Keramički alatni materijali

7/31/2019 Keramiki alatni materijali

1/17

0

SVEUILITE U ZAGREBU

FAKULTET STROJARSTVA I BRODOGRADNJE

Keramiki alatni materijali

Dinko Ljoljo

0035164116

Energetika


2/17

1

Sadraj

1. Uvod.....................................................................................................2

2. Podjela tehnike keramike.............................................................. ..3

3. Proizvodnja tehnike keramike.........................................................5

3.1 Aditivi............................................................................................6

3.2 Sinteriranje tehnike keramike.............................. .....................7

4. Keramiki alatni materijali................................................................8

4.1 Vrste iprimjena keramikih alatnih materijala..............................9

4.1.1 Aluminijev oksid...................................................................94.1.2 Silicijev karbid.....................................................................10

4.1.3 Silicijev nitrid.......................................................................12

4.1.4 Sialon....................................................................................14

5. Zakljuak............................................................................................15

6. Popis literature...................................................................................16


3/17

2

1. Uvod

Uporaba keramikih materijala poela je jo u ranoj fazi ovjeanstva. Arheoloka nalazitapokazju kako se prvo oblikovanje i koritenje keramike javlja jo prije 24 000 godina, dok su

se prije 8 000 godina koristile keramike mase za posude koje bi bile ovrsnute peenjem.Najvei razvoj keramika duguje podrujima kemije i elektrotehnike gdje je porculan dugovremena bio najvaniji korozijski postojan materijal. S poboljanjem proizvodnih postupakaraste i koritenje porcualna, te se on tako poinje koristiti kao izolacijski materijal za naponevie od 220 kV. Razvojem mikroelektronike raste i potreba za materijalima na bazialuminijeva oksida, te se daljnjim ulaganjem i razvojem dolazi do keramike kakve mi

poznajemo danas. [1]

Slika 1. Keramiki izolator za visokonaponske mree [2]

U pravilu su keramiki materijali anorganski i nemetalni, a dobivaju se peenjem ilisinteriranjem sirove mase pri visokim temperaturama. Nijemci dijele keramiku prema veliini

zrna na grubu i finu keramiku. Ako su sastavni dijelovi strukture manji od 0,1 mm tadagovorimo o sitnozrnatoj keramici. U sitnozrnatu keramiku spadaju tehnika keramika,keramika za kuhinsko posue, ukrasna keramika, keramika za sanitarije, zidne i podne ploicete brusna sredstva na bazi keramike.

Keramika se pokazala pouzdanim materijalom u brojnim primjenama zbog svoje visoke

tvrdoe, dobre otpornosti na troenje i korozijske postojanosti. Vrijednosti tvrdoesuvremenih keramika se mogu usporeivati s tvrdoom metala kao to su elik i sivi lijev, anadmauju svojstva gotovo svih polimera i vlaknima ojaanih materijala. No za razliku odmetala koji imaju visoku ilavost keramika je izuzetno krhka jer se keramika u sluaju

mehanikih optereenja ponaa kao anizotropan materijal.


4/17

3

Jedna od glavnih prednosti keramike u odnosu na ostale materijale je nepromijenjivost

svojstava keramike kada je ona izloena djelovanju topline (otpornost na poputanje). Zbogovakvih svojstava keramika je jako rasprostranjena na podruju elektrotehnike kao izvrstanizolator.

2. Podjela tehnike keramike

Tehnika keramika se moe podijeliti u slijedee grupe :

- Silikatna keramika- Oksidna keramika- Neoksidna keramika

Silikatna keramika je najstarija vrsta keramike. Glavni sastavni dijelovi ovih viefaznihmaterijala su glina i kaolin kao nosioci silicija. Osim toga jo se dodaju i glinica i cirkonij kojislue za za dobivanje velike vrstoe. Kod sinterirane keramike je glavni sastavni dio silicijevoksid. U silikatnu keramiku se ubrajaju:

- Porculan- Steatit- Kordijerit- Mulit

Silikatna keramika je bitno jeftinija i pristupanija od oksidne i neoksidne keramike zbogrelativno niskih temperatura sinteriranja i velike dostupnosti prirodne sirovine. Za

proizvodnju oksidne i neoksidne keramike nuni su skupi sintetiki prahovi i visoketemperature sinteriranja. Silikatna keramika se rabi u termotehnici, procesnoj tehnici, u

elektrotehnici kao izolator, osigurai, itd.

