25
COMPOZITE CERAMICE 6.1. Prezentare generală Compozitele ceramice sunt materiale nemetalice, de natură anorganică, greu solubile în apă, obţinute pe cale naturală sau artificială, la temperaturi şi presiuni ridicate. în general, cele mai multe materiale ceramice sunt amorfe, însă cea. 30% din totalul acestora au structură cristalină. După domeniul de utilizare, materialele ceramice pot fi grupate în: - ceramice de uz casnic (oale, vase etc), sanitar (tuburi, rezervoare, conducte, robinete etc.) şi ornamental (farfurii decorative ş.a.); - ceramice pentru construcţii (cărămizi, ţigle, faianţă, conducte etc); - ceramice tehnice (filiere de trefilat, inele de etanşare, duze pentru turboreactoare, galerii pentru evacuarea gazelor