Keraamien ominaisuudet ja valmistus

Prof. Erkki LevänenKeraamimateriaalit

Materiaaliopin laboratorioTeknisten tieteiden tdk

Välkky-työpaja 20171.6.2017

2

SISÄLTÖ:

KonstruktiokeraamitOksidikeraamitEi-oksidikeraamit

Yleistä keraamien ominaisuuksistalujuus, sitkeys

Keraamien ja keraamikomposiittien valmistuksen periaatteet

Työstö

Liittäminen

Konstruktiokeraamit ovat erikoiskeraamien alaryhmä.

Englanninkielisessä terminologiassa konstruktiokeraameista käytetäännimityksiä "engineering ceramics" ja "structural ceramics".

Konstruktiokeraamien tyypillisiä hyödynnettäviä materiaaliominaisuuksiaovat:

- korkea sulamispiste,- hyvä terminen ja kemiallinen stabiilisuus,- kovuus ja siitä aiheutuva hyvä kulumiskestävyys,- suuri jäykkyys ja puristuslujuus- alhainen tiheys

Keraamien käyttöä rajoittavia tekijöitä ovat:- hauraus,- lujuusominaisuuksien suuri hajonta- korkea hinta- vaikea työstö- valmistusmenetelmiin liittyvät muoto- ja kokorajoitukset

4

5

Esimerkkejä konstruktiokeraameista; huomaa niiden käyttö yhdessämetallien kanssa

6

Konstruktiokeraamit: Oksidit

7

Konstruktiokeraamit: Muut kuin oksidit

Piikeraamit

8

Konstruktiokeraamit: Eri materiaalit eri kuormitus – lämpötila-alueisiin

9

Esimerkkejä tärkeimpien keraamien kimmomoduulin lämpötilariippuvuudesta

-lämpölaajeneminen/lämpövärähtely kasvattaa sidosetäisyyyttä, mikä pienentää hiemankimmomoduulia

Konstruktiokeraamien tärkeimpiäkäyttöominaisuuksia: Kimmomoduuli

Luennot Kevät 2010Tapio Mäntylä

10

Hauras-sitkeä - muodonmuutoskäyttäytyminen

Konstruktiokeraamien tärkeimpiäkäyttöominaisuuksia

11

Teoreettinen lujuus (1)

Teoreettinen lujuus, sth = vetojännitys, joka tarvitaan rikkomaan materiaalinatomisidokset ja vetämään atomit erilleen

missä sth = teoreettinen lujuusE = kimmomoduulig = murtopintaenergiaaO = atomien välinen etäisyys

ØKeraamien teoreettinen lujuus on tyypillisesti (1/10 – 1/5) • E

2/1

÷÷ø

öççè

æ=

Oth a

E gs

12

Teoreettinen lujuus (2)

¶ Käytännön materiaaleilla ei teoreettista lujuutta kuitenkaan ole saa-vutettu, koska materiaalit sisältävät erilaisia jännistyskeskittymiä ai-heuttavia rakennevirheitä

13

Keraamin lujuus tasaisen yksiaksiaalisen jännityksen alaisena

c = murtumaan johtava kriittinen vikakoko, Y = dimensioton kuormitus-geometriasta tuleva vakio, KIc = materiaalin murtositkeys

Lujuuden parantaminen:--> virhekoon pienentäminen--> murtositkeyden parantaminen

Luennot Kevät 2010Tapio Mäntylä

14

15

Teknisten keraamien valmistuksen tärkeimmät vaiheet:

1. Jauheiden valmistus: partikkeliominaisuudet, koko, kokojakaumamuoto ja puhtaus

2. Jauheiden käsittely: jauhatus, seostus, granulointi ja luokittelu

3. Kappaleen muotoilu eli jauheen kompaktointi

4. Sintraus

5. Jälkityöstö, liittäminen ja jälkikäsittelyt

6. Laadunvarmistus

Keraamien jauhepohjaiset valmistusmenetelmät

Jauheiden valmistus

Hyvältä jauheelta eli ns. ideaaliselta jauheeltaedellytetään seuraavia ominaisuuksia:

1. Pieni partikkelikoko, esim < 1 mm2. Kapea partikkelikokojakauma3. Moniaksiaalinen raemuoto, mieluummin

pyöreä4. Vähäinen taipumus agglomeroitumiseen eli useampien partikkeleiden

muodostamien ryhmien muodostamiseen5. Tarkasti säädelty rakenteellinen (esim. kidemuoto) ja kemiallinen

puhtaus

Jauhe ja sen ominaisuudet heijastuvat lopputuotteen ominaisuuksiin eikäniissä esiintyviä virheitä tai negatiivisia ominaisuuksia pystytä prosessoinninmyöhemmässä vaiheessa eliminoimaan.

Jauheiden valmistus

Perinteisen keramiikan raaka-aineet ovatpääsääntöisesti erilaisia luonnon mineraaleja,kuten pallosavi, maasälpä, jne.

Tekniset keraamit valmistetaan erikseenvalmistetuista puhtaista yhdisteistä kuten,Al2O3, ZrO2, Si3N4, SiC, AlN jne.

Jauhatus:- kuulamyllyt-suihkujauhatus

Attriittorit helmimyllyt

Suihkujauhatus

Jauheiden ominaisuuksia

Ominaispinta-ala:

Kuutiosentti materiaalia, jonka tiheysr = 1 g/cm3,à pinta-ala on 6 cm2

Jos kuutio jaetaan pienempiin kuutioihin,joiden särmä on 1 mm, niin näidenpartikkelien kokonaispinta-ala on60 000 cm2 (10000x) eli samalla tiheydelläominaispinta-ala on 6 m2/g

Partikkelikoon ja ominaispinta-alanvälinen suhde

Ominaispinta-ala

Teknisten keraamien valmistuksen tärkeimmät vaiheet:

1. Jauheiden valmistus: partikkeliominaisuudet, koko, kokojakaumamuoto ja puhtaus, jauhatus

2. Jauheiden käsittely: seostus, granulointi ja luokittelu

3. Kappaleen muotoilu eli jauheen kompaktointi

4. Kuivaus ja sintraus

5. Jälkityöstö, liittäminen ja jälkikäsittelyt

6. Laadunvarmistus

Keraamien jauhepohjaiset valmistusmenetelmät

Jauheisiin lisätään eri muodonantomenetelmien ja sintrauksen edellyttämät lisäaineet,

- dispergointiaineet (lietepohjainen prosessointi)- sideaineet (joilla pidetään muotoiltu komponentti koossa ennen sintrausta

vihreässä tilassa)- plastisointi- eli pehmitinaineet (helpottaa muodonantoa plastisen muovauksen

yhteydessä)- voiteluaineet (edesauttavat homogeenisen tiheysjakauman saavuttamista puris-

tuksessa ja vähentävät muotin kulumista)- sintrauslisäaineet (edistävät rakenteen tiivistymistä, spesifisiä kullekin materiaalille)

JAUHEIDEN KÄSITTELYT

Kolloidinen prosessointi, partikkelien väliset voimat

elektrostaattinen

Steerinen

solvataatio ja depleetiovoimat(liuoksesta riippuvat)

Teknisten keraamien valmistuksen tärkeimmät vaiheet:

1. Jauheiden valmistus: partikkeliominaisuudet, koko, kokojakaumamuoto ja puhtaus, jauhatus

2. Jauheiden käsittely: seostus, granulointi ja luokittelu

3. Kappaleen muotoilu eli jauheen kompaktointi

4. Sintraus

5. Jälkityöstö, liittäminen ja jälkikäsittelyt

6. Laadunvarmistus

Keraamien jauhepohjaiset valmistusmenetelmät

Jauheiden käsittely: Spray-kuivaus

Valmistetaan sopivan kokoisia (esim. d= 50 mm) pallo-maisia partikkeleita.(agglomeraatteja, jotka muodostuvat pienistä primääri-partikkeleista, ja ovat ns. pehmeitä agglomeraatteja,jotka rikkoutuvat helposti muodonannon yhteydessä)

Esimerkkejä teollisten spray-kuivattujen jauheiden tyypillisistäominaisuuksista

Keraamikomponenttien muodonanto

Muodonantomenetelmät

1)

2)

3)

4)

Yleisimpiä muodonantomenelmiä ovat:1) puristus

- aksiaalinen (kuiva tai märkä)- isostaattinen kylmäpuristus(- aksiaalinen kuumapuristus)(- isostattinen kuumapuristus)

2) lietevalu3) ruiskuvalu4) suulakepuristus

sekä lukuisia erikoismenetelmiä

Muotoiltua kappaletta ennen sintrausta kutsu-taan “vihreän tilan kappaleeksi”

Nämä eri menelmät edellyttävät erilaista lisä-aineistusta.

Aksiaalipuristus; kuivapuristus

Kuivapuristus (0…4% kosteutta jauheessa)- granuloitu jauhe (esim. spraykuivaus)- korkea puristuspaine

J etuja- nopeus- helppo automatisoitavuus- mittatarkkuus

L haittoja- korkeus/halkaisijasuhde rajoitettu- sopii vain yksinkertaisille muodoille- kappaleen tiheys ei ole tasainen- sopii vain pienille kappaleille- muotin kuluminen

Tyypillisesti 0,5…5% orgaanista sideainetta

Aksiaalipuristus; märkäpuristus

Märkäpuristus (10…15% kosteutta jauheessa)- savimainen plastinen koostumus- puristuksen jälkeiset muutokset mahdollisia

(plastisuus)- vaikeasti automatisoitavissa- huono mittatarkkuus

Rakenteen muuttuminen puristuksen yhteydessäbimodaalisella huokoskokojakaumalla

Tyypillisiä ongelmia puristetun kappaleen poistossa muotista:

Laminaattisäröt:- suuri kitka muotin ja kappaleen

välillä- tahmautumista muotin seinämään- kappaleeseen varastoituu kimmo-

energiaa puristuksessa- kappaleen lujuus alhainen

Päädyn irtoaminen:- kimmoinen energia suuri- kappaleen lujuus alhainen- kimmoinen energia eri suuri

eri osissa kappaletta

Seurausta muotin ja puristeen välisestä kitkasta sekä kimmoenergian varastoitumisesta kappa-leeseen; ns. springback-ilmiö

Muodonanto: Kylmä isostaattinen puristus(Cold Isostatic Pressing, CIP)

Kaksi eri perustekniikkaa:

- märkämuottimenetelmä (märkäpussi, wet bag)- kuivamuottimenetelmä (kuivapussi, dry bag)

Menetelmässä paine tuodaan esim. kumisenmuotin avulla muotoiltavan kappaleen ympärillesiten, että se tiivistää kappaletta isostaattisesti.

Muodonantomenetelmät

1)

2)

3)

4)

2) Lietevalu:

- keraaminen jauhe on suspensiona lietteessä,joka kaadetaan kipsimuottiin

- muotin huokoset imevät lietteestä nestettä,jolloin jauhe kerrostuu muotin seinämille.

- yksinkertainen; sopii hyvin myös laboratorio-ja pilot-mittakaavaan.

- Vaatii lietteen hallintaa; reologia, stabiilisuus,jne.

Vaiheet: jauheen dispergointi, sideaineistus,muiden lisäaineiden lisäys,ilmanpoisto,valu muottiin, ylimääräisen lietteen poisto,kuivaus ja kappaleen irroitus muotista

Lietevalu

Lietevalu

Muodonantomenetelmät

1)

2)

3)

4)

3) Ruiskuvalu

Keraamisen jauheen ja termoplastisen poly-meerin (25…50%) muodostama kuumennet-tu massa puristetaan metallimuottiin.

Ennen sintrausta polymeeri poistetaan kuu-mentamalla.

Soveltuu monimutkaisten, muulla tavalla vai-keasti muotoiltavien kappaleiden valmistami-seen, esim. turboahtimen roottorit jakaasuturbiinien siivet.

Ruiskuvalu

J etuja:- halpa (kun sarjakoot ovat suuria)- soveltuu monimutkaisille kappaleille- kappaleet sintrauksen jälkeen lopulli-

sissa mitoissa; sinrauskutistuma huomi-oitu muotin mitoissa

- kappaleen tasainen tiheys hallittavissa- sintrauksessa tapahtuva kutistuma pystytään

ennakoimaan tarkasti

L haittoja- sideaineen (polymeeri) poisto hidas ja vaikea

vaihe- suuret pääomakustannukset (kone ja muotit)- ei sovellu pienille sarjoille- muutokset kalliita (muotin muutos)

Muodonantomenetelmät

1)

2)

3)

4)

4) Suulakepuristus (ekstruusio)

Periaatteeltaan samanlainen kuin ruiskuvalu

Plastinen massa puristetaan suulakkeen läpi,jolloin voidaan valmistaa poikkipinnaltaan va-kiona pysyviä kappaleita.

Poikkipinta voi olla hyvinkin monimutkainen

Teknisten keraamien valmistuksen tärkeimmät vaiheet:

1. Jauheiden valmistus: partikkeliominaisuudet, koko, kokojakaumamuoto ja puhtaus, jauhatus

2. Jauheiden käsittely: seostus, granulointi ja luokittelu

3. Kappaleen muotoilu eli jauheen kompaktointi

4. Kuivaus ja sintraus

5. Jälkityöstö, liittäminen ja jälkikäsittelyt

6. Laadunvarmistus

Keraamien jauhepohjaiset valmistusmenetelmät

Lämpökäsittelyn eri vaiheet

Kuivaus

- Nesteen poisto kappaleesta hallitusti ympäristöön.- Yleensä höyrystämällä, harvemmin nesteenä.- Kuivuminen aiheuttaa kapillaarivoimien kautta jännityksiä ja kappaleen kutistumisen.- Jäännöskosteus sintrauksessa aiheuttaa helposti kappaleen rikkoutumisen

Hallittu, yleensä hidas, nesteen höyrystäminen

Apuaineiden poisto

- Apuaineiden hapettaminen ja muodostuvan reaktiotuotteen poisto huokosten kautta.- Sideaineiden määrä riippuu voimakkaasti muodonantomenetelmästä- Hidas lämmitys tai pito kriittisillä alueilla (n. 200-800oC), kaasujen poisto!- Reaktiot loppuun ennen tiivistymistä

Poltto/pyrolyysi ilman suuria jäämiä

Sintraus

- Jauhekompaktin tiivistäminen (pintoihin sitoutuneen energian avulla)- Kutistuminen, huokosten poisto, rakeiden kasvu- Lämpötila tyypillisesti 0,5…0,8 sulamislämpötilasta

Tiivis rakenne mahdollisimman matalassa lämpötilassa

Raw powder Formed product Sintered productd= 45-70% d» 100%

Sintering T =highAl2O3 ~ 1400…1650 oCSi3N4 ~ 1600…1900 oCSiC ~ 2000…2200 oC

Forming Sintering

DV ~ 10-15%

Structural changes in manufacturing of a sintered ceramics

Huomaa sintrauskutistuma

Syksy 08 52

Sintrauksen alkuvaihe (initial stage)

Sintrauksen toinen vaihe (second stage, intermediate stage)

Sintrauksen loppuvaihe (final stage)

Sintraus

Muodonanto ja sintraus yhdistetty kuumapuristuksessa jaisostaattisessa kuumapuristuksessa

Keraamikomponenttien työstö