Slika 2. Porculanski izolatori [2]


5/17

4

Oksidna keramika podrazumijeva materijal koji se uglavnom sastoji od jednofaznih i

jednokomponentnih metalnih oksida. Ove keramike imaju izuzetno nizak ili ak nikakav udiostaklene faze. Sirovine su proizvedene sintetikim putem i imaju visok stupanj istoe. Privisokim temperaturama sinteriranja nastaje ujednaena mikrostruktura koja je odgovorna za

poboljana svojstva. Predstavnici oksidne keramike su :

- Aluminijev oksid- Magnezijev oksid- Cirkonijev oksid- Titanov oksid

Oksidna keramika se rabi u elektronici vrlo esto kao konstrukcijska keramika za nelektrinuprimjenu. Najznaajnija tipina svojstva su joj lomna ilavost, otpornost na troenje iotpornost na visoke temperature

Neoksidna keramikaje na bazi spojeva bora, ugljika, duika i silicija. Neoksidna keramika upravilu ima visok udio kovalentnih veza pa joj to omoguuje primjenu pri visokimtemperaturama, osigurava visok modul elastinosti, visoku vrstou i tvrdou te dobruotpornost na koroziju i troenje. U ovu vrstu keramike ubrajamo:

- Silicijev karbid- Silicijev nitrid- Aluminijev nitrid- Borov karbid- Borov nitrid


6/17

5

Slika 4. Keramiki leaj od Silicijevog karbida [3]

3. Proizvodnja tehnike keramike

U cjelokupnom procesu proizvodnje, odreeni prah, oblikovanje i proces sinteriranja zajednoutjeu na stvaranje mikrostrukture i time eljenih svojstava proizvoda. Na svojstva dobivenogmaterijala utjeu sljedei parametri:

- Oblikovanje- Prah- Sinteriranje

Zavisnost parametara je pokazana sljedeom slikom.

Slika 5. Parametri koji utjeu na svojstva proizvoda [1]


7/17

6

Postupakproizvodnje je prikazan slijedeom pojednostavljenom shemom.

Slika 6. Shema postupka proizvodnje keramikih materijala [1]

3.1 Aditivi

Aditivi imaju slinu vanost kao i sama sirovina, jer oni poboljavaju svojstva same sirovine.Podjela aditiva:

- Pomona sredstva za sinteriranje- Sredstva za teenje- Plastifikatori- Ovrivai


8/17

7

3.2 Sinteriranje tehnike keramike

Cilj keramikih tehnologija je proizvodnja mehaniki vrstih tvorevina koje odgovarajurazliitim zahtjevima korisnika te mogu podnijeti razna optereenja u primjeni. U poetnom

sirovom izratku vladaju tek slabe veze izmeu estica. Keramika veza, a time i vea vrstoapostie se tek peenjem pri visokim temperaturama. Visoke temperature omoguujusinteriranje ime zapravo nastaje tehnika keramika. Procesi sinteriranja su vrlo kompleksni iodvijaju se ovisno o istoi sirovina, veliini zrna, gustoi i atmosferi u kojoj se vrisinteriranje.Na sljedeoj slici je prikazana pojednostavljena shema sinteriranja.

Slika 7. Prikaz rasta zrna pri sinteriranju [1]

Proizvodi od oksiden keramike sinteriraju se u vrstom stanju, to znai da su u tom sluajupotrebne i puno vie temperature sinteriranja nego kod masa koje sadre glinicu. U procesusinteriranja dolazi do ovrsnua i zgunjavanja proizvoda tj. do smanjenja poroznosti.Takoer dolazi do smanjenja volumena sinteriranog proizvoda.

Prilikom sinteriranja proizvoda se mora pravilno definirati vrijeme i odgovarajua atmosferasinteriranja. Ako se to ne napravi dobro onda moe doi do zaostalih naprezanja i donezadovoljavajuih ostalih svojstava izratka. Temperature sinteriranja razliitih keramikihmaterijala su prikazane u tablici 1.

