7 a, µm 7,75 8,33 9,35 9,35 c, µm 5,89 9,95 * * *Ezek az adatok nem meghatározhatóak (N=9x nagyítás mellett) A törési szívósság meghatározásához szükséges E Young modulusz értékét irodalmi adatok alapján 373GPa-nak vettük [7,9,9]. Kc érték meghatározására a. Mellékletben ismertett tapasztalati modelleket használtuk, melyek közül az Evans és Wilshaw összefüggés, illetve Evans és Charles összefüggés adott megfelel értéket. Az így kapott Kc értékeket foglalja össze a 3.. táblázat. Törési szívósség megharározása Evans és Wilshaw szerint: 3 / K c =,79( P / a )log(4,5a / c) (3.5) ahol,6 c / a < 4,5 Törési szívósség megharározása Evans és Charles szerint: 3 / K c =,84P / c (3.6) 3.. táblázat: Vickers lenyomatos törési szívósság eredményei Kc, MPa m / Egyenletek 95% Al O 3 99,7% Al O 3 Evans és Wilshaw 5,9 4,7 Evans és Charles 6,67 5,67 73

77 3.4. Eredmények összegzése Az elvégzett tömörödési és reológiai vizsgálatok alapján sikerült feltárni az alumíniumoxid présporok reológiai tulajdonságainak változását a sajtolás folyamatában, elkészíteni a reológiai modellt, valamint megtalálni azt a reo-mechanikai anyagegyenletet, amellyel leírható a préspor viselkedése a sajtoló-szerszámban a végsajtolás pillanatában. A kombinált reo- és tribométerrel elvégzett vizsgálatok alapján sikerült meghatároznunk a különböz összetétel alumínium-oxid atomizer porok küls súrlódási együtthatóját acélfelületen, valamint bels súrlódási együtthatóinak tartományát a nyomás, a csúszási illetve deformációs sebesség, valamint a szemcseméret-eloszlás függvényében. Ezzel párhuzamosan sikerült megalkotnunk a 9%-nál nagyobb tartalmú alumínium-oxid porok reológiai anyagmodelljét és annak reomechanikai anyagegyenletét. Az általunk kapott reológai anyagmodell, illetve anyagegyenlet alapján megállapítható, hogy a magas Al O 3 -tartalmú sajtolóporok képlékeny-viszkorugalmas anyagként viselkednek, ahol az alakváltozások idben gyorsan végbemennek, ezért ezek a porok alkalmasak a dinamikus, gyors sajtolásra. Az elvégzett vizsgálatok eredményeként sikerült bebizonyítani, hogy az alumíniumoxidból készült kerámia termékek tulajdonságait jelents mértékben befolyásolja az alakadás során alkalmazott sajtolónyomás nagysága és hatásideje. Ugyanakkor a sajtolónyomással jelents mértékben befolyásolható a porsajtolással készült kiégetett (szinterelt) alumínium-oxid termékek mikro- és makroszerkezete is. A sajtolónyomás értékeinek megfelel megválasztásával a. generációs kerámiák gyártásához használt a viszonylag nem nagy tisztaságú (9-99,7% Al O 3 -tartalmú) sajtolóporokból is sikerült a 4. illetve az 5. generációs nagytisztaságú kerámia termékekre jellemz mechanikai szilárdságú, mikrokeménység és kopásállóságú oxidkerámia termékeket elállítani. Az általunk használt, megtalált sajtolási peremfeltételek mellett a. generációs alumíniumoxid nyersanyagokból lehetség nyílik az 5. generációs Al O 3 -ra jellemz nagy mechanikai szilárdságú, mikrokeménység és kopásállóságú kerámiákat elállítani. Bebizonyosodott, hogy a sajtolt termék minségére valamint mechanikai tulajdonságára és makroszerkezetére legnagyobb hatással az alkalmazott sajtolónyomás bír. 74

78 4. Az égetési (szinterelési) atmoszféra hatása a magas Al O 3 kerámiák tulajdonságaira Acélok esetében jól ismert eljárás a termokémiai hkezelés, melynek célja az acélok felületi keménységének, kopásállóságának, ismétld igénybevétellel szembeni ellenállásnak, valamint korrózióállóságának fokozása. Ezzel az eljárással az acél felületi rétegébe diffúzió útján ötvözelemeket karbon, nitrogén, szilícium, alumínium juttatva, annak mechanikai és kémiai tulajdonságai módosíthatóak, javíthatóak. [9, 93,94] Szakirodalmi áttekintés alapján célul tztük ki, hogy megvizsgáljuk a nitrogén védgáz alkalmazási lehetségeit alumínium-oxid kerámiák esetében is. Vajon a nitrogén atmoszférában történ hkezelés javítja-e a vizsgált kerámia mechanikai szilárdságát, növeli-e kopásállóságát. Kutatásunkhoz a. fejezetben ismertetett kísérleti sorozatok szerint készítettük el a próbatesteket, majd nitrogén, illetve normál atmoszférában zsengéltük, és kiégettük azokat. Ezt követen vizsgáltuk az így elkészített próbák mikroszerkezetét, illetve mechanikai tulajdonságait. 4.. Szinterelési atmoszféra és a hmérséklet hatása a mikroszerkezetre Az els kísérletsorozatban Kreutz SPG 95 és Alcoa CT 3 SDP alumínium-oxid présporból kétoldali sajtolással készítettünk körgyr alakú próbatesteket, melyek összetételét a.. táblázat ismerteti. A sajtolt próbatesteket szillitrudas hkezel kemencében nitrogén atmoszférában hkezeltük a.4. ábra szerint, ekkor 5 C-tól folyamatosan áramoltattuk a nitrogén gázt a kemencébe, egészen addig, míg a lehlési szakaszban a kemence hmérséklete ismét eléri az 5 C-ot. A 95% Al O 3 -tartalmú sajtolóporok a sajtolás, préselés elsegítéséhez 3%-ban szerves adalékanyagot tartalmaznak. A 99,7% alumínium-oxid sajtolópor -5% szerves adalékanyagot tartalmaz. (3. Melléklet) Az így elállított minták mikroszerkezeti vizsgálata pásztázó elektronmikroszkóppal, röntgendiffrakciós vizsgálattal, XPS technikával történt. A következkben a 95% Al O 3 -tartalmú kerámia vizsgálati eredményeit ismertetjük. A 99,7% tartalmú kerámia esetében kapott eredményeket a vonatkozó mellékletekben ismertetjük, mivel mindkét 75

79 esetben azonos eredményt értünk el. A sajtolóporok termoanalitikai vizsgálata során megállapítottuk, hogy a szerves adalékanyagok 4-5 C-on eltávoznak az alapanyagból. (3. Melléklet). A kiindulási sajtolóporok összetételét megvizsgáltuk EDX által, és a kapott eredmények szerint detektálható a szerves adalékanyag karbontartalma. (3. Melléklet) A nitrogén véd gázban zsengélt, majd normál atmoszférában kiégetett minták töretfelületét (4.. ábra) vizsgáltuk, analizáltuk. 4.. ábra: Nitrogén atmoszférában h kezelt próbatestek töretfelületének SEM felvétele (95%-os AlO3, sajtolónyomás: 77, MPa, a sajtolónyomás max. hatóideje : 5 s) A 4.. ábrán megfigyelhet, hogy a minta küls rétegében egy új, jellegében a hagyományos módon szinterelt AlO3 kerámiától eltér struktúra alakult ki. A 4.. ábra a töretfelület átlagos összetételének spektrumát mutatja. A felvételen látható, hogy az alumínium és oxigén mellett, megjelent a karbon is. 4.. ábra Nitrogén atmoszférában h kezelt próbatestek töretfelületének EDX felvétele 76

80 A 4.3. ábra 95% Al O 3 kerámia töretfelületének küls rétegét ismerteti M = X nagyítás mellett. Megfigyelhetek az alumínium-oxidra jellemz szögletes szemcsék, valamint az eddig figyelmen kívül hagyott apró szemcsék sokasága! Az apró szemcsék csupán,- µm nagyságúak. Itt a próbatest közepében kialakult új fázis nyomait fedeztük fel ábra: Nitrogén védgázban elégetett 95% Al O 3 töretfelületének felvétele a felszín közelében A 4.4. és 4.6. ábra a töretfelület spektrumait ismerteti. A 4.. táblázat 95% Al O 3 - tartalmú kerámia összetételét tartalmazza a spektrum alapján számítva. Els esetben a kerámiát alkotó elemek összességét vettük figyelembe, majd csak az Al, O és C elemekre vizsgáltuk a spektrumot. Meg kell jegyezni, hogy a karbon itt csak nagyon kis mennyiségben detektálható, így annak %-os mennyisége csak tájékoztató jelleggel kezelhet. Ettl függetlenül a minta belsejében mért eredményeket összevethetjük a töretfelületén detektált elemek arányaival. Itt azt tapasztaltuk, hogy a karbon tartalom jelentsen csökkent (4.. táblázat) a minta közepe felé haladva. A 4.5. ábra a minta bels részét mutatja, ahol már az új fázis csak kismértékben van jelen. Az EDX által a nitrogéntartalom meghatározására nem volt lehetség, mert annak mennyisége a kimutathatósági határ alatt van. 77

81 4.4. ábra: N védgázban elégetett 95% Al O 3 kerámia küls rétegének töretfelülete (EDX) 4.. táblázat: A vizsgált kerámia összetétele a töretfelület szélén Elem Wt% At% Elemek Wt% At% O 6,4 4,73 C 4,4 4,69 Mg,58,59 O 6,, Al 74,75 67,9 Al 69,75 54, Si 4,47 3,9 Összesen Ca 3,6,87 Összesen 4.5. ábra: N védgázban elégetett 95% Al O 3 kerámia bels részének töretfelülete 78

82 4.6. ábra: N védgázban elégetett 95% Al O 3 bels részének töretfelülete (EDX) 4.. táblázat: A vizsgált kerámia összetétele a töretfelület bels részén Elem Wt% At% Elemek Wt% At% O 9,5 8,85 C 9,85 7,6 Mg,89,87 O 9,5 6,9 Al 73, 64,97 Al 7,64 56, Si 3,38,88 Összesen Ca,38,4 Összesen 99,99 Az XPS vizsgálatok eredményeit a 4.7. és 4.8. ábra ismerteti. Az XPS (Kratos XSAM- 8 XPS/Auger spektrométer) vizsgálattal a minta felületének kémiai jellemzit vizsgáltuk. A vizsgálat eredményeit a 4.3. táblázatba foglaltuk össze táblázat: A vizsgált kerámia összetétele (XPS által) Elem Wt% At% O s 8,44 6,8 N s,6,65 C s 47,57 59,7 Si p,7,6 Al p,6,7 Ca p,5,4 A 4.3. táblázat adatai szerint a vizsgált kerámia minta felületi karbon-tartalma jelents, ugyanakkor a nitrogén tartalom igen csekély, ám kimutatható! 79

