Kerámiák MEHANIKAI TEHNOLÓGIA ÉS ANYAGSZERKEZETTANI TANSZÉK Kerámiák és kompozitok (gyakorlati elokész szíto) dr. Németh Árpád arpinem@eik.bme.hu A k e r ám i a a g örö g ( k iég e t e t t ) s zóból e r e d. E g y k o r k i zá ról a g a z a g y a g b ól, ( A I 2 O 3. 2 S i O 2.2H 2 O )-k a o l i n b ól ( p o r c e l án f öl d ) kialak ít o t t, m a j d k iégetett cseré p p o r c e l án tár g y a k a t é r t e t ték k e r á mia alatt. Az égetett a n y a g m e g j e l e nés e a z i. e. 1 2-1 1 é v e z r e d r e tekint vissza A z e m b e r á l t a l k é s z í t e t t n a g y t e l j e s í t m é n y u k e r á m i á k s z e r v e t l e n, n e m f é m e s e n v i s e l k e d o a n y a g o k ( n i n c s v i l l a m o s e l l e n á l l á s é s r i d e g e k ) A t o m i k ö t é s ü k e r o s : i o n o s v a g y k o v a l e n s Fémek technológiája 2003. Egyatomosak Grafit, A k e r á m i á k o s z t á l y o z á s a Gyémánt, Szilicium, g e r m á n i u m e g y k r i s t á l y o k ( f é l v e z e t o k ) Vegyületkerámiák : Oxidok Al 2 O 3, ZrO 2, ThO 2 Karbidok S i, Ti,. Nitridek T i N, Si 3 N 4, A l N, Karbonitridek Hidrátok: cement, beton Boridok : BN stb A muszaki kerámiák jellemzoi kis suruség az esetek többségében nagy olvadáspont nagy rugalmassági határ nagy keménység nagy kopásállóság nagy nyomószilárdság nagyfokú kémiai stabilitás nagy melegszilárdság, nagy korrózióállóság nagy villamos ellenállás 107-1016 Ω m, jól polarizálhatók, nagy dielektromos állandó (ε =50-80) és ugyanakkor ridegség, törékenység mikrorepedések jelenléte kis hosokkállóság nehéz gyárthatóság, viszonylag magas ár
Alkalmazások Tulajdonságok N a g y t e l j e s í t m é n y u k e r á m i á k Vágó-, csiszoló-, kenoanyagok, motorok, turbinák, gépelemek, csapágyak Szilárdság, merevség, kopásállóság, súrlódás Elektródák, hocserélok, kemencék Hovezetés, hoszigetelés, kis hotágulás Hordozók, érzékelok, beavatkozók, mágnesek Villamos vezetés és szigetelés, félvezetés, mágnesesség, szupravezetés Funkciók Mechanikai Termikus Villamos+ mágneses Alkalmazások Tulajdonságok Vegyi berendezések, katalizátorhordozók, fog és csontpótlások Biokompatibilitás, korrózió, abszorpció, katalizis Kábelek, fénycsövek, fénydiódák Fénytörés, fényvezetés, fluoreszencia Futoelemek, moderátorrúdak, páncélzat Sugárzás, ho és korrózióállóság Funkciók Vegyi+biológiai Optikai Atomtechnikai Kerámia alkatrészek eloállítása Általában porkohászati úton (ritkán öntve-s i O 2 ü v e g e k a d a l é k o k k a l ) Iszapöntéssel Ö n t o i s z a p o s e l j á r á s N y o m á s a l a t t i p r é s ö n t é s F r ö c c s ö n t é s entrifugál öntés Porsajtolással +Zsugorítás ( s z i n t e r e l é s - kiégetés) Néhány kerámia t e r mék kiégetési (szinterelési) homérséklete cser ép, tégla 700-900 o klinker tégla 1150-1250 o csempe, ipari k oanyag 900-1300 o porcelán >1300 o W -o 1350-1450 o AI 2 O 3, korund 1400-1900 o Si 3 N 4 1700-1850 o Kerámia szálak és tukristályok Anyag r g/cm3 E GPa Rm MPa Kevlar 1,45 125 2700 Karbonszál 1,95 390 2200-2700 Bór szál 2,3 5500 3800-10000 Üvegszál 2,5 98 4500 Kvarcüveg szál 2,5 105 10000 58AI 2O3 15Si02 szál 9µ 3,2 250 2600 AI 2O3 20µm 3,95 380 1450 Acél ( 0,8%) huzal 7,8 210 4000 W-szál 19,3 360 5500 Si szál Nicalon 3,2 410 3800 Si w tukristály 2,3 180 7000 Karbon tukristály 2,2 690 15000-20000 Few tukristály 7,8 210 12000 AI 2O3 tukristály 3,9-4 430-580 10000-21000 Si 3N4 tukristály 3,2 380 10000-14000 Siw tukristály 3,2 700 20000