Tablica 1. Temperature sinteriranja za razliite keramike materijale [1]


9/17

8

4. Keramiki alatni materijali

Mnogostruke mogunosti primjene keramikih proizvoda temelje se na njihovim specifinimsvojstvima keramikih materijala koja esto nisu dostina ostalim materijalima. Dobrasvojstva su:

- Velika tvrdoa- Velika vstoa- Visoke doputene temperature- Korozijska postojanost- Otpornost na troenje- Vrlo dobra elektrina izolacija- Niska gustoa-

Niska ili visoka toplinska vodljivost

Ve prema sastavu i pripremi sirovine, kao i prema nainu oblikovanja i vrsti peenja,svojstva pojedinih proizvoda mogu se u velikoj mjeri prilagoditi predvidivoj namjeni.

Primjena tehnike keramike je iz navedenih razloga jako rasprostranjena te se praktikiprimijenjiva u svim granama tehnike. Stoga se keramika koristi i kao materijal za izradu

razliitih alata.

Keramika kao alatni materijal mora imati odreena svojstva kako bi ispunila traene zahtjeve.

Najvanija svojstva koju mora posjedovati da bi bila obar izbor za alatni materijal su:

- Velika otpornost na troenje- Mehanika vrstoa- Tvrdoa- Postojanost svojstava pri visokim temperaturama

Tvrdoai otpornost na troenje

Tvrdoa ukazuje na otpornost prema deformiranju, koja je to via to je vii modulelastinosti. Dijelovi od tehnike keramike zato pokazuju visoku krutost i stabilnost oblika.Vea tvrdoa tehnike keramike povezana je s viom otpornou na troenje, stoga jekeramika prikladna za tribotehnike primjene. Nedostatak visoke tvrdoe keramike je slabamogunost plastine deformacije (duktilnost) i razgradnje koncentracije naprezanja. Stogatehnika keramika esto puca bez prethodne najave. Tvrdoa se ispituje prema metodamaVickers, Knoop i Rockwell.


10/17

9

Svojstva ovisna o temperaturi

Tehnika keramika odlikuje s vrlo dobrom vrstoom na visokim temperaturama koja, primaksimalnoj radnoj temperaturi nadmauje i metalne superlegure. To znai da su keramikimaterijali predodreeni za primjenu u visokotemperaturnim procesima.

Kemijska postojanost

Dobra kemijska otpornost na agresivne medije ine tehniku keramiku prikladnom zaprimjenu u kemijskim postrojenjima i u tehnici visokih temperatura.

4.1 Vrste i primjena keramikih alatnih materijala

Zbog svega navedenoga moemo zakljuiti da je primjena tehnike keramike izuzetnorairena u cijelom podruju tehnike ( Strojarstvo, Procesna tehnika, Elektrotehnika,Elektronika, Medicina). Primjena tehnike keramike za izradu alata je slijedea:

- Alati za savijanje-

Svrdla- Valjci za vuenje ice- Glodala- Rezne ploe- Brusna vretena- kare- Otrice, itd.

Svojstva koja mora posjedovati tehnika keramika da bi ispunjavala traene uvjete zanavedene alate ispunjavaju sljedee vrste tehnike keramike:

- Aluminijev oksid (Al2O3)- Silicijev karbid (SiC)- Silicijev nitrid (Si3N4)

4.1.1 Aluminijev oksid

Aluminijev oksid je najvaniji materijal iz grupe oksidne keramike koji se primjenjuje utehnici. Najznaajnija svojstva gusto sinteriranog aluminijeva oksida su:


11/17

10

- Velika vrstoa i tvrdoa- Temperaturna stabilnost- Velika otpornost na troenje i korozijskapostojanost pri viim temperaturama

U pravilu ovi materijali imaju udio Al2O3 od 80% do 90%, a izbor materijala je odreentehnikim i ekonomskim kriterijima. Zbog vrlo povoljnog omjera cijene i kvalitete teuniverzalnih svojstava ovaj je materijal meu najrairienijim materijalima u primjeni odtehnikih keramika. Koristi se za izradu alata kojima je primarno svojstvo otpornost natroenje pa se tako od aluminijevog oksida rade otrice za tokarske noeve, noevi ta rezanje,otrice na karama, rezne ploe, svrdla, itd. [1]

Najea primjena Al2O3je u obliku kompozita. Na sljedeoj slici je prikazan kompozitaluminijevog oksida koji je povezan fenolnom smolom. [4]