83 Az XPS által felvettük a minták felületi rétegeinek spektrumát. Az így készült spektrumok szerint nitrogén csak nyomokban található a felületi rétegekben, míg karbonban igen dús (4.9. ábra) ábra: Vizsgált minta töretfelületének XPS spektruma 4.8. ábra: Vizsgált minta töretfelületének XPS spektruma elemek szerint 8

84 A röntgendiffrakciós vizsgálat alapján meghatároztuk a nitrogén védgázban hkezelt kerámia szerkezetét. A 4.9. ábra ismerteti ennek eredményét. Látható, hogy az Al O 3 csúcsai mellet megjelent a karbon kristályos formában, valamint az Al 4 N 3 CO (ALONC) is. Az ALON legtöbb csúcsa ugyan illeszkednek a kapott diffraktogarmhoz, ám teljes mértékben nem igazolja annak jelenlétét. Vizsgálatink eredménye jelents, ugyanis kimutattuk, hogy már viszonylag alacsony hmérsékleten, nitrogén gázban elégetve, a hagyományos szennyezettség alumínium-oxid kerámiákban létrejön, kialakul az ALONC. Az els kísérletsorozat szerint kétoldalú és izostatikus sajtolással készített- nitrogén védgázban elégetett és szinterelt minták röntgendiffrakciós eredményeit a 3. Melléklet tartalmazza ábra: A vizsgált minta röntgendiffrakciós felvétele Tabary, Servant és Alary megfigyelései alátámasztják azt, hogy a karbon két formában van jelen. Egyszer, mint grafit, amely nem lép reakcióba olvadáskor, a másik az Al-O-N-C négyalkotós rendszer. További kísérletsorozatainkban is megvizsgáltuk az kiégetett minták összetételét EDX által (3. Melléklet). A 4.. ábrán a 99,7% Al O 3 - tartalmú kerámia felületét mutatjuk be. Az EDX vizsgálat eredménye alátámasztja, 8

85 hogy már 5 C-on nitrogén atmoszférában hkezelve az alumínium-oxid kerámiát, a szervesanyag-tartalommal bevitt karbon nem távozik a rendszerbl. A 4.. ábrán a kiégetett próbatest egyoldali sajtolást (sajtolónyomás: MPa) követen látható, ebben az esetben a zsengélés során a túlterhelt felületen, a sajtoláskor bevitt feszültségek miatt repedés keletkezett. Jól láthatók a felvételen a repedés belsejében lév gömbszer alumínium-oxid szemcsék és az azokat körülvev finomszemcsés fázis. 4.. ábra: 99,7% tisztaságú Al O 3 próbatest felülete A 4.. ábrán az -es pont jelzi azt a pontot, illetve térfogatot, ahol elvégeztük a kémiai összetétel elemzését. A 4.. ábra ennek a pontnak az összetételét ismerteti. Látható, hogy az Al és O mellett megjelenik a C, Na, Mg, Si, Cl, K, Ca és Fe. Számunkra a C megjelenése igen fontos. 4.. ábra: 99,7% tisztaságú Al O 3 EDX felvétele Az eddigiekben bemutattuk a nitrogén védgáz hatását a mikroszerkezetre, de nem ismertettük annak hatását a testsrségre, illetve látszólagos porozitásra. A 4.. ábra és 8

86 a 4.3. ábra ismerteti ezen tulajdonságok változását is. Átlagos összetétel alumíniumoxid elméleti testsrsége 3,4 3,94g/cm 3 közötti értéket éri el (ld.. táblázat). Els kísérletsorozatunk által alkalmazott feltételek mellett 95% Al O 3 -tartalom esetében elértük, illetve meghaladtuk az elméleti testsrség értékeit, 99,7% Al O 3 -tartalom esetén ezt túlléptük[75,95,96,97,98]. Mérve a kétoldali sajtolással készült próbatestek srségét, láthatjuk, hogy azok értéke jelents, extrém mértékben növekedett. 5 4,5 Testsrség, g/cm3 4 3,5 3,5 95% AlO3 N 99,7% AlO3 N 95% AlO3 99,7% AlO3 9,5 7,85 6,8 4,7 77,4 Sajtolónyomás, MPa 4.. ábra: Levegn és nitrogén védgázban zsengélt (elégetett) magas Al O 3 tartalmú kerámiák testsrsége a sajtolónyomás függvényében (Kétoldali sajtolás esetén a sajtolónyomás maximális hatásideje 3 s),35 Látszólagos porozitás, %,3,5,,5,,5 95% AlO3 N 99,7% AlO3 N 95% AlO3 99,7% AlO3 9,5 7,85 6,8 4,7 77,4 Sajtolónyomás, MPa 4.3. ábra: Levegn és nitrogén védgázban zsengélt (elégetett) magas Al O 3 tartalmú kerámiák nyílt porozitása a sajtolónyomás függvényében (Kétoldali sajtolás esetén a sajtolónyomás maximális hatásideje 3 s) 83

87 4.. A szinterelési hmérséklet és a sajtoló nyomás együttes hatása a sajtolt alumínium-oxid kerámiák tulajdonságaira Különböz tisztaságú alumínium-oxid kerámiák alakadási és szinterelési tulajdonságait vizsgáltuk a harmadik kísérletsorozatban. A vizsgálathoz 9, 95 és 99,7% Al O 3 - tartalmú sajtolóport alkalmaztunk (.5. táblázat). A 9% alumínium-oxid tartalmú mszaki kerámiák esetében a 4.4. ábra ismerteti a kapott összefüggéseket arra, hogyan befolyásolja a sajtolónyomás, a vizsgált hmérséklet és atmoszféra a testsrséget és hajlítószilárdságot. Alacsony sajtolónyomás mellett 64 C-on égetve a próbákat a 99,7%-os Al O 3 -nak a srségi értékeit érhetjük el. Ugyanakkor a sajtolónyomást tovább növelve fokozatosan csökken a darab testsrsége. 55 C fölött égetve és a sajtolónyomást növelve, a nitrogén védgázban zsengélt darab testsrsége nem változik, azaz 9% Al O 3 esetében a megfelel testsrség eléréshez elegend 55 C-on szinterelni a terméket. Ezt támasztja alá a hajlítószilárdsági vizsgálatok eredménye, miszerint a sajtolónyomás növelésével, nitrogén atmoszférában zsengélve és 55 C-on szinterelve a maximális hajlítószilárdsági értékeket éri el a termék. Az. táblázat szerint 9% Al O 3 tartalom esetén a hajlítószilárdság kb. 5MPa. Ezt az értéket, mind hagyományos módon szinterelt, mind nitrogén atmoszférában zsengélt és szinterelt minták esetében elértük (már 46 C-nál), illetve túlléptük. Testsrség, g/cm3 4, 3,9 3,8 3,7 3,6 3,5 66,64 99,96 33, N 55 - N N Hajlítószilárdság, MPa ,64 99,96 33, N 55 - N N Sajtolónyomás, MPa Sajtolónyomás, MPa 4.4. ábra: A sajtolónyomás hatása a normál és nitrogén védgázban égetett darabok srségére és hajlítószilárdságára A 95% tisztaságú alumínium-oxid esetében a 4.5. ábrán jól látható, hogy a darabok srsége már 55 C-on (nitrogén gázban zsengélt) eléri az optimális srségi értékeket, ami az 64 C-os égetés után sem változik. Megfigyelhetjük, hogy a hajlítószilárdsági értékek a sajtolónyomás növelésével is növelhetk, illetve MPa 84

88 sajtolónyomás mellett elegend 55 C-on szinterelni az optimális szilárdsági értékek eléréséhez. Testsrség, g/cm3 4, 3,9 3,8 3,7 3,6 3,5 66,64 99,96 33,8 Sajtolónyomás, MPa N 55 - N N Hajlítószilárdság, MPa ,64 99,96 33,8 Sajtolónyomás, MPa N 55 - N N 4.5. ábra: A sajtolónyomás hatása a normál és nitrogén védgázban égetett darabok srségére és hajlítószilárdságára A 4.6. ábra szerint a 99,7% tisztaságú alumínium-oxid srsége az alkalmazott hkezelési eljárásokkal sem biztosítja a 3,9 g/cm 3 srségi értéket. Hajlítószilárdsága azonban fokozható megfelel sajtolónyomás mellett. Testsrség, g/ cm3 4, 3,9 3,8 3,7 3,6 3,5 66,64 99,96 33,8 Sajtolónyomáss, MPa N 55 - N N Hajlítószilárdság, MPa ,64 99,96 33,8 Sajtolónyomás, MPa N 55 - N N 4.6. ábra: A sajtolónyomás hatása a normál és nitrogén védgázban égetett darabok srségére és hajlítószilárdságára Az alakadás (sajtolónyomás) hatását vizsgáltuk 64 C-on szinterelt darabok esetében, amikor a minták a már említett alapanyagokból készültek. A normál módon égetett darabok srsége a sajtolónyomás növelésével csökkent, ugyanakkor a nitrogén gázban zsengélt daraboké kismértékben növekedett (4.7. ábra). A porozitási értékek a nitrogén gázban történ zsengélést követen nagymértékben csökkentek (4.8. ábra). Hasonlóképpen alakultak a hajlítószilárdsági értékek (4.9. ábra) is a nitrogén védgázban zsengélt darabok esetén, azaz a sajtolónyomást növelve a szilárdsági értékek javulnak[]. 85

89 4 4 Testsrség, g/cm3 3,9 3,8 3,7 3,6 3,5 3,4 9% AlO3 95% AlO3 99,7% AlO3 Testsrség, g/cm3 3,9 3,8 3,7 3,6 3,5 9% AlO3 95% AlO3 99,7% AlO3 3,3 66,64 99,96 33,8 Sajtolónyomás, MPa 3,4 66,64 99,96 33,8 Sajtolónyomás, MPa 4.7. ábra: A sajtolónyomás hatása a normál és nitrogén védgázban égetett darabok testsrségére,5,5 Látszólagos porozitás, %,,5,,5 9% AlO3 95% AlO3 99,7% AlO3 Látszólagos porozitás, %,,5,,5 9% AlO3 95% AlO3 99,7% AlO3 66,64 99,96 33,8 66,64 99,96 33,8 Sajtolónyomás, MPa Sajtolónyomás, MPa 4.8. ábra: A sajtolónyomás hatása a normál és nitrogén védgázban égetett darabok látszólagos porozitására 4 4 Hajlítószilárdság, MPa % AlO3 95% AlO3 99,7% AlO3 Hajlítószilárdság, MPa % AlO3 95% AlO3 99,7% AlO3 66,64 99,96 33,8 66,64 99,96 33,8 Sajtolónyomás, MPa Sajtolónyomás, MPa 4.9. ábra: A sajtolónyomás hatása a normál és nitrogén védgázban égetett darabok hajlítószilárdságára A vizsgálatsorozatok alkalmával néhány, a sajtolás során kialakult hibát figyeltünk meg. Ilyenek például a nagy pórusok, a szemcsedurvulás végett abnormálisan nagy szemcsék, vagy a lágy és kemény agglomerátumok körüli nagy repedések. A 4.. ábra szemlélteti ezeket. 86