Kerámia termékek sapágyak Bevonatok Forgácsolószerszámok Fogprotézisek Kompozitok K é t v a g y t ö b b a n y a g e l o n y ö s t u l a j d o n s á g a i n a k t á r s í t á s á r a l é t r e h o z o t t a n y a g o k ( e g y i k legosibb a v á l y o g : a g y a g -s z a l m a t ö r m e l é k ---- m á t r i x é s e r o s í t o a n y a g- - - - hoszigetelo, erosíto és könnyítoanyag u g y a n c s a k k o m p o z i t a b e t o n é s a v a s b e t o n m a c s ú c s o n a - s z é n-s z é n k o m p o z i t p l. f é k ) Üvegszálak Szénszálak Al 2 O 3 szálak Mátrix: k ö r ü l f o g j a e z e r o s í t o a n y a g o t, e l o s z t j a a t e r h e l é s t Erosítoanyag: f o k é n t e z v i s e l i a t e r h e t Átmeneti réteg vagy interfész: k a p c s o l a t a z e r o s í t o é s a z a l a p a n y a g k ö z ö t t él szilá rdság nö velés ( a l a c s o n y, n o r m ál és m a g a s hom érsék l e t e n ) tör és i b i z t o n s á g (tö rés i s z í vóssá g) n ö v e l ése rugalmass ág i m o d u l u s n ö velé se (merevs ég j a ví tás a ) hotág u l ás i e g yü ttható c sök k e n tés e ( m e g h a t ár o z o t t ért ékre t ör téno be ál l ítás a ) súl y c sök k e n tés m ág n e s e s és e l e k t r o m o s t u l a j d o n s ág o k j a ví tása k o p ásál l óság (heterogé n a n y a gú c s a p á g yöt vö zetek) stb. s z u p r a v e z e to s z e r k e z e t e k e loál l ítás a hos z i g e t e l o k épess ég nö v e l ése e n e r g i a e l n y e l o k é p e s s é g f o k o z á s a ( m e c h a n i k a i, rezgés, hang acél kompozit A l Anyagjellemzok ----- acél alumínium -- kompozit olumn 4 súly hõtágulás merevség szilárdság szívósság
M á t r i x é s e r o s í t o a n y a g o k F é m e k, k e r á m i á k, p o l i m e r e k é s a k a r b o n e g y a r á n t l e h e t n e k m á t r i x é s e r o s í t o a n y a g o k : Fém -fém, fém -k e r á m i a, k e r á m i a -k e r á m i a ( p o l i m e r stb A k o m p o z i t s z e r k e z e t e : S z á l e r o s í t é s u : f o l y t o n o s ( h o s s z ú ) rövidszálú (kritikus hossz) Részecske erosítés R é t e g e s, s z e n d v i c s s z e r k e z e t e k F é m ( s z á l a s ) - fém k o m p o z i t o k Erõsítõszál Mátrix Elõállítási mód Felhasználási terület Korrózióálló acél Al Porkohászat, laminálás, felszórás Repülõgépgyártás Be szalag Al, Ti Al vagy Ti szövetû Be szálak elhelyezve szövött Al vagy Ti elõalakban; az elõalak mechanikus alakítása Nagy fordulatszámú tengelyekhez; helikopter rotorok tengelye és repülõgép kormánymû Ta Mg Infiltrálás Repülõgépgyártás Mo Ti vagy Ti ötvözet Porkohászat, szál kötegelés extrudálással, hengerléssel stb. Be vagy Ti szövet Be Be Ni 3 Al Ti vagy titán ötvözet Ti Ti-6Al-4V Ti-6Al-6V 2Sn Ti-5Al-2 5Sn Ni, (2-10%) Al A rétegek közti Ti és Be szálak robbantásos hegesztés Meleg kisajtolása Ti és Be elõalak keverékének; késõbbi feldolgozása, mint a szálaké Porkohászat; a szálfázis a képl. alakítás kész alakja Szuperszónikus repülõgép- és rakétahajtómûvek Repülõgépgyártás Repülõgépgyártás Oxidációnak ellenálló, nagy szilárdság nagy és kis hõmérsékleten. Ni-r-Al-Y Ni ötvözet Porkohászat Turbinák és kompresszorok tömítései W/1% ThO 2 Szuperötvözet Preciziós öntés Sugárhajtómûvek Korrózióálló acél Ni ötvözet Elektrodinamikus alakítás Rakéta hajtómûvek Mo, Ti, Nb Ni szuperötvözet Porkohászat W u Olvadék infiltráció Elektronikai érintkezõk Nb rost Ni, u, Ag Nb rostok beágyazása u, Ni vagy Ag mátrixba olvadt Sn fürdõben áthúzva Nb 3 Sn felületi réteg kialakulásával Szupravezetõk K e r á m i a ( s z á l ) - fém kompozitok l. Erõsítõszál Mátrix Elõállítási mód Felhasználási terület Si Al Porkohászat, diffúziós kötés a Turbina lapátok bevonatú B kompozit szövet és a Ti lemez között Ni/o, Ni vagy o bevonatú szálak; (grafit, alumínium - oxid Összekeverve Ni- o- Al porral; amorf melegsajtolás karbon) Al vagy Al ötv.- Infiltrálás (Ti-, Zr-, Hfborid Mg, Pb, Sn, u, Zn ) Al ötvözet stabil Infiltrálás karbidot tart. Alakítható ötv: Ti és Zr Si Al- u ötvözet A szálkötegek bevonása u- val; W a u bevonatú szálak áthúzása magszállal Al olvadékban Mg vagy Mg Folyadék infiltrálással. Az Turbina forgórész lapátok, ötvözetek ömledék kis mennyiségû páncéllemezek magnézium nitridet tartalmaz, ez nedvesíti a szálat Si Be vagy ötvözetei A szálak vákuum impregnálása Ûrhajózás és nukleáris (a, W, Mo, Fe, olvadt Be- mal vagy a Be technika. o, Ni, r, Si, u, plazmaszórásával Mg, Zr ötvözõvel) B+rozsdamentes acél; a nagy szívósság és a rideg Al, Ti Impregnálás, szórás stb.; Ûrhajózás Borsic+Mo szálak kombinációja szálak Si Ti vagy Ti- 3Al- Az erõsítõ és mátrixanyagú Kompresszor lapátok, 2.5V ötvözet lemezek összesajtolása melegen. repülõeszközök borítása A Si szálak Zr diffuzió- záró réteggel bevontak Nb-, Ta-, és Ni- o és Fe- r Irányított dermesztés Ûrhajózás W karbidok ötvözetek Si 0,01- r- alapú ötvözetek Porkohászat; a szabad karbon a Nagyszilárdságú, hõálló 20% szabad r- mal reakcióba lépve karbidot anyag. Rakétaorrok, karbonnal alkot, ez tovább erõsít turbinalapátok és szárnyak Si 0,01- o vagy o- alapú Porkohászat vagy az olvadék Nagyszilárdságú, hõálló 30% szabad ötvözetek impregnálása; a karbidszálak és anyag. Rakétaorrok, karbonnal a o mátrix között turbinalapátok és szárnyak K e r á m i a ( s z á l ) - fém kompozitok ll. Erosítoszál Mátrix Eloállítási mód Felhasználási terület Si 0,01-20% szabad karbonnal karbid Mo-alapú ötvözetek Porkohászat Nagyszilárdságú, hoálló anyag. Rakétaorrok, turbinalapátok és szárnyak Ni vagy Ni Olvadék impregnálás Repüléstechnika ötvözetek B u-ti-sn ötvözet Folyékony fázisú szinterelés Forgácsoló szerszámok Bronz Különbözo eljárások sapágyanyagok u ötvözet Porkohászat; a szálak összekeverése u iszappal és 2% Ti vagy r alapú karbid porral Nagyszilárdságú elektromos vezeto anyag. Ti-borid Ni SiO 2 +Si Al, u, Sn, Pb, Ag, Zn, és Mg A Ni-nél alacsonyabb olvadáspontú fémek Al, Mg, Ti és Ni A mátrix Ti és B ötvözoket tartalmaz megakadályozza a TiB bevonatok tönkremenetelét Folyadék impregnálással. Folyadék impregnálással, porkohászat Repüléstechnika Ti-, Ta-, és W Al, Al-Si ötv. Folyadék impregnálással. Kopásálló anyagok monokarbidok Ag vagy Ag-ötv. u vagy u-ötv. β-si Ag vagy Ag-ötv. Elektromos vezetok, érintkezok Si Porkohászat Abraziv anyagok Si w Al Mg, Pb, Zn, u, Al Folyadék impregnálással TiB
K e r á m i a ( s z á l ) - fém kompozitok lll. Erõsítõszál Mátrix Elõállítási mód Felhasználási terület Al 2 O 3, Si, Al oxynitrid Al-u ötvözet Az olvadt mátrix és a szálak összekeverése. A szálak a szemcsehatárrészeken átmennek Al 2 O 3 Al-Li ötvözet Átitatás 1-8% Li tartalmú ötvözettel az Al 2 O 3, szál és a Li Al 2 O 3 -SiO 2 YAl 2 O 3 Ni bevonatú üvegkerámia szálak Al 2 O 3 folyamatos és polikristályos, B, üveg, kerámia és fémszálak Fémbevonatú üvegszálak Al, A l-zn ötvözet között reakció létrejöhet Olvadék impregnálás, porkohászat stb. Repüléstechnika Al Porkohászat súszóelemek Mg vagy Mgötvözet Mg ötvözetek Be, Fe, Ti, Al és Sn Olvadékos impregnálás Porkohászat; a kompozit két különbözõ Mg ötv. fázist tartalmaz A fémbevonatú szálvagdalékokat összekeverik a üvegrostokkal és fémporral; melegen sajtolják Turbinalapátok, tengelyek Széleskörû felhasználás Tartós gépalkatrészek, surlódóelemek Üvegszálak Pb Impregnálás, Akkumulátor lemezek, csapágyanyagok, hangszigetelõk R és z e c s k e e r os ítés u k o m p o z i t o k T u l a j d o n s á g o k b e c s l é s e ( k e v e r é s i s z a b á l y ) Tulajdonság kompozit = T u l a j d o n s á g matrix *V % m a t r i x + V % matrix + V % erosíto = 1 0 0 % + T u l a j d o n s á g erosíto *V % erosíto Kompozitok e l o á l l í t á s á n a k j e l l e m z o i Szálerosítésu k o m p o z i t o k Eljárás Költség Erosítés diffúziós kötés monoszálak porkohászat tukristályok (wkiskerek) szórásos módszerek szálas szövet folyékony állapotú feldolgozás részecskeerosítés (szemcsés) A l 2 O 3 szál (8-11µ m) A l S i matrixban A l 2 O 3 szál (8-11µ m) A l S i mátrixban és A l 2 O 3 üreges kerámia golyók (ø 150 µm, 5 µm fal) A l S i mátrixú szendvics lemez
F é m h a b o k U l t r a k ö n n y u a n y a g o k Különbözo porozitású anyagok alacsony fajlagos suruség nagy alakváltozási energia elnyelo k é p e s s é g rezgési energia csillapítása tuzállóság jó akusztikus csillapítás nagy fajlagos felület A n y i t o t t c e l l á s a n y a g a i n k s u r u s é g e Vízen úszik Perlit részecskekönnyítéssel 1, 4-2 mm szitamérettel válogatott perlit szemcsés kompozit anyag Surusége: 1,36 g/cm 3
Ü r e g e s k e r á m i a r é s z e c s k é s Surusége: 1,28 g/cm 3 A kerámiagömbök összetétele: SiO 2 : 54,5%; A l 2 O 3 : 36,1%; Fe 2 O 3 : 5,3%; T i O 2 : 1,3%; szerves anyag: 0,2%. A részecskék átlagos mérete:150µm, falvastagság 5µm s (MPa) 4 3 2 1 Zömíto vizsgálat eredményei: zárt cellás kompozit P e r l i t k ö n n y í t é s u k o m p o z i t z ö m í t o v i z s g á l a t 0 0 10 20 30 40 50 e (%) s (MPa) 8 6 4 2 0 K e r á m i a e r o s í t á s e s k o m p o z i t z ö m í t o v i z s g á l a t 0 2 4 6 e (%) Perlit részecskés kompozit z ö m í t o d i a g r a m j a Üreges kerámia részecskés kompozit zömítodiagramja Ü r e g e s k e r á m i a i r é s z e c s k é k t ö r é s e