Slika 8. Rezne ploe od aluminijevog oksida [4]

4.1.2 Silicijev karbid

Silicijev karbidje najvaniji predstavnik karbida i odlikuje se sljedeim svojstvima:

- Velika vstoa- Izvandredna mehanika svojstva pri visokim temperaturama- Mala toplinska rastezljivost- Visoka toplinska vodljivost- Velika tvrdoa- Otpornost na troenje


12/17

11

Naznaena svojstva silicijeva karbida ovise o vrsti proizvodnog postupka. Razlikujemosilicijeve karbide s otvorenom poroznou: [1]

- RSIC (Rekristalizacijski silicijev karbid). Poroznost je od 11% do 15%. Ovaj tipkeramike pee se pri temperaturama od 2300 do 2500 C, pri emu dolazi do

pretvorbe sitnih SiC zrna u kompaktnu SiC matricu. Zbog otvorene poroznosti imaju

manju vrstou od guste SiC keramike.- NSIC (Silicijev karbid povezan nitridima). Poroznost je od 10% do 15%. Nastaju tako

da se silicijev prah nitrira u duinoj atmosferi pri temperaturi od 1400 C. Nakon togase izlae oksidirajuoj atmosferi iznad 1200 C pri emu se stvara tanka oksidacijskaprevlaka u obliku staklenog sloja.

Gusti slicijevi karbidi: [1]

- SISIC (Reakcijski povezan silicijev karbid s infiltriranim silicijem). Sastoji se od 85%do 94% SiC i od 6% do 15% metalnog silicija (Si). Ovakav silicijev karbid praktikinema zaostale poroznosti jer metalni silicij infiltrira u te pore. Za vrijeme procesa

siliciranja ne dolazi do skupljanja pa se stoga mogu izraivati precizno dimenzioniranialati. Podruje primjene je zbog talita ogranieno na 1380 C.

- HPSIC (Vrue prean). Keramika izraena na ovaj nain je gotovo bez poroznostizbog djelovanja tlaka od 200 MPa tijekom procesa sinteriranja. Ove keramike se

primjenjuju u podrujima gdje su zahtjevi izuzetno veliki.

Na sljedeoj slici su prikazana svrdla od silicijeva karbida.

Slika 9. Svrdla od SiC [5]


13/17

12

4.1.3 Silicijev nitrid

Silicijev nitrid igra najvaniju ulogu u podruju nitridne keramike zbog nedostinekombinacije njegovih svojstava:

- Ekstremno velika vrstoa- Velika ilavost- Izvanredna otpornost na troenje- Srednja toplinska vodljivost- Vrlo dobra kemijska postojanost

Kombinacijom ovih svojstava dobivamo keramiku za primjenu u mnogim podrujima. Ova

keramika se pogotovo koristi u strojarstvu za izradu strojnih dijelova od kojih se trai velikapouzdanost.

Kako bi se proizveo neporozni silicijev karbid potrebno je prvo napraviti mjeavinu praka isinter-aditiva (Al2O3, MgO itd.) koja se zatim oblikuje i sinterira pri temperaturama izmeu1750 i 1950 C. Budui da se silicijev karbid pri normalnom tlaku i temperaturi od 1700 Craspada na Si+N2, tijekom sinteriranja se povea tlak N2 kako bi se taj proces zaustavio. Takoprema procesu proizvodnje razlikujemo sljedee vrste: [1]

- GPSSN (Sinterira se u posebnim peima pri N2 pretlaki od 100 MPa. Nastajeuinkovit materijal za velika mehanika optereenja)

- HPSN(Vrue prean) i HIPSN(Vrue izostatiki prean) odvija se na tlakovima od200 MPa. Imaju veu vrstou jer se zaostala mehanika naprezanja potpuno uklanjajuvelikim mehanikim tlakovima)

- RBSN (Reakcijski povezan silicijev karbid). Dobiven je na nain da se jeftinijisilicijev prah izlae N2 atmosferi pri temperaturi od 1400 C i tada nitriranjem nastaje

Si3N4. Ovakva keramika ima dobra mehanika svojstva ali je zbog svoje fine iotvorene poroznosti osjetljiva na visokotemperaturnu oksidaciju.

Na sljedeim slikama se prikazuje primjena silicijevog nitrida za izradu alata. Najeaprimjena je pri izradi alatnih otrica tokarskih noeva, glodala, svrdla, itd.