90 4.. ábra: sajtolási hibák a mikroszerkezetben Felülr l sajtolt alumínium oxid töretfelülete SEM-mel (95%-os alumínium-oxid, sajtolónyomás 4,7MPa, max. rátartási id : 3s) 4.3. Egy- és kétoldali sajtolással készült alumínium oxid próba töretfelülete (99,7%-os alumínium-oxid, sajtolónyomás 35,5MPa, max. rátartási id : s) Összegzés Az elvégzett vizsgálatok egyértelm en bizonyítják, hogy az AlO3 szinterelésekor a nitrogén véd gáz hasonlóan pozitív hatást fejt ki a kerámia termékek anyagszerkezetére és mechanikai tulajdonságaira, mint ahogyan ez megfigyelhet az acélötvözetek nitridálásakor, illetve karbonitridálása során. SEM felvételekkel bizonyítottuk, hogy a szinterelt test felületének közelében az anyagszerkezetben nagy mennyiségben jönnek létre és oszlanak el tizedmikronos nagyságú szemcsék, amelyek jelenlétének köszönhet en jelent sen n az anyagrendszer víz és gáztömörsége és mechanikai szilárdsága. Az elvégzett vizsgálatok alapján kijelenthet, hogy a megfelel gyártástechnológia alkalmazásával (sajtolónyomás, szinterelési atmoszféra, szinterelési h mérséklet) a hagyományos szennyezettség 9 99,7% AlO3-tartalmú alapanyagokból el állíthatók olyan kiváló tulajdonságú termékek, amilyeneket eddig csak a 4. és 5. generációjú nagytisztaságú AlO3-ból gyártottak. 87

91 Összefoglalás Az értekezés az alakítandó préspor reológiai jellemzi mellett a tömörít feszültség és szinterelési atmoszféra hatását vizsgálta a gyártott termék mikro- és makroszerkezetére, valamint fizikai, mechanikai tulajdonságaira. A célkitzésekben megfogalmazott hatások megértéséhez és befolyásolásához ismerni kell az alumínium-oxid kerámiák tulajdonságait, e tulajdonságok kialakítási lehetségeit; melynek eddig elért eredményeit igyekeztünk feltárni és összefoglalni az átfogó irodalomkutatás során. Az irodalomkutatással párhuzamosan, elméleti és gyakorlati összefüggéseket kerestünk a sajtolónyomás, a szinterelési atmoszféra és a késztermék srsége, illetve hajlítószilárdsága között. Kísérleteinket hagyományos módon, illetve ún. kísérlettervezés módszerével végeztük. A matematikai statisztikai alapokra épül kísérlettervezést esetünkben teljes faktoriális és másodfokú rotációs kísérlettervekkel valósítottuk meg, amelyek célzottan a sajtolási tulajdonságokra és a szinterelés hatásainak feltárására irányultak. A kísérlettervek végrehajtásával meghatároztuk az egyes faktorok (sajtolónyomás, maximális sajtolónyomás hatásideje, szinterelés hmérséklete, adalékanyag mennyisége, tölttömeg) és a vizsgált tulajdonságok közötti összefüggéseket. A klasszikus portechnológiával készült alumínium-oxid mszaki kerámiák tulajdonságait nagymértékben befolyásolják az alábbi paraméterek (faktorok): a porok összetétele (szemcseszerkezet, szemcseméret-eloszlás, oxidos összetétel), az alakadási technológia (egy-, kétoldali sajtolás és izostatikus préselés), ahol az alkalmazott sajtolónyomás (MPa), a maximális sajtolónyomás hatásideje (s), az adalékanyag mennyiségének aránya (%), az égetés módja, ahol meghatározó a hntartási id, égetés hmérséklete, a kemence atmoszférája. Kísérleteink többségét a Miskolci Egyetem Kerámia- és Szilikátmérnöki Tanszék Portechnológiai, illetve Szilikáttechnológiai laboratóriumaiban végeztük. Vizsgálatainkhoz a kereskedelemben is kapható magas alumínium-oxid tartalmú présporokat (.. táblázat), továbbá a Bakony Ipari Kerámia Kft. által gyártott 96% tisztaságú alumínium-oxid présport alkalmaztunk. A doktoranduszi tevékenység során alakadási technológiák jellemzésére egy-, kétoldali sajtolással, illetve izostatikus préseléssel készítettünk gyr-, tárcsa és hasáb alakú próbatesteket. A vizsgálati 88

92 mintákat 64 C-on szintereltük a Mikeron Kft Nabel HT8 típusú kemencéjében. Összehasonlítás céljából megvizsgáltuk az egyes présporból készült darabok égetési tulajdonságait alacsonyabb hmérsékleten (46 C, 55 C) égetve is. A vizsgált minták egyrészét nitrogén atmoszférában elégettük (zsengéltük) 5-4 C hmérsékleti tartományban, más-más hntartási id mellett. Majd az így zsengélt próbatesteket 64 C-on történ szinterelésnek is alávetettük. Kísérleteink során vizsgáltuk a 9%-nál nagyobb Al O 3 -tartalmú présporok tömörödési és reológiai tulajdonságait, melynek alapján sikerült feltárni az Al O 3 sajtolóporok reológiai tulajdonságainak változását a sajtolás folyamatában. A kombinált reo- és tribométerrel végzett vizsgálatok alapján meghatároztuk az eltér tisztaságú és szemcseméreteloszlású Al O 3 porok bels súrlódási együtthatójának tartományát a nyomás, valamint a csúszási és deformációs sebesség függvényében. Sikerült megalkotnunk a 9%-nál nagyobb tartalmú alumínium-oxid porok reológiai anyagmodelljét és annak anyagegyenletét. Megállapítottuk, hogy a kapott modell szerint a magas Al O 3 -tartalmú sajtolópor képlékeny-viszkorugalmas anyagként viselkedik, ahol az alakváltozások idben gyorsan végbemennek, ezért a porok alkalmasak a gyors, dinamikus sajtolásra. Vizsgáltuk és meghatároztuk a termék mikro- és makroszerkezetének, valamint mechanikai tulajdonságai szempontjából optimális vagy közel optimális - sajtolónyomás értékeket, így egyoldali sajtolás esetében 5MPa, kétoldali sajtolás esetében -3MPa, izostatikus sajtolás esetében 5MPa sajtolónyomás szükséges. Megállapítottuk, hogy az alakadáskor használt sajtolónyomással befolyásolhatók a kiégetett oxidkerámiák mechanikai tulajdonságai, a megfelel alakadási feltételek mellett a nemcsak megközelíthetk, de el is érhetk a 4-5. generációs nagytisztaságú alumínium-oxid termékekre jellemz szilárdsági értékek. Megvizsgáltuk és bizonyítottuk, hogy az alumínium-oxid zsengélésekor alkalmazott nitrogén védgáz és az azt követ szinterelés hatására a kerámia termékek anyagszerkezetében új fázist AlONC és grafit - sikerült már alacsony hmérsékleten kialakítani, és ennek hatására javítani az alumínium-oxid kerámiák mechanikai tulajdonságait. Megvizsgáltuk és feltártuk, hogy a megfelel gyártástechnológia kialakításával kétoldali sajtolással -3MPa sajtolónyomást alkalmazva, 36 C-on nitrogén védgázban elégetve, majd 55 C-on szinterelve - a hagyományos tisztaságú, szennyezettség 9-99,7% Al O 3 -tartalmú alapanyagokból elállíthatók olyan kiváló mechanikai tulajdonságú termékek, mint amilyeneket a 4-5. generációs nagytisztaságú Al O 3 -ból gyártanak. Az elvégzett kísérletek új, tudományos eredményeit 4 tézispontban foglaltuk össze. 89

93 Summary This doctoral thesis describes the compression pressure and the sintering atmosphere s influence to the produced good s micro-, and macrostructure as well as the physical and mechanical properties besides the rheological characteristics of forming powder. To understand the effect defined by the objects and to gain the required knowledge to control them, alumina s properties and the methods altering its characteristics should be well-known; which s currently achieved result we tried to explore and summarize during the overall literature research. Simultaneously we were in search of theoretical and practical relation among pressure, sintering atmosphere, bulk density and the bending strength of the fired product, as well. We carried out our experiments in the conventionaé way and the use of DoE (Design of Experiment). The DoE on the basis of mathematical statistics was realized with the use of full-factorial and quadratic rotation planning of experiments, which were intentionally intended to determine the effect of sintering and pressing characteristics. Executing DoEs we determined the individual factors (i.e. pressure, maximal effective time under pressure, sintering temperature, quantities of additives, and the filled mass), and the relations among the examined features, as well. Properties of technical alumina ceramics made by classical powder technology are influenced by the following parameters (factors) in a great extent: Powder compound (structure, grain-size distribution, oxide ratio), Forming technology (uniaxial and isostatical pressing), where the applied pressure (MPa), and the maximal effective time of pressure (s) and the ratio of additives (%), Firing method, in which the holding time for the holding temperature, the firing temperature and the oven atmosphere are significant. Most of our experiments have been carried out in the Powder and Silicate Technology laboratories at the University of Miskolc s Department of Ceramics and Silicates Engineering. For our experiments we used commercial alumina powders with high Al O 3 -contents (Table..), furthermore alumina powder with 96% purity degree produced by Bakony Ipari Kerámia Kft. (Bakony Technical Ceramics Ltd.). During the PhD activities we have manufactured ring, disc and cuboid samples with uniaxial and isostatic pressing to characterize forming technologies. We sintered the samples at 9

94 64ºC in the Nabel HT8 type oven of Mikeon Kft. For the purpose of a comparison we examined the individual pressing powders firing characteristics sintered at lower temperatures (46 C, 55 C). Some of the samples were pre-fired in nitrogen atmosphere (so called biscuit firing) at the 5 C-4 C temperature range with different holding time. Then these pre-fired samples were sintered at 64 C. During experiments we analyzed the compression and rheological properties of powders which have Al O 3 content over 9%, in which we succeeded to explore the alteration of rheological characteristics of Al O 3 pressing powders during the pressing process. By the use of Combined Rheo-, and Tribometer we determined the range of internal friction coefficient in the function of pressure, sliding-, and deforming velocity for the different purity levels and grain-sizes of alumina powders. We have succeeded to build-up the rheological material model and its equation for the alumina powders having purity level of 9% or above. We have also established that according to the gained model the powders with high alumina content are featuring as plastic-viscoelastic material, where deformations are quick in time and so these powders are appropriate for fast and dynamic forming. We have analyzed and determined the optimal or nearly optimal forming pressure values with respect of micro-, and macrostructure of the product as well as its mechanical characteristics. Thus 5MPa is required for one-sided and isostatic pressing while -3MPa needed for two-sided pressing. We have observed that mechanical properties of fired alumina can be affected by the applied forming pressure. The typical mechanical strength values of the 4 th and 5 th generation high-purity alumina products can be not only approached but reached with the adequate forming conditions. We have proved the formation of a new phase AlONC and graphite in the alumina structure as a consequence of applied nitrogen inner-gas during pre-firing and the sintering. With the presence of this phase alumina s mechanical properties can be improved. We have analyzed and proved that products with such perfect mechanical characteristics as 4 th and 5 th generation highpurity Al O 3 materials has can be produced from alumina with conventional purity level at around 9-99,7% by implementing the appropriate manufacturing process: two-sided pressing at -3MPa, pre-firing at 36 C with nitrogen inner-gas and then sintering at 55 C. We have summarized the new, scientific results of our experiment in 4 theses. 9

95 Tudományos eredmények, az értekezés tézisei. A kombinált reo- és tribométerrel elvégzett vizsgálatok alapján sikerült meghatároznunk a különböz összetétel alumínium-oxid atomizer porok küls súrlódási együtthatóját acélfelületen, valamint bels súrlódási együtthatóinak tartományát a nyomás, a csúszási illetve deformációs sebesség, valamint a szemcseméret-eloszlás függvényében. Ezzel párhuzamosan sikerült megalkotnunk a 9%-nál nagyobb tartalmú alumínium-oxid porok reológiai anyagmodelljét és annak reomechanikai anyagegyenletét. Az általunk kapott reológai anyagmodell, illetve anyagegyenlet alapján megállapítható, hogy a magas Al O 3 -tartalmú sajtolóporok képlékeny-viszkorugalmas anyagként viselkednek, ahol az alakváltozások idben gyorsan végbemennek, ezért ezek a porok alkalmasak a dinamikus, gyors sajtolásra.. Az elvégzett vizsgálatok eredményeként sikerült bebizonyítani, hogy az alumínium-oxidból készült kerámia termékek tulajdonságait jelents mértékben befolyásolja az alakadás során alkalmazott sajtolónyomás nagysága és hatásideje. Ugyanakkor a sajtolónyomással jelents mértékben befolyásolható a porsajtolással készült kiégetett (szinterelt) alumínium-oxid termékek mikro- és makroszerkezete is. A sajtolónyomás értékeinek megfelel megválasztásával a. generációs kerámiák gyártásához használt a viszonylag nem nagy tisztaságú (9-99,7% Al O 3 -tartalmú) sajtolóporokból is sikerült a 4. illetve az 5. generációs nagytisztaságú kerámia termékekre jellemz mechanikai szilárdságú, mikrokeménység és kopásállóságú oxidkerámia termékeket elállítani. Az általunk használt, megtalált sajtolási peremfeltételek mellett a. generációs alumínium-oxid nyersanyagokból lehetség nyílik az 5. generációs Al O 3 -ra jellemz nagy mechanikai szilárdságú, mikrokeménység és kopásállóságú kerámiákat elállítani. 3. Az elvégzett vizsgálatok egyértelmen bizonyítják, hogy az Al O 3 szinterelésekor a nitrogén védgáz hasonlóan pozitív hatást fejt ki a kerámia termékek anyagszerkezetére és mechanikai tulajdonságaira, mint ahogyan ez megfigyelhet az acélötvözetek nitridálásakor, illetve karbonitridálása során. SEM felvételekkel bizonyítottuk, hogy a szinterelt test felületének közelében 9

96 az anyagszerkezetben nagy mennyiségben jönnek létre és oszlanak el tizedmikronos nagyságú szemcsék, amelyek jelenlétének köszönheten jelentsen n az anyagrendszer víz és gáztömörsége és mechanikai szilárdsága. 4. Az elvégzett vizsgálatok alapján kijelenthet, hogy a megfelel gyártástechnológia alkalmazásával (sajtolónyomás, szinterelési atmoszféra, szinterelési hmérséklet) a hagyományos szennyezettség 9 99,7% Al O 3 -tartalmú alapanyagokból elállíthatók olyan kiváló tulajdonságú termékek, amilyeneket eddig csak a 4. és 5. generációjú nagytisztaságú Al O 3 - ból gyártottak. 93

97 Köszönetnyilvánítás Ezúton szeretném megköszönni mindazok támogatását, segítségét, akik doktori értekezésem elkészítésében, valamint tudományos tevékenységem egyengetésében tevékenyen részt vettek. Témavezetmnek, Dr. Gömze A. Lászlónak; valamint a Kerámia- és Szilikátmérnöki Tanszék valamennyi régi és új munkatársainak. Mikeron Kft vezetinek, Werner Tamásnak és Engyel Ferencnek, akik biztosították vizsgálatainkhoz a különböz tisztaságú sajtolóporokat, és lehetvé tették, hogy a vizsgálathoz szükséges próbatesteket elkészítsem. Kerox-Multipolár II Kft tudományos fmérnökének, Dr György Józsefnek, aki segítséget nyújtott vizsgálataimhoz és számos jó tanáccsal látott el. Bakony Ipari Kerámia Kft vezetségének és mérnökének, Stefán Attilának, hogy támogatták kutatásainkat, biztosították számunkra a különböz szemcseméreteloszlású, eltér adalékanyag-tartalmú sajtolóporokat, valamint lehetvé tették, hogy számos próbatestet készíthessek diplomatervez hallgatókkal. Kovács Árpádnak, a rengeteg SEM felvételért. Mádai Viktornak és Sólyom Jen tanár úrnak, hogy a röntgendiffrakciós vizsgálatokat számomra elvégezték. Dr Szépvölgyi Jánosnak, és munkatársainak, hogy lehetvé tették az XPS használatát. Dr Arató Péternek és Kövér Zsuzsának, hogy a hajlítóvizsgálatot elvégezhettem. Dr Dúl Jennének, a mikrokeménységmér berendezés használatáért. A mhelyvitára készített dolgozat és tézisfüzet bírálójának, Dr Németh Jánosnak, valamint a mhelyvita résztvevinek, akik értékes hozzászólásaikkal és tanácsaikkal segítettek a dolgozat végleges kialakításában. Miskolc, 7.április. Tamásné Csányi Judit 94

98 Irodalomjegyzék [] Lan Yu, Guo Lu-Cun, Yao Zhang, Uchida Nozomu, Uematsu Keiuo, Binner Jon: Influence of adsorption on the rheological behaviour of aqueous alumina slurry with polyelectrolyte, European Ceramic Society N 6, Brighton, ROYAUME-UNI (//999) 984, n 6, pp. 75-8; [] Deyu Kong, Hui Yang, Su Wei, Zheng Jianjun, Jiabang Wang: Hydrolysis-assisted solidification of alumina slurry dispersed in silica sol without de-airing process, Materials Science and Engineering: A, Vol. 46, Issues pp.36-4., [3] Kim J.C., Auh K. H., Schilling C.H.: Effects of polysaccharides on the rheology of alumina slurries non-dlvo forces and their effect on colloidal processing, Journal of the European Ceramic Society, Vol., Num 3. 3., pp , [4] Beyong-hwan Ryu, Suguru Suzuki: Viscosity of nonaqueous and aqueous slurry for tape casting, Journal of Rheology, Vol. 38 Issue 3 p. 756., [5] Mamata Prahan, Parag Bhargava: Influence of Sucrose Addition on Rheology of Alumina Slurries Dispersed with a Polyacrylate Dispersant, Journal of the American Ceramic Society, Vol. 88 Isue 4 5 p [6] Gömze, A. L., Eller, E.A., Szilenok, Sz.G.:Azbesztcement masszák extrudálhatóságának reológiai alapjai, Építanyag, XXXVI. Évf szám pp.7-, [7] Gömze, A. L., Eller, E.A.: Extrudálható azbesztcement masszák reológiai vizsgálata, Építanyag, XXXV. évf szám pp. 8-34, [8] Gömze, A. L.: Csigasajtóval elállított azbesztcement-termékek préselés utáni feszültség-állapotának matematikai elemzése, Építanyag, XXXV. évf szám pp [9] Anze Shui, Zenji Kato, Satoshi Tanaka, Nozomu Uchida, Keizo Uematshu: Development of anisotropic microstructure in uniaxially pressed alumina compacts, Journal of the European Ceramic Society () pp.7-3, [] Anze Shui, Nozomu Uchida, Keizo Uematshu: Origin of shrinkage anisotropy during sintering for uniaxially pressed alumina compacts, Powder Technology 7 () pp. 9-8, [] Csányi, J., Gömze, A. L.: A technológiai paraméterek hatása az Al O 3 oxidkerámiák makrostruktúrájára, valamint a kopásállóságára, Építanyag, 53. évf.. 3. szám [] Csányi, J., Gömze, A. L., Kövér, Zs. I.: Néhány nagytisztaságú Al O 3 mszaki kerámia hajlítószilárdsági vizsgálata, Építanyag, 56. évf szám pp.-7 [3] Anze Shui, Zenji Kato, Satoshi Tanaka, Nozomu Uchida, Keizo Uematsu: Sintering deformation caused by particle orientation in uniaxially and isostatically pressed alumina compacts, Journal of the European Ceramic Society () pp. 3-36, [4] I.Yu. Prokhorov: Arch Effect in High Isotatic Pressure Compacts, Journal of the European Ceramic Society 9 (999) pp , 95

99 [5] K.N. Ramakrishnan, R. Nagarajan, G. V. RamaRao, S. Venkadesan: A compaction study on ceramic powders, Materials Letters 33 (997) pp.9-94, [6] Péter Gyula: Kerámiaipari gépek., Átdolgozott és bvített kiadás, Budapest, Mszaki Könyvkiadó, 986. [7] Dr. Tamás Ferenc: Szilikátipari Kézikönyv, Budapest Mszaki Könyvkiadó, 98. [8] Dr Berecz Endre: Kémia mszakiaknak; Budapest Nemzeti Tankönyvkiadó, 99. [9] Somiya, Shiegeyuki: Materials Science Handbook of Advanced Ceramics Vol.., Amsterdam, Elsever 3 [] Walter H. Gitzen: Alumina as a ceramic material, The American Ceramic Society, Ohio 97. [] Dr. Bárczy Pál: Anyagszerkezettan, Miskolci Egyetem, 998 [] F. Filser & L.J. Gauckler: Keramische Werkstoffe, Kapitel 4: 4 Beispiele für strukturkeramische Werkstoffe, ETH-Zürich, Departement Materials, 6. [3] W.D. Kingery, H.K. Bowen, D.R. Uhlmann: Introduction to Ceramics, John Wiley & Sons, New York, 976. [4] [5] Dr Gömze A. László: Kerámia- és Kompozit technológia eladás kézirata, Miskolc / [6] Grofcsik János: A kerámia elmélet alapjai, Budapest Akadémia Kiadó, 956. [7] G.L. Messing, J.W. McCauley, K.S.Mazdiyasni, R.A. Haber: Advances in Ceramic, Vol. : Ceramic Powder Science, The American Ceramic Society, Inc [8] J.S. Reed: Introcudtion of principles of ceramic processing, John Wiley & Sons Inc [9] R. D. Carneim, G.. L. Messing: Response of granular powders to uniaxial loading and unloading, Powder Technology 5 () pp [3] A. Piccolroaz, d. Bigoni, A. Gajo: An elastoplastic framework for granular materials becoming cohesive through mechanical densification. Part I small strain formulation, European Journal of Mechanics A/Solids 5 (6) pp [3] G. Bruni, P. Lettieri, D. Newton, D. Barletta: An investigation of the effect of the interparticle forces ont he fluidization behaviour of fine powders linked with rheological studies, Chemical Engineering Science 6 (7) pp [3] Gömze, A. L.: Agyagásványok aprítására használt sima hengerek méretezésének néhány specifikus problémája, Építanyag, XXXII. évf.. szám 98. [33] Gömze, A. L.: Az aprítási elmélet néhány aktuális kérdése képlékeny viszkoelasztikus anyagok aprítása görgjáraton, Építanyag, LV. évf. 3. szám 3. 96

100 [34] Gömze, A. L., Kovács, Á.: Aszfaltkeverékek reológiai tulajdonságainak vizsgálata, Építanyag 57. évf.. szám 5. [35] Vígh Sándor: Mszaki mechanika II/B, MEDFK Kiadói Hivatala, Dunaújváros 996 [36] Mózes Gyula, Vámos Endre: Reológia és reometria; Budapest Mszaki Könyvkiadó, 968. [37] Palotás László: Általános Anyagismeret, Akadémiai Kiadó, Budapest 979 [38] Zsivánovits Gábor: Pektinfilm reológiai tulajdonságai, Doktori Értekezés, Budapesti Corvinus Egyetem, Budapest, 7. [39] R.L.K. Matsumoto: ASM International Handbook Comitee Vol. 4: Ceramics and Glassis, Chapter: Powder Compaction processes, Materials Park, Ohio, USA, 99 [4] R. L. K. Matsumoto: ASM International Handbook Comitee vol. 4. Ceramics and glasses, Chapter: Nontraditional densification process, Materials Park, Ohio, USA, 99 [4] A. P. Illjevits: Mashini i oborudovanie dlya zavodov no nroizvodstvu keramiki i ogneuporob, Moskow, 979 [4] Dr. Roósz András: Átalakulás elmélet I-II. eladás kézirata, Miskolc 999/. [43] Dr. Gácsi Zoltán: Fémtan, Budapest, Mszaki Könyvkiadó [44] Ver József: Fémtan, Budapest, Tankönyvkiadó 967. [45] R.L.K. Matsumoto: ASM International Handbook Comitee Vol. 4: Ceramics and Glassis, Chapter: Densification, Materials Park, Ohio, USA, 99 [46] T. Okasa, M. Toriyama, S. Kanzaki: Synthesis of aluminium nitride sintered bodies using the direct nitridation of Al compacts, Journal of European Ceramic Society, Vol.,. pp [47] Y.W. Kim, H.C. Park, Y.B. Lee, K.D. Oh, R. Stevens: Reaction sintering and microstructural development in the system Al O 3 -AlN, Journal of European Ceramic Society, Vol.,. pp [48] Cao, L.H., Khor, K.A., Fu, L., Boey, F.: Plasma spray processing of Al O 3 /AlN composite powders, Journal of European Ceramic Society, Vol. 89-9, 999. pp [49] A. M. Alper: Phase Diagrams in Advanced Ceramics. Academic Press, Inc., London, 995. pp [5] Hongyu, G., Yansheng, Y., Aiju, L., Yingcai, L., Yuhua, Z., Chunsheng, L.: Reaction sintering babrication of (AlN, TiN)-Al O 3 composite, Materials Research Bulletin, Vol. 37,. pp.63-6 [5] P. Tabary, C. Servant, J:A: Alary: Effects of a low amount of C ont he phase transformations int he AlN-Al O 3 pseudo-binary system, Journal of European Ceramic Society, Vol.,. pp

101 [5] Stanislaw Serkowski, Marcus Müller: Vacuum granulation of ceramic powders Device and ability; Journal of Materials processing Technology (5) [53] L. F. Cotica, A. Paesano Jr. S. C. Zanatta, S.N. de Medeiros, J.B.M da Cunha: Highenergy ball-milled (-Fe O 3 ) (-Al O 3 ) system: A study on milling time effects, Journal of Alloys and Compound (5) [54] Frank Stenger, Stefan Mende, Jörg Schwedes, Wolfgang Peukert: Nanomilling in stirred media mills, Chemical Engineering Science 6 (5) pp [55] Wolfgang Peukert: Material properties in fine grinding, Int. J. Miner. Process. 74S (4) S3-S7 [56] Carmen Vizcayno, Ricardo Castello, Irene Ranz, Benjamin Calvo: Some physicochemical alterations caused by mechanochemical treatments in kaolinites of different structural order, Thermochimica Acta 48 (5) pp [57] É. Makó, Zs. Senkár, J. Kristóf, V. Vágvölgyi: Surface modification of mechanochemically activated kaolinites by selective leaching, Journal of Colloid and Interface Science 94 (6) pp [58] Juhász, A. Z., Opoczky, L.: Mechanokémia és agglomeráció, Építanyag 55. évf szám [59] Frank Stenger, Stefan Mende, Jörg Schwedes, Wolfgang Peukert: Nanomilling in stirred media mills, Chemical Engineering Science 6 (5) pp [6] Károly, Z., Szépvölgyi, J., Farkas, Zs.: Kerámiaszemcsék gömbösítése termikus plazmában, Építanyag 55. évf. 3.. szám [6] Jae-Pyoung Ahn, Jong-Ku Park, Hae-Weon Lee: Effect of compact structures on the phase transition, subsequent densification and microstructure ecolution during sintering of ultrafine alumina powder, NanoStructured Materials, Vol., No.. pp. 33-4, 999 [6] G.R. Karagedov, N.Z.Lyakhov: Preparation and sintering of nanosized -Al O 3 powder, NanoStructured Materials, Vol., No 5 pp , 999 [63] Zeming He, Jan Ma: Grain-growth rate constant of hot-pressed alumina ceramics, Materials Letters 44 () pp.4-8 [64] J. Echberria, J. Tarazona, J. Y. He, T. Butler, F. Castro: Sinter-HIP of -alumina powders with sub-micron grain sizes, Journal of the European Ceramic Society () pp.8-89 [65] K. Morsi, H. Keshavan, S. Bal: Hot pressing of graded ultrafine-grained alumina bioceramics, Materials Science and Engineering A pp [66] Ju. P. Adler, E.V. Markova, Ju. V. Granovszkij: Kísérletek tervezése optimális feltételek meghatározására, Mszaki Könyvkiadó, Budapest, 977. [67] Dr. Fridrik László: Válogatott fejezetek a gépgyártás-technológiai kísérletek tervezése témakörébl, Tankönyvkiadó, Budapest,

102 [68] Kemény Sándor, Deák András: Kísérletek tervezése és értékelése, Mszaki Könyvkiadó, Budapest. [69] Reimann József: Valószínségelmélet és matematikai statisztika mérnököknek, Tankönyvkiadó, Budapest 99. [7] Gömze, A.L., Kocserha, I., Czél, Gy.: Kombinált reo- és viszkoziméter-vizsgáló berendezés szabadalom, Lajstromszám:434, U79 ügyszám [7] Gácsi Zoltán: Sztereológia és képelemzés, Well-Press Kiadó Kft. Miskolc. [7] Dr. Tóth Tamás: Mechanikai anyagjellemzk és vizsgálatuk módszerei, Dunaújváros, ME DFK 997. p.85 [73] Rabinowicz, Ernst: Friction and wear of materials,. ed. New York, John Wiley & Sons Inc [74] Csányi, J., Gömze, A. L., Kós, I.: A technológiai paraméterek hatása az Al O 3 kerámiák mechanikai tulajdonságára, MicroCAD. pp. 7- [75] Csányi, J., Gömze, A. L.: Égetési feltételek hatása az Al O 3 kerámiák tulajdonságaira, XX. Finomkerámiai Nap konferencia kiadványa,. pp [76] Martinov V.D.-Turenko A.V.: Raschotglinopererabativayustsego oborudovaniya, Moscow, 979. [77] Hanick, K., Pöszmet, I., Gömze, A. L.: Pressing Properties and Characteristics of Different Ceramic Powders; Competitive Materials, Technologiest and producta, International Scientific Conference; pp () [78] Kató, P., Gömze, A. L., Kocserha, I.: A szerszámgeometria és az alakadási technológia paramétereinek hatása Al O 3 kerámiai termékek tulajdonságaira, Kerámia- és szilikátipari kutatások pp (3) [79] Gömze, A. L.: Development of Ceramic Materials with extreme mechanical properties, Prague, EuroMAT 5 [8] Gömze, A. L.: Investigation Ceramic Materials Extremal Mechanical Properties, microcad 5, Miskolc [8 ] Gömze, A. L.: Vybor osnovnih parametrov shnekovih pressov dlya formovaniya ctroitel nih izdelij iz asbestotzementnih mass, Avtoreferat, Moscow, 985. UDK [8] Csányi, J., Gömze, A. L.:: Alumínium-oxid tartalmú kerámiaporok sajtolása és szinterelése, Kerámia és Szilikátipari Kutatások Mérnökképzés a Miskolci Egyetemen eladás, Miskolc 4. [83] Csányi, J., Gömze, A. L.: A technológiai paraméterek hatása az Al O 3 kerámiák mikrostruktúrájára és hajlítószilárdságára, Anyag- és Kohómérnöki Kar Szekciókiadványa, Doktoranduszok Fóruma,. pp. -7. [84] Csányi, J., Gömze, A. L.: A technológiai paraméterek hatása az Al O 3 kerámiák mikrostruktúrájára és hajlítószilárdságára, Anyagok Világa, Volume 4 - N 3. 99

103 [85] Csányi, J., Gömze, A. L.: Egyes Al O 3 mszaki kerámiák mechanikai tulajdonságai, MicroCAD 4. International Conference, University of Miskolc p.33 [86] Csányi, J., Gömze, A. L.: Detect of Fracture Mechanics Properties of Alumina by Micro-Hardness Testing, 4 th International Conference of PhD Students, Miskolc 3. pp [87] Marosné Berkes Mária: Comparison of crack length measurement by optical and scanning electron microscopy during Vickers indentation fracture toughness measurement of ceramics, CMTP, Miskolc. pp.55-6 [88] C.B. Ponton, R.D. Rawlings: Vickers Indentation fracture toughness test Part., Materials Science and Technology, 989. Vol 5. pp [89] C.B. Ponton, R.D. Rawlings: Vickers Indentation fracture toughness test Part., Materials Science and Technology, 989. Vol 5. pp [9] T. Ono, m. Kaji: Fracture Toughness of Structural Cearamics Under Biaxial Stress State by Anticlastic Bending Test, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 997. Vol. 9. pp. 7-4 [9] G. Liu, J.K. Shang: Metallurgical and Materials Transactions A. 996 Vol. 7A. pp.3-9 [9] Zorkóczy B.: Metallográfia és anyagvizsgálat, Tankönyvkiadó, Budapest 968. [93] Ver J., Káldor M.: Fémtan, Tankönyvkiadó, Budapest, 977. [94] Dr. Tóth Tamás: Fémtan II-III. Nemzeti Tankönyvkiadó, 993. [95] Csányi, J., Gömze, A. L.: Hkezelési technológiák hatásmechanizmusa az alumínium-oxid kerámiák mikroszerkezetére, Anyag- és Kohómérnöki Kar Szekciókiadványa, Doktoranduszok Fóruma,. [96] Csányi, J., Gömze, A. L.: Nitrogén atmoszféra hatása szinterelés során az Al O 3 oxidkerámiák mikro- és makroszerkezetére, MicroCAD 3. International Conference, University of Miskolc pp. 5- [97] Csányi, J., Gömze, A. L.: Extrém srség alumínium-oxid mszaki kerámiák elállítása nitrogén atmoszférában történ égetéssel, Kerámia és szilikátipari kutatások-mérnökképzés a Miskolci Egyetemen konferencia kiadványa 3. pp.6-66 [98] Csányi, J., Gömze, A. L.: Magas Al O 3 tartalmú sajtolt termékek N védgázban történ zsugorításának néhány tapasztalata, Anyag- és Kohómérnöki Tudományok, Miskolc, 3. kötet. (3) pp.5-34

104 . sz. MELLÉKLET.. Reológiai kísérletek során alkalmazott alapanyagok jellemzi.. Reológiai vizsgálatok eredményei eltér tisztaságú alumínium-oxid sajtolóporok esetén.3. Sajtolóporok termoanalitikai vizsgálata.4. Reológiai vizsgálatok eredményei eltér szemcseméret-eloszlású sajtolóporok esetén.5. Sajtolás jellemz szakaszai sajtolópor deformációja alapján

105 .. Melléklet: Reológiai kísérletek során alkalmazott alapanyagok jellemzi Bakony Ipari Kerámia Kft által felhasznált timföld jellemzi... táblázat: MAL RT által gyártott ALO-GB típusú timföld jellemzi JELLEMZK MÉRTÉKEGYSÉG ALO-GB Al O 3 % Min. 99,5 Na O összes % Max.,3 Fe O 3 % Max.,3 SiO % max.,3 CaO % max.,3 α-al O 3 % 95 Izzítási veszteség % Max., Fajlagos terület BET m/g,, Primér kristályméret µm,,9 D 5 µm Bakony Ipari Kerámia Kft által gyártott sajtolópor szemcseméret-eloszlása különböz srségek esetén Gyakoriság, % Szemcseátmér, um... ábra: Az L jel,8 kg/l srség sajtolópor szemcseméret-eloszlása

106 Gyakoriság, % Szemcseátmér, um... ábra: Az L jel,3 kg/l srség sajtolópor szemcseméret-eloszlása Gyakoriság, % Szemcseátmér, um..3. ábra: Az L + jel,58 kg/l srség sajtolópor szemcseméret-eloszlása Sajtolópor összetétele EDX analízissel Elemek Wt% At% C 8,76 9,5 O 9,7 34,35 Al 48,6 33,67 Si,54,7 Ca,58,74 Szumma..4. ábra: Az L jel sajtolópor spektruma (EDX) 3

107 Elemek Wt% At% C 4,7 36,9 O 9,48 33,6 Al 4,7 7,74 Si,35,5 Ca,74,78 Szumma..5. ábra: Az L jel sajtolópor spektruma (EDX) Elemek Wt% At% C,3 3,6 O 7,7 3,3 Al 48,77 34, Si,98,33 Ca,96,9 Szumma..6. ábra: Az L + jel sajtolópor spektruma (EDX) 4

108 .. Melléklet: Reológiai vizsgálatok eredményei eltér tisztaságú alumíniumoxid sajtolóporok esetén Er, N 5 Er, N ,8,6,4 3, 4 4,8 5,6 6,4 7, 8 8,8 9,6,4,,44,88,3,76,,64 3,8 3,5 3,96 4,4 4,84 5,8 5,7 6,6 6,6 Id,s a) p =,8MPa esetén b) p =,MPa esetén Er, N 5 Er, N 5 5 5,88,76,64 3,5 4,4 5,8 6,6 7,4 7,9 8,8 9,68,6,4,3 3, 4, 5,88,76,64 3,5 4,4 5,8 6,6 7,4 7,9 8,8 9,68,6,4,3 3, 4, 5 c) p =,6MPa esetén d) p =,MPa esetén Er, N 5 Er, N 5 5 5,8,6,4 3, 4 4,8 5,6 6,4 7, 8 8,8 9,6,4,,8,4,8 4, 5,6 7 8,4 9,8,,6 4 5,4 6,8 8, 9,6,4 3,8 Id,s e) p =,4MPa esetén d) p =,8MPa... ábra: 9% tisztaságú Al O 3 nyíróer-id diagramja 5

109 Er, N 5 Er, N 5 5,7,44,6,88 3,6 4,3 5,4 5,76 6,48 7, 7,9 8,64 9,36,8,8,5 a) p =,8MPa esetén b) p =,MPa esetén 5,76,5,8 3,4 3,8 4,56 5,3 6,8 6,84 7,6 8,36 9, 9,88,6, Er, N 5 Er, N 5 5 5,64,8,9,56 3, 3,84 4,48 5, 5,76 6,4 7,4 7,68 8,3 8,96 9,6,,9,48,96,44,9,4,88 3,36 3,84 4,3 4,8 5,8 5,76 6,4 6,7 7, 7,68 c) p =,6MPa esetén d) p =,MPa esetén Er, N 5 Er, N 5 5 5,9,84,76 3,68 4,6 5,5 6,44 7,36 8,8 9,,,9 3,8 4,7 5,6,6,,8,4 3 3,6 4, 4,8 5,4 6 6,6 7, 7,8 8,4 9 9,6, e) p =,4MPa esetén d) p =,8MPa... ábra: 95% tisztaságú Al O 3 nyíróer-id diagramja 6

110 Er, N 5 Er, N 5 5,68,36,4,7 3,4 4,8 4,76 5,44 6, 6,8 7,48 8,6 8,84 9,5,,88 a) p =,8MPa esetén b) p =,MPa esetén 5,76,5,8 3,4 3,8 4,56 5,3 6,8 6,84 7,6 8,36 9, 9,88,6,4, Er, N 5 Er, N 5,6,,8,4 3 3,6 4, 4,8 5, ,6 7, 7,8 8,4 9 9,6 5,6,,8,4 3 3,6 4, 4,8 5,4 6 6,6 7, 7,8 8,4 9 9,6 c) p =,6MPa esetén d) p =,MPa esetén Er, N 5 Er, N 5 5 5,64,8,9,56 3, 3,84 4,48 5, 5,76 6,4 7,4 7,68 8,3 8,96 9,6,,9,88,76,64 3,5 4,4 5,8 6,6 7,4 7,9 8,8 9,68,6,4,3 3, 4, 5 e) p =,4MPa esetén d) p =,8MPa..3. ábra: 96% tisztaságú Al O 3 nyíróer-id diagramja 7

111 Er, N Er, N ,8,6,4 3, 4 4,8 5,6 6,4 7, 8 8,8 9,6,4,,76,5,8 3,4 3,8 4,56 5,3 6,8 6,84 7,6 8,36 9, 9,88,6,4 a) p =,8MPa esetén b) p =,MPa esetén Er, N 5 Er, N 5 5 5,64,8,9,56 3, 3,84 4,48 5, 5,76 6,4 7,4 7,68 8,3 8,96 9,6,,9,6,,8,4 3 3,6 4, 4,8 5,4 6 6,6 7, 7,8 8,4 9 9,6 c) p =,6MPa esetén d) p =,MPa esetén Er, N 5 Er, N 5 5 5,9,84,76 3,68 4,6 5,5 6,44 7,36 8,8 9,,,9 3,8 4,7 5,6,6,,8,4 3 3,6 4, 4,8 5,4 6 6,6 7, 7,8 8,4 9 9,6, e) p =,4MPa esetén d) p =,8MPa..4. ábra: 99,7% tisztaságú Al O 3 nyíróer-id diagramja 8

112 .3. Melléklet: Sajtolóporok termoanalitikai vizsgálata.3..ábra: L- sajtolópor termoanalitikai vizsgálata.3..ábra: L- sajtolópor termoanalitikai vizsgálata 9

113 .3.3.ábra: L+ sajtolópor termoanalitikai vizsgálata

114 .4. Melléklet: Reológiai vizsgálatok eredményei eltér szemcseméret-eloszlású sajtolóporok esetén L- jel por esete - Elmozdulási sebesség egyenletesen növelt p =,8MPa sajtolónyomás esetén Er, N Elmozdulás, mm 8 6 4,88,76,64 3,5 4,4 5,8 6,6 7,4 7,9 8,8 9,68,6,4,3 3, 4, 5 5,8,8,6,4 3, 4 4,8 5,6 6,4 7, 8 8,8 9,6,4,,8 3,6 p =,MPa sajtolónyomás esetén Er, N ,4,8 3, 4,6 5, 6,4 7,8 8,3 9,36,4,4,5 3,5 4,6 5,6 6,6 7, Elmozdulás, mm p =,6MPa sajtolónyomás esetén Er, N Elmozdulás, mm ,4,48 3,7 4,96 6, 7,44 8,68 9,9,,4 3,6 4,9 6, 7,4 8,6 9,8,,3,4,48 3,7 4,96 6, 7,44 8,68 9,9,,4 3,6 4,9 6, 7,4 8,6 9,8,,3 p =,MPa sajtolónyomás esetén Er, N 5 4 3,6,3 3,48 4,64 5,8 6,96 8, 9,8,4,6,8 3,9 5, 6, 7,4 8,6 9,7,9 Elmozdulás, mm 8 6 4,,4 3,6 4,8 6 7, 8,4 9,6,8 3, 4,4 5,6 6,8 8 9,,4,6

115 p =,4MPa sajtolónyomás esetén 7 6 Er, N ,44,88 4,3 5,76 7, 8,64,,5 3 4,4 5,8 7,3 8,7,,6 3 4,5 5,9,44,88 4,3 5,76 7, 8,64,,5 3 4,4 Elmozdulás, mm 5,8 7,3 8,7,,6 3 4,5 5,9 p =,8MPa sajtolónyomás esetén Er, N Elmozdulás, mm 8 6 4,36 4,7 7,8 9,44,8 4, 6,5 8,9, 3,6 6 8,3 3, ,4 37,8 4, 4,5,36 4,7 7,8 9,44,8 4, 6,5 8,9, 3,6 6 8,3 3, ,4 37,8 4, 4,5 L- jel por esete - Elmozdulási sebesség egyenletesen növelt p =,8MPa sajtolónyomás esetén Er, N Elmozdulás, mm 8 6 4,44 4,88 7,3 9,76, 4,6 7, 9,5 4,4 6,8 9,3 3,7 34, 36,6 39 4,5,45 4,89 7,34 9,79, 4,7 7, 9,6 4,5 6,9 9,4 3,8 34,3 36,7 39, 4,6 p =,MPa sajtolónyomás esetén Er, N ,,4 5,6,8 6 3, 36,4 4,6 46,8 5 57, 6,4 67,6 7, , 88,4 93,6 98,8 4 5,,4 5,6,8 6 3, 36,4 4,6 46,8 5 57, Elmozdulás, mm 6,4 67,6 7, , 88,4 93,6 98,8 4

116 p =,6MPa sajtolónyomás esetén Er, N Elmozdulás, mm ,9 6,37 9,56,7 5,9 9,,3 5,5 8,7 3,9 35, 38, 4,4 44,6 47,8 5 54, 57,4 3, 6,4 9,6,8 6 9,,4 5,7 8,9 3, 35,3 38,5 4,7 44,9 48, 5,3 54,5 p =,MPa sajtolónyomás esetén Er, N Elmozdulás, mm 8 6 4,74 5,48 8, 3,7 6,4 9,,9 4,7 7,4 3, 3,9 35,6 38,4 4, 43,8 46,6 49,3,75 5,5 8,6 3,8 6,5 9,3 4,8 7,5 3, ,8 38,5 4,3 44, 46,8 p =,4MPa sajtolónyomás esetén Er, N Elmozdulás, mm ,66 7,3 4,6 8,3 5,6 9,3 3,9 36,6 4,3 43,9 47,6 5, 54,9 58,6 6, 65,9 3,68 7,36 4,7 8,4, 5,8 9,4 33, 36,8 4,5 44, 47,8 5,5 55, 58,9 6,6 p =,8MPa sajtolónyomás esetén Er, N Elmozdulás, mm ,9 9,84 4,8 9,7 4,6 9,5 34,4 39,4 44,3 49, 54, ,9 73,8 78,7 83,6 4,93 9,87 4,8 9,7 4,7 9,6 34,5 39,5 44,4 49,3 54,3 59, 64, 69, 74 78,9 83,9 3

117 L+ jel por esete - Elmozdulási sebesség egyenletesen növelt p =,8MPa sajtolónyomás esetén Er, N Elmozdulás, mm 8 6 4,96,9,88 3,84 4,8 5,76 6,7 7,68 8,64 9,6,6,5,5 3,4 4,4 5,4 6,3 7,3,96,9,88 3,84 4,8 5,76 6,7 7,68 8,64 9,6,6,5,5 3,4 4,4 5,4 6,3 7,3 p =,MPa sajtolónyomás esetén Er, N Elmozdulás, mm 8 6 4,6,3 3,48 4,64 5,8 6,96 8, 9,8,4,6,8 3,9 5, 6, 7,4 8,6 9,7,6,3 3,48 4,64 5,8 6,96 8, 9,8,4,6,8 3,9 5, 6, 7,4 8,6 9,7 p =,6MPa sajtolónyomás esetén Er, N Elmozdulás, mm 8 6 4,48,96 4,44 5,9 7,4 8,88,4,8 3,3 4,8 6,3 7,8 9,,7, 3,7 5,,48,96 4,44 5,9 7,4 8,88,4,8 3,3 4,8 6,3 7,8 9,,7, 3,7 5, p =,MPa sajtolónyomás esetén 7 6 Er, N Elmozdulás, mm ,6,3 3,48 4,64 5,8 6,96 8, 9,8,4,6,8 3,9 5, 6, 7,4 8,6 9,7,9,,4 3,6 4,8 6 7, 8,4 9,6,8 3, 4,4 5,6 6,8 8 9,,4 p =,4MPa sajtolónyomás esetén Er, N Elmozdulás, mm 8 6 4,6 3, 4,8 6,4 8 9,6,,8 4,4 6 7,6 9,,8,4 4 5,6 7,,6 3, 4,8 6,4 8 9,6,,8 4,4 6 7,6 9,,8,4 4 5,6 7, 4

118 p =,8MPa sajtolónyomás esetén Er, N Elmozdulás, mm ,3 6,64 9,96 3,3 6,6 9,9 3, 6,6 9,9 33, 36,5 39,8 43, 46,5 49,8 53, 56,4 59,8 3,3 6,64 9,96 3,3 6,6 9,9 3, 6,6 9,9 33, 36,5 39,8 43, 46,5 49,8 53, 56,4 59,8 L- jel por esete - Elmozdulási sebesség állandó p =,8MPa sajtolónyomás esetén Elmozdulás, mm 8 6 4,7,44,6,88 3,6 4,3 5,4 5,76 6,48 7, 7,9 p =,MPa sajtolónyomás esetén 8,64 9,36,8,8,5 Er, N ,7,44,6,88 3,6 4,3 5,4 5,76 6,48 7, 7,9 8,64 9,36,8,8, Er, N Elmozdulás, mm ,76,5,8 3,4 3,8 4,56 5,3 6,8 6,84 7,6 8,36 9, 9,88,6,4,76,5,8 3,4 3,8 4,56 5,3 6,8 6,84 7,6 8,36 9, 9,88,6,4 p =,6MPa sajtolónyomás esetén Er, N Elmozdulás, mm 8 6 4,64,8,9,56 3, 3,84 4,48 5, 5,76 6,4 7,4 7,68 8,3 8,96 9,6,,9,64,8,9,56 3, 3,84 4,48 5, 5,76 6,4 7,4 7,68 8,3 8,96 9,6,,9 p =,MPa sajtolónyomás esetén Er, N Elmozdulás, mm ,48,96,44,9,4,88 3,36 3,84 4,3 4,8 5,8 5,76 6,4 6,7 7, 7,68,48,96,44,9,4,88 3,36 3,84 4,3 4,8 5,8 5,76 6,4 6,7 7, 7,68 5

119 p =,4MPa sajtolónyomás esetén ,9,84,76 3,68 4,6 5,5 6,44 7,36 8,8 9,,,9 3,8 4,7 Er, N 5,6 Elmozdulás, mm 8 6 4,9,84,76 3,68 4,6 5,5 6,44 7,36 8,8 9,,,9 3,8 4,7 5,6 p =,8MPa sajtolónyomás esetén ,6,,8,4 3 3,6 4, 4,8 5,4 6 6,6 7, 7,8 8,4 9 Er, N Elmozdulás, mm ,6,,6,,8,4 3 3,6 4, 4,8 5,4 6 6,6 7, 7,8 8,4 9 9,6, L- jel por esete - Elmozdulási sebesség állandó p =,8MPa sajtolónyomás esetén 5 Er, N Elmozdulás, mm 8 6 4,8,6,4 3, 4 4,8 5,6 6,4 7, 8 8,8 9,6,4,,8,6,4 3, 4 4,8 5,6 6,4 7, 8 8,8 9,6,4, p =,MPa sajtolónyomás esetén Er, N Elmozdulás, mm ,44,88,3,76,,64 3,8 3,5 3,96 4,4 4,84 5,8 5,7 6,6 6,6 Id,s,44,88,3,76,,64 3,8 3,5 3,96 4,4 4,84 5,8 5,7 6,6 6,6 p =,6MPa sajtolónyomás esetén Er, N Elmozdulás, mm 8 6 4,64,8,9,56 3, 3,84 4,48 5, 5,76 6,4 7,4 7,68 8,3 8,96 9,6,,9,64,8,9,56 3, 3,84 4,48 5, 5,76 6,4 7,4 7,68 8,3 8,96 9,6,,9 6

120 p =,MPa sajtolónyomás esetén Er, N Elmozdulás, mm ,48,96,44,9,4,88 3,36 3,84 4,3 4,8 5,8 5,76 6,4 6,7 7, 7,68,48,96,44,9,4,88 3,36 3,84 4,3 4,8 5,8 5,76 6,4 6,7 7, 7,68 p =,4MPa sajtolónyomás esetén Er, N 8 6 4,9,84,76 3,68 4,6 5,5 6,44 7,36 8,8 9,,,9 3,8 4,7 5,6,9,84,76 3,68 4,6 5,5 6,44 7,36 8,8 9,,,9 3,8 4,7 5,6 Elmozdulás, mm p =,8MPa sajtolónyomás esetén ,6,,8,4 3 3,6 4, 4,8 5,4 6 6,6 7, 7,8 8,4 9 Er, N Elmozdulás, mm ,6,,6,,8,4 3 3,6 4, 4,8 5,4 6 6,6 7, 7,8 8,4 9 9,6, L+ jel por esete - Elmozdulási sebesség állandó p =,8MPa sajtolónyomás esetén Er, N ,68,36,4,7 3,4 4,8 4,76 5,44 6, 6,8 7,48 p =,MPa sajtolónyomás esetén 8,6 8,84 9,5,,88 Elmozdulás, mm 8 6 4,64,8,9,56 3, 3,84 4,48 5, 5,76 6,4 7,4 7,68 8,3 8,96 9,6,, Er, N Elmozdulás, mm 8 6 4,76,5,8 3,4 3,8 4,56 5,3 6,8 6,84 7,6 8,36 9, 9,88,6,4,,76,5,8 3,4 3,8 4,56 5,3 6,8 6,84 7,6 8,36 9, 9,88,6,4, 7

121 p =,6MPa sajtolónyomás esetén Er, N ,6,,8,4 3 3,6 4, 4,8 5, ,6 7, 7,8 8,4 9 9,6 Elmozdulás, mm 8 6 4,6,,8,4 3 3,6 4, 4,8 5,4 6 6,6 7, 7,8 8,4 9 9,6 p =,MPa sajtolónyomás esetén Er, N Elmozdulás, mm ,6,,8,4 3 3,6 4, 4,8 5,4 6 6,6 7, 7,8 8,4 9 9,6,6,,8,4 3 3,6 4, 4,8 5,4 6 6,6 7, 7,8 8,4 9 9,6 p =,4MPa sajtolónyomás esetén Er, N Elmozdulás, mm 8 6 4,64,8,9,56 3, 3,84 4,48 5, 5,76 6,4 7,4 7,68 8,3 8,96 9,6,,9,64,8,9,56 3, 3,84 4,48 5, 5,76 6,4 7,4 7,68 8,3 8,96 9,6,,9 p =,8MPa sajtolónyomás esetén Er, N Elmozdulás, mm 8 6 4,88,76,64 3,5 4,4 5,8 6,6 7,4 7,9 8,8 9,68,6,4,3 3, 4, 5,88,76,64 3,5 4,4 5,8 6,6 7,4 7,9 8,8 9,68,6,4,3 3, 4, 5 8

122 L- jel por esete reológiai jelleggörbe p =,8MPa sajtolónyomás, és F kötél = N,7 4,6 Deformáció,5,4,3, Er, N 8 6 4, 8,3 6, 4, 33, 4, 49, 58, 66, 74, 83 9, 99, Id,s p =,8MPa sajtolónyomás, és F kötél = N,7 4,6 Deformáció,5,4,3, Er, N 8 6 4, 8,3 6, 4, 33, 4, 49, 58, 66, 74, 83 9, 99, p =,8MPa sajtolónyomás, és F kötél = 3N,7 4,6 Deformáció,5,4,3, Er, N 8 6 4, 8,7 7,4 6, 34,8 43,5 5, 6,9 69,6 78, , ,3 6,6 4,9 33, 4,5 49,8 58, 66,4 74,7 83 9,3 99, p =,8MPa sajtolónyomás, és F kötél = 35N,7 4,6 Deformáció,5,4,3, 8 6 4, 6,6 3, 9,8 6, ,6 46, 5,8 59,4 66 7,6 79, 85,8 9,4 99 6,3,6 8,9 5, 3,5 37,8 44, 5,4 56,7 Er, N 63 69,3 75,6 8,9 88, 94,5 9

123 .5. Melléklet: Sajtolás jellemz szakaszai sajtolópor deformációja alapján.5.. ábra: Sajtolópor betöltéskor.5.. ábra: Sajtolópor vizsgálat után A sajtolás els szakasza során kialakult, deformálódott granulátumok a) N = 5x b) N = 5x c) N = x d) N = x.5.3. ábra: Sajtoló granulátum

124 Sajtolt, nyers minta SEM felvételei a) N = 5x b) N = x c) N = 5x d) N = 5x e) N = 5x f) N = 5x.5.4. ábra: Deformálódott Al O 3 szemcsék

125 . sz. MELLÉKLET.. Regressziós egyenletek a sajtolási tulajdonságok leírására.. Vickers-lenyomatos törési szívósság általános és módosított (tapasztalati) egyenletek

126 .. Melléklet: Regressziós egyenletek a sajtolási tulajdonságok leírására Égetési zsugorodást leíró függvény 99,7% alumínium-oxid-tartalom S é = 7,67 +,3x + x + x.,, Testsrséget leíró függvény 99,7% alumínium-oxid-tartalom ρ = 3,9 +,x. Testsrséget leíró függvény 95% alumínium-oxid-tartalom ρ = 3,78 +,7x + x + x.3,4, 3 Látszólagos porozitást leíró függvény 99,7% alumínium-oxid-tartalom P l =,5 +,35x x + x + x.4,, 7 Látszólagos porozitást leíró függvény 95% alumínium-oxid-tartalom P l =,39,7x.5 Hajlítószilárdságot leíró függvény 99,7% alumínium-oxid-tartalom σ = ,7x + 965, 7x Hajlítószilárdságot leíró függvény 95% alumínium-oxid-tartalom σ = 44, ,93x.7 3

127 Továbbiakban ismertetjük a negyedik kísérletsorozatra kapott regressziós egyenleteket: Az 64 C-on égetett minták vizsgált tulajdonságaira kapott regressziós egyenletek: Testsrség A szitálatlan porból készült mintadaraboknál: +,65x +,9x, 5 ρ = 3,675 +,x x x.8 A szitált porból készült mintadaraboknál: ρ = 3,756,333x + x x.9 +,545x, 38 Égetési zsugorodást leíró függvény Az Excel programmal számítva a szitálatlan porból készült mintadaraboknál: A Minitab program segítségéve kiszámított regressziós egyenlet: A szitálatlan porból készült mintadaraboknál: S é S é = 5,,38x. + 8,35x 4,9x, = 5,48 +,9x x x. Égetési veszteséget leíró függvény A szitálatlan porból készült mintadaraboknál: G é =,34 +,3x x x. A szitált porból készült mintadaraboknál: + 5,x,48x, 7 G é =, ,5x + x x.3 +,8479x,484 x, 83 Látszólagos porozitást leíró függvény A szitálatlan porból készült mintadaraboknál: P l =,7,x + x x.4 A szitált porból készült mintadaraboknál:,9x,8x, 5 P l =,36,9779x + x x.5 +,76637 x, 39 Hajlítószilárdságot leíró függvény A szitálatlan porból készült mintadaraboknál: σ = 6,35 3,56x x x.6 A szitált porból készült mintadaraboknál: + 47,3x +,559x 33,5x, 6773 σ = 6,34 3,56x x x ,3x +,5598x 33,5x,

128 Az 55 C-on égetett minták vizsgált tulajdonságaira kapott regressziós egyenletek: Testsrség A szitálatlan porból készült mintadaraboknál: ρ = 3,67 +,x x x.8 A szitált porból készült mintadaraboknál: +,545x,79x, 8 ρ = 3,6979 +,5x + x x.9,94x +,964x, 6 Zsugorodást leíró függvény A szitálatlan porból készült mintadaraboknál: S é = 9,5,x + x x. A szitált porból készült mintadaraboknál: 6,5x + 8,9 x, 63 S é = 8,44,556x + x x. 4,355x,84x, 69 Égetési veszteséget leíró függvény A szitálatlan porból készült mintadaraboknál: G é =,848,8x x x. A szitált porból készült mintadaraboknál: G é +,7 x,58x, 3 =,767 +,69x x x.3 + 6,8959x +,5558x, 7 Porozitást leíró függvény A szitálatlan porból készült mintadaraboknál: P l =,37 +,4x x x.4 A szitált porból készült mintadaraboknál: P l +,786x,8x, =,866 +,4x x x.5 +,695x,885x, 4 Hajlítószilárdságot leíró függvény A szitálatlan porból készült mintadaraboknál: σ = 543,89 7,98 x + x x.6 A szitált porból készült mintadaraboknál: 98,56x +,49x + 9,6x, 8 σ = 6,7 + 5,99x x.7 44,6x,4 x + 69,94x, 66x 5

129 Az 46 C-on égetett minták vizsgált tulajdonságaira kapott regressziós egyenletek: Testsrséget leíró függvény A szitálatlan porból készült mintadaraboknál: ρ = 3,55,5x + x x.8 A szitált porból készült mintadaraboknál:,499x +,55 x, 4 ρ = 3,477,37x + x x.9,878 x + 4,75x, 75 Zsugorodást leíró függvény A szitálatlan porból készült mintadaraboknál: S é = 4,97,47 x + x x.3 A szitált porból készült mintadaraboknál: 5,65x + 8,3x, 39 S é = 8,37,6x + x x.3 3,8x + 55,83x, 53 Égetési veszteséget leíró függvény A szitálatlan porból készült mintadaraboknál: G é =,64 +,6x + x x.3 A szitált porból készült mintadaraboknál: G é,794x, 6 =,568 +,353x x x.33 +,393 x +,464x, 379 Látszólagos porozitást leíró függvény A szitálatlan porból készült mintadaraboknál: P l = 3,,7 x x.34 A szitált porból készült mintadaraboknál: P l + 4,3x + 33,75x, 96x = 6, +,479x x x ,5 x 95,35x, 4 Hajlítószilárdságot leíró függvény A szitálatlan porból készült mintadaraboknál: σ = 9,979 6,53x x x.36 A szitált porból készült mintadaraboknál: 8,58 x +,6x + 434,36x 3, 57 σ = 97,6 + 9,6x x x ,7x,38x,89 x 8, 54 6

130 N védgázban elégetett és 64 C-on szinterelt minták vizsgált tulajdonságaira kapott regressziós egyenletek: Testsrséget leíró függvény A szitálatlan porból készült mintadaraboknál: ρ =,43 +,48x x x.38 A szitált porból készült mintadaraboknál: +,858x,64x, 6 ρ = 3,695,37 x +, 57x.39 Zsugorodást leíró függvény A szitálatlan porból készült mintadaraboknál: S é = 7,869,84x x x.4 A szitált porból készült mintadaraboknál: +,873x,95x, 33 S é = 9,669,99x + x x.4 77,753x +,566x, 345 Égetési veszteséget leíró függvény A szitálatlan porból készült mintadaraboknál: G é A szitált porból készült mintadaraboknál: =,798 +,6x x.4 + 4,54 x, 6563 G é =,843,58x + x x.43 Porozitást leíró függvény A szitálatlan porból készült mintadaraboknál: +,8 x, 5 P l =,3,3x + x x.44 A szitált porból készült mintadaraboknál:,637x +,956x, 5 P l =,3 +,5 x +,94 x +,559x, 33x x l.45 Hajlítószilárdságot leíró függvény A szitálatlan porból készült mintadaraboknál: σ = 77,8 +,3x x x.46 A szitált porból készült mintadaraboknál: + 8,34x,5x + 38,87 x, 345 σ = 3,67 +,75 x x x ,95 x 68,48x 4, 95 7

131 .. Melléklet: Vickers-lenyomatos törési szívósság általános és módosított (tapasztalati) egyenletek Módosított egyenletek Lawn és Swain egyenlet Niihara, Morena és Hasselmann egyenlet K c = 5 / [( ν ) / π ]( HP / D ) / K c / / 5 =,7( H va )( E / H v ) ( c / a ) 3 / Evans és Weilshaw egyenlet K c =,79( P / a 3 / ahol,6 c / a < 4,5 Evans és Charles egyenlet K c =,84P / c 3 / Lawn és Fuller egyenlet K c =,55P / D )log(4,5a / c) 3 / Lawn, Evans, és Marsall egyenlet Evans és Davis egyenlet K c =,4636( P / a Blendell egyenlet K c =,33( H a v / 3 / )( E / H )( E / H v ) v ) / 5 Anstis, Chantikul, Lawn és Marshall egyenlet K c =,6( E / H Lankford egyenlet v )( P / c 3 / ) / 5 log(8,4a / c) log(8,4a / c) K c =,39( E / H v )( P / c 3 / ) K c / / 5 =,78( H va )( E / H v ) ( c / a ),56 Miranzo és Moya egyenlet K c =,5[ f ( E / H )] H ahol c / a,8 v a / c,5 Laugier egyenlet K c =,( E / H v ) / 5 ( P / c 3 / ) K c =,9[ f ( E / H )] H a ahol c / a,8 v,58 / c,8 Tanaka egyenlet K c =,35( E / H v ) / 4 ( P / c 3 / ) ahol : K c kritikus feszültségintenzitási tényez P alkalmazott nyomás D repedésmélyság H kontakt ν Poisson tényez a átlófélhossz c repedéshossz 8

132 3 / K c = kp / c K = k( P / a K c c = k( P / a Általános egyenletek K c = k( P / a 3 / ) log( Ja / c) 3 / ) F K c 3 / / = kp /( ac / ) k( P / a )( a / c) / k( P / c) 3 / )( a / c) m kp /( a 5 m c m ) k( P,5+,5 / m / c) m Ahol Ahol Ahol J F m tapasztalati tényezt f [log( c / a)] olyan tapasztalati tényezt melynek értéke és között van. 9

133 3. sz. MELLÉKLET 3.. Vizsgált sajtolóporok összetétele és adalékanyag-tartalma 3.. Termoanalitikai vizsgálatok eredményei különböz tisztaságú alumínium-oxid sajtolóporok esetén 3.3. Eltér tisztaságú sajtolóporok EDX felvétele 3.4. Vizsgált minták röntgendiffrakciós eredményei 3.5. Kísérletsorozatoknál alkalmazott szinterelési technológia hatása az anyagszerkezetre SEM, EDX vizsgálatok 3

134 3.. Melléklet: Vizsgált sajtolóporok összetétele és adalékanyag-tartalma 3

135 3

136 3.. Melléklet: Termoanalitikai vizsgálatok eredményei különböz tisztaságú alumínium-oxid sajtolóporok esetén 3... ábra: 94% Al O 3 - tartalmú sajtolóporok DTG/DTA felvétele 3... ábra: 95% Al O 3 - tartalmú sajtolóporok DTG/DTA felvétele 33