1

Kerámiák alkalmazásaKerámiák alkalmazása

Dr Németh Árpádarpinem@eik.bme.hu

ANYAGTUDOMÁNY ÉS TECHNOLÓGIA TANSZÉK

Kerámiák, kompozitok 2008/09

2

3

Kerámiák és kompozitok

Kerámia anyagú er ısítı szálak:

- Ezek a leginkább elterjedtek

- Elsıként tőzálló kemencék szigetelésénél alkalmazták

- Könnyen beintegrálható más anyagok mellé

- Rugalmassága miatt akár kerámia-szövet is készíthetı belıle

- Fıként tőzvédelmi ruházatnál jelentıs

- A kerámiaszálas erısítést a fém alapú lövedékálló termékeknél is gyakran alkalmazzák (bár nem olcsó)

4

Kerámiák és kompozitok

Az erısítı szálak anyagai:

-Szénszál

Ez a legismertebb. Kis sőrőségő, alacsony hıtágulású, kiválóelektromos vezetıképességgel rendelkezik, jó hıállóságúak, nem veszi fel a nedvességet és nem mágnesezıdik, kémiailag ellenálló. Húzószilárdsága nagy (2000-5000 MPa), rugalmassági modulusa magas (200-450 GPa), szakadási nyúlása mindössze 0,7-2,0 %-nyi. Hátránya a merevség, törékenység, kis szívósság. A szénfilamenteketsodratlanul, textilipari célokra kis sodrattal használják fel.

-Bórszál

Nagy teljesítményő, kis sőrőségő (1,44 g/cm3), de rideg anyag, amelynek elıállítása is költséges. A bór erısen reakcióképes, ezért SiC-dal szokták bevonni felületét. Elınye viszont a nagy szilárdság és az, hogy az Al-kompozitok hıtágulásának szabályozására alkalmas.A bór nem csak önmagában, hanem B2O3-ként kerámiaszálnak is hasznosítják.

Kerámiák és kompozitok

-Al-oxid v. Al-szilikát

A folyamatos szálerısítık közük a legfontosabb kerámia alapú szál. Nagy szilárdságú és merevségő, de sőrősége kicsi (3,9 g/cm3), ezen kívül stabilitásuk és hıállóságuk is nagyon kedvezı. Kiváló azbeszthelyettesítık; textiljellemzıkkel nem rendelkeznek, ezért un. vivıszálakkal lehet fonalat elıállítani belılük; tömítıfonatok, tömlık készítésére is alkalmazzák nagy hıterheléső területeken.

-Si-dioxid

Poliszilikátok viszkózus oldatából készülnek, savas kezeléssel alakul ki a kovasav szálformában; a legkönnyebb szervetlen szálak (1,8-2,0 g/cm3), így a súlytakarékos helyeken kerülnek alkalmazásra. Szövetgyártáson kívül speciális kötıgépen a különleges üveg szálakból (filament) kelme képezhetı; kemenceajtó szigeteléstıl a forró gázok szőréséig, számos területen hasznosítják a szilícium-dioxid szálakat; a legújabb fejlesztéső hibrid szál viszkózgyártásnál adagolt kovasavval érhetı el, a szerves-szervetlen stabil szálasanyag láng- és tőzálló, ugyanakkor puha fogásával ruházati célra is alkalmas.

5

Szerszámanyagok 1.Keményfémek: A keményfém egy nagy

olvadáspontú karbidokat és kötıanyagként kisebb olvadáspontú fémet tartalmazó, fémkerámiai úton elıállított „ötvözet”.

• A keményfémeknek három nagy csoportja különböztethetı meg:

• WC alapú egykarbidos keményfémek• Ti-W alapú kétkarbidos keményfémek• Ti-Ta-W alapú háromkarbidos keményfémek• HRA= 87…92• HRC= 72…82• Hıállóság 850 ºC

Szerszámanyagok 2.Lehetséges kerámia forgácsoló

szerszámanyagok:Al2O3

• Al2O3.ZrO2

• Al2O3.TiC• Al2O3.SiC• Si3N4

• BN (bór-nitrid)• SiAlON

6

Szerszámanyagok 2.1Alumínium-oxid Al 2O3

• romboéderes kristályrácsú• kis sőrőségő (ρ = 3,99 · 103 kg/m3)• nagy olvadáspontú (2053 oC)• közepes keménységő (2370 HV, 9

Mohs)• rugalmassági modulus 380…410 GPa• nyomószilárdság 2 GPa• nagy törési szívósságú (3…6 MPa · )• hıvezetı (5…30 W/mK)• nagy melegszilárdságú• kedvezı árú

Szerszámanyagok 2.2Cirkónium-oxid ZrO 2• monoklin kristályrácsú 1150oC-ig, fölötte tetragonális• közepes sőrőségő (ρ = 6,07 · 103 kg/m3)• nagy olvadáspontú (2690 oC)• közepes keménységő (1200…1400 HV)• igen nagy hajlítószilárdságú (4-szerese az Al2O3-

nak)• rugalmassági modulus 200-260 GPa• jó nyomószilárdság 2900 MPa• jó hısokk-állóságú• magas hımérsékletig használható (2400 oC)• olvadt fémeknek is ellenáll• nagyon jó kémiai ellenálló képesség• tőzálló anyag

7

Szerszámanyagok 2.3Szilícium-nitrid Si 3N4• kis sőrőségő (ρ = 2,4…3,4 · 103 kg/m3)• magas olvadáspont (1897oC)• hexagonális rácsú, kovalens kötéső• jó hısokkállóság (pl. turbinahajtómővek)• kis hıtágulás (α = 3…3,2 · 10-6 K-1)• nagy törési szívósságú (4…5,4 MPa m1/2 )• közepes keménységő (1700…2300 HV)• rugalmassági modulus 310…470 GPa• kis súrlódási együtthatójú (csúszógyőrő, csapágy)• savakkal, nemvasfém olvadékkal szemben ellenálló

(olvasztótégely)• nagy hajlító- ill. nyomószilárdságú• legnagyobb szilárdságú kerámia (nagy hımérsékleten is)

Szerszámanyagok 2.4Szilícium-alumínium-oxinitrid SiAlONAz anyag szilícium-nitridbıl és néhány százalék alumínium-

oxidból áll össze. Jó hısokkállóság jellemzi, igen erıs, jó korrózióálló anyag.

• kiváló hısokkállóság• nemvasfémek nem nedvesítik, nem korrodálják• nagy szilárdság• nagy törési szívósság (6…7.5 MPa ·m1/2 )• jó melegszilárdság• alacsony hıtágulás (3*106/ oC)• jó korróziós ellenálló képesség• kis sőrőség (ρ = 3,24 · 103 kg/m3)• alacsony porozitás (<1%)• rugalmassági modulus 288 GPa• hajlító szilárdság 760 Mpa• jó hıvezetı képesség (5…30 W/mK)

8

Szerszámanyagok 2.5Köbös bór-nitrid CBN• kis sőrőségő (ρ = 3,3…3,5 · 103 kg/m3)• igen nagy keménységő (7000…9500 HV)• hajlító szilárdság Rm=500 MPa• rugalmassági modulus E=580-900 GPa• nyomószilárdság Rh=3500 MPa• nagy hımérsékleten alkalmazható (1200…1400 oC) • nagysebességő forgácsoláshoz javasolt, mivel nem

lép reakcióba vasalapú anyagokkal

Kerámiabevonatok felépítése:

Alapréteg

Alapfém

Fedıréteg

9

CoCrAlY : Tipikus kobalt alapú ötvözet. Jó melegszilárdságKúszásállóTermikus stabilitás

Alapréteg :

Feladata : alapfémmel valamint a fedıréteggel a lehetı legjobb kötés kialakítása

A fedıréteg :

Yttrium-Magnézium stabilizált Zirkonia kerámia

A fedıréteg a különbözı igénybevételeknek áll ellen.

Ez esetben a hıállóság fontos.

10

A kerámiaréteg felvitelének menete:

•A bevonatolni kívánt alkatrész , ill. a bevonat anyag ellenırzése •A már meglévı bevonat eltávolítása, ha szükséges•Felületelıkészítés•Maszkolás ill. a hőtınyílások eltakarása •Felülettisztítás•A gép beállítása, feltöltése, a szórás elvégzése •Roncsolásmentes rétegvastagságmérés•Tesztlapocskák készítése metallográfiai vizsgálatokra.•Végsı vizuális ellenırzés, csomagolás, szállítás

Plazmaszórás:

Plazmaszórás segítségével nagy olvadáspontú fémek, fém-oxidok, fém-karbidok vagy különféle kerámiai fém-szilikátok hordhatók fel fémes és nemfémes munkadarabok felületére.

Bevonóanyag por

Ioinizált semleges gáz (argon, nitrogén)

Vízhőtéses rézanód

Tóriumozott volfrámkatód

5 - 40 000 °C

11

SiAlON 1.

• A mőszaki kerámiák (Al2O3, Si3N4, SiC, ZrO2, TiC, TiN, B4C, stb.) fémekhez képest igen kemény, kopásálló, ugyanakkor rideg, azaz dinamikus igénybevételek elviselésére csak korlátozottan alkalmas anyagok.

• SiAlON-ok legvonzóbb tulajdonsága, hogy kedvezı szívósági mérıszámokat és magas szilárdsági jellemzıket egyszerre mutatják

SiAlON 2.

• A SiAlON egy finom szemcsés porózusmentes szilicium nitrid alapúkerámia, kis százalékban alumínium oxid tartalommal

• SiALON kiváló keménységét, szívósságát,kis hıtágulási tulajdonságát, hısokkállóságát a sziliciumszilicium nitridneknitridnek, korrózióállóságát, és hogymagas hımérsékleten is megörzikeménységét, az alumalumíínium oxidnaknium oxidnakköszönheti.

12

(SiAlON) Tulajdonságai

• Kiváló hısokkállóság• Kiváló korrózióállóság• Nagy szilárdság (hajlítószilárdság)• Nagy szívósság• Keménységét magas hımérsékletig

megırzi• Kis hıtágulás

(SiAlON) Melegszilárdság

13

(SiAlON) Korrózióállóság 1.

Korrózióállóság 2.

14

Kis hıtágulás, kémiai ellenállás

• Fontos a rendkívüli jó hıállóságuk, kis hıtágulásuk és a korrózióállóságuk. Termikus, kémiai, és elektromos célokra is alkalmazzák ıket.

SiAlON : szilícium nitridaluminium oxiddal

• A két legjobban ismert kristály fázis a SiALONcsaládban az alfa és a béta fázisok, melyek a szilicium nitrid alfa és béta fázisain alapulnak. A SIAlON fázisok egy részében a nitrogén atomokat aluminium és oxigén atomok helyettesítik

• alfa-Si6N8: 14 atom egy cellában, kapcsolódás ABCD

• beta-Si12N16: 28 atom egycellában, kapcsolódás ABAB

• Kovalens kötés

15

Két fázis elınyös kombinációja

• alfa SiALON szövetszerkezetére jellemzı, hogy jóval finomabb eloszlásúak a szemcsék, ezért kiváló keménységgel bír

• beta SiALON esetében a tőkristályok okozzák szívósságot

• A kiinduló anyagok kombinációjával tehát elérhetı a keménység és a szívósság kombinációja a végtermékben is

Szerszám alapanyag

• Magas hımérsékletig megırzi a keménységét és a szívósságát, ami az egyik legjobb megmunkáló szerszám alapanyaggá teszi.

16

SiAlON ST• Alkalmas fémek megmunkálására,

jó kopásállóság, jó mechanikai ellenállóképesség 1250°C-ig.Nem lép reakcióba más fémekkel, kémiailag ellenálló, magas szívósság, keménység, és jóhısokkállóság.

SiAlON BN• Alkalmas acélok megmunkálására

1500°C-ig. Ez egy kompozit anyag kombinálva a SiAlON ST jóhısokkállóságát és a Bór Nitridsikamlósságát. Kemény, szívós, jókorrózióálló, és magas hımérsékletig használható.

Sőrüségnövelés

• Ahhoz, hogy megkapjuk a megfelelıtulajdonságokat, a kerámia sőrősége közel kell legyen az elméleti sőrőséghez, ami feltételeket szab a színtereléssel szemben

• Szinterelés adalékanyagokkal

• Hot Isostatic Pressing

17

HIBRID ACÉLHIBRID ACÉL-- KERÁMIA KERÁMIA csapágyakcsapágyak

Kerámia csapágyakKerámia csapágyak

Anyagai:SiNSiCAl2O3

18

KÖSZÖRŐKORONGOK

• A leggyakrabban használt mesterséges köszörőszemcse anyagok:

• - elektrokorund• - szilicium - karbid (SiC)• - mesterséges gyémánt• - köbös bór-nitrid (CBN)• - bór-karbid (B4C)

Elektrokorund

Legfontosabb tulajdonságai:• kis sőrőségő (ρ = 3,99 · 103 kg/m3)• nagy olvadáspontú (2050 oC)• közepes keménységő (2370 HV)• rugalmassági modulus 380…410 GPa• nyomószilárdság 2 GPa• nagy törési szívósságú (3…6 MPa )• jó hıvezetı képességő (5…30 W/mK)• nagy melegszilárdságú• kedvezı árú

19

Szilicium - Karbid

• - Több típusa van (összetételtıl függıen)• - Igen stabil,savaknak ellenáll(kivéve

foszforsav)• - kis sőrőségő (ρ = 3,2 · 103 kg/m3)• - nagy keménységő (3300-5000 HV)• - nagy olvadáspontú (2400 ˚C)• - rugalmassági modulus 420 GPa• - nyomószilárdság 3,5 GPa• - jó hıvezetı képességő (30…40 W/mK)

Mesterséges gyémánt

Tulajdonságok:- kis sőrőségő (ρ = 3,5 · 103 kg/m3)- nagyon nagy keménységő (12-15000HV)- rugalmassági modulus 1000 GPa- jó hıvezetı képességő (20 W/mK)- vassal nagy hımérsékleten reakcióba lép- drága- A szén egyik módosulata. Az egyik

legkeményebb anyag.

20

A köbös bór-nitrid (CBN)

Fıbb tulajdonságok:- kis sőrőségő (ρ = 3,3…3,5 · 103 kg/m3)- nagy keménységő (7000…9500 HV)- hajlító szilárdság Rm=500 MPa- rugalmassági modulus E=580-900 GPa- nyomószilárdság Rh=3500 MPa- nagy hımérsékleten alkalmazható (1200…1400

oC) - nagysebességő forgácsoláshoz javasolt, mivel

nem lép reakcióba vasalapú anyagokkal

Bór – karbid (B4C)

Fıbb jellemzıi:- kis sőrőségő (ρ = 2,5 · 103 kg/m3)- igen nagy keménységő (3000…3500 HV)- rugalmassági modulus E=440 GPa- hajlító szilárdság Rm=480MPa- nyomószilárdság Rh=2850 MPa- nagy hımérsékleten alkalmazható (1200…1400

oC)- kopásálló,savaknak ellenáll

21

TiC erısítéső titán ötvözet

Altenatíva:

• könnyő fémek• alumínium

kompozitok• C szál

erısítéső polimerek

SiC és Al2O3 erısítéső szilumin

2,65-Alumínium

3,11,2SiC

3,721,6Al 2O3

Sőrőség[g/cm3]

Szemcseátmérı[mm]Anyag

2,8142SiC erısített

3,2357Al 2O3 erısített

Sőrőség[g/cm3]

Térkitöltés[V%]Anyag

22

Kerámiabevonatok felépítése(pl. turbina égéstér hıálló bevonata)

Alapréteg

Alapfém

Fedıréteg

CoCrAlY : Tipikus kobalt alapú ötvözet. Jó melegszilárdságKúszásállóTermikus stabilitás

Alapréteg :

Feladata : alapfémmel valamint a fedıréteggel a lehetı legjobb kötés kialakítása

23

A fedıréteg :

Yttrium-Magnézium stabilizált Zirkonia kerámia

A fedıréteg a különbözı igénybevételeknek áll ellen.

Ez esetben a hıállóság fontos.

A kerámiaréteg felvitelének menete:

•A bevonatolni kívánt alkatrész , ill. a bevonat anyag ellenırzése •A már meglévı bevonat eltávolítása, ha szükséges•Felületelıkészítés•Maszkolás ill. a hőtınyílások eltakarása •Felülettisztítás•A gép beállítása, feltöltése, a szórás elvégzése •Roncsolásmentes rétegvastagságmérés•Tesztlapocskák készítése metallográfiai vizsgálatokra.•Végsı vizuális ellenırzés, csomagolás, szállítás

24

Plazmaszórás:

Plazmaszórás segítségével nagy olvadáspontú fémek, fém-oxidok, fém-karbidok vagy különféle kerámiai fém-szilikátok hordhatók fel fémes és nemfémes munkadarabok felületére.

Bevonóanyag por

Ioinizált semleges gáz (argon, nitrogén)

Vízhőtéses rézanód

Tóriumozott volfrámkatód

5 - 40 000 °C

Két vagy több anyag el ınyös tulajdonságainak társítására létrehozott anyagok.

Az egyik legısibb kompozit a vályog: agyag-szalmatörmelék - mátrix és erısítıanyag -hıszigetelı, erısítı és könnyítıanyag ugyancsak kompozit a beton és a vasbeton ma csúcson a C-C szén-szén kompozit pl. féktárcsák)

Mátrix: körülfogja az erısítıanyagot, elosztja a terheléstErısítıanyag: fıként ez viseli a terhetÁtmeneti réteg vagy interfész: kapcsolat az erısítı és

az alapanyag között

Kompozitok

25

• szilárdságnövelés (alacsony, normál és magas hımérsékleten)

• törési biztonság (törési szívósság) növelése• rugalmassági modulus növelése (merevség javítása)• hıtágulási együttható csökkentése (meghatározott

értékre történı beállítása)• súlycsökkentés • mágneses és elektromos tulajdonságok javítása• kopásállóság (heterogén anyagú csapágyötvözetek)

stb.• szupravezetı szerkezetek elıállítása• hıszigetelı képesség növelése• energiaelnyelı képesség fokozása (mechanikai,

rezgés, hang…

Cél

Kompozitok el ıállítása

Folyamatos infiltráló berendezés kompozithuzal

gyártásához

Tömbi kompozit elıállítására alkalmas

berendezés

26

Tulajdonságkompozit=

Tulajdonságmatrix*V%matrix +Tulajdonságerısítı*V%erısítı

V%matrix+ V%erısítı=100%

Kompozitok tulajdonságai