14/17

13

Slika 10. Noevi za glodanje od silicijevog nitrida [6]

Slika 11. Alati od Silicijevog nitrida [7]


15/17

14

4.1.4 Sialon

Sialon je keramika legura koja se dobiva mijeanjem sirovina kao to su silicijev nitrid,aluminijev oksid, aluminijev nitrid, silicija i oksida itrija. Itrij je inae mekani, srebreno -bijeli

metal ija se povrina prekriva oksidom kada je izloena atmosferi. Najee se sinteriravruim izostatikim preanjem. Nakon toga se Sialon obraiva dijamantnim bruenjem.Sialon je uglavnom legura silicijeva nitrida i postoji u tri razliita oblika. Vezu izmeusilicijeva nitrida i sialona moemo opisati preko primjera mesinga i bakra. Kod mesinga atomi

bakra se zamijenjuju atomima cinka i dobiva se vrsta legura, koja ima veu vrstou negoisti bakar. Tako je i kod sialona i silicijeva nitrida, dodavanjem gore spomenutih legirnihelemenata dolazi do poboljavanja svojstava sialona u odnosu na Si3N4.

Najznaajnija svojstva sialona:

- Otpornost na poputanje- Otpornost na visokotemperaturnu koroziju- Visoka tvrdoa- Velika vrstoa

Najee se primjenjiva pri izradi razliitih alatnih otrica. Na sljedeoj slici su prikazaneotrice tokarskih noeva napravljene od sialona.

Slika 13. Otrice tokarskih noeva [8]


16/17

15

5. Zakljuak

Tehnika keramika se zbog svojih izvanrednih svojstava (otpornost na troenje, tvrdoa,otpornost na koroziju, rad na visokom temperaturama) svrstava u najkoritenije materijale za

izradu alata. Zbog tih prednosti tehniku keramiku susreemo na svakom koraku i jasno je datehnika keramika ima znaajnu ulogu u naem svijetu. Tehnika keramika ima jo punoneiskoritenog potencijala. Daljnji razvoj znanosti i tehnike e nas moda jednog dana odvesti

jo naprednijim tehnologijma to e moda omoguiti nove postupke dobivanja keramike ijamiti jo bolja svojstva.


17/17

16

Popis literature

[1] T. Filetin, I. Kramer : Tehnika keramika Prirunik za primjenu,

Hrvatsko drutvo za materijale i tribologiju, Zagreb, 2005.

[2] http://www.porcelain-insulator.com/uploadfile/product

[3]http://www.nskeurope.com

[4]http://www.extec.com/cutting/supplies

[5]http://news.thomasnet.com/fullstory

[6]http://www.ceramtec.com/co/uk/products/spk_cutting_tools

[7]http://www.romaycorp.com/

[8]http://www.ntkcuttingtools.co.uk/NewProducts
http://www.porcelain-insulator.com/uploadfile/producthttp://www.porcelain-insulator.com/uploadfile/producthttp://www.nskeurope.com/http://www.nskeurope.com/http://www.nskeurope.com/http://www.extec.com/cutting/supplieshttp://www.extec.com/cutting/supplieshttp://www.extec.com/cutting/supplieshttp://news.thomasnet.com/fullstoryhttp://news.thomasnet.com/fullstoryhttp://news.thomasnet.com/fullstoryhttp://www.ceramtec.com/co/uk/products/spk_cutting_toolshttp://www.ceramtec.com/co/uk/products/spk_cutting_toolshttp://www.ceramtec.com/co/uk/products/spk_cutting_toolshttp://www.romaycorp.com/http://www.romaycorp.com/http://www.romaycorp.com/http://www.ntkcuttingtools.co.uk/NewProductshttp://www.ntkcuttingtools.co.uk/NewProductshttp://www.ntkcuttingtools.co.uk/NewProductshttp://www.ntkcuttingtools.co.uk/NewProductshttp://www.romaycorp.com/http://www.ceramtec.com/co/uk/products/spk_cutting_toolshttp://news.thomasnet.com/fullstoryhttp://www.extec.com/cutting/supplieshttp://www.nskeurope.com/http://www.porcelain-insulator.com/uploadfile/product

Documents

Keramički alatni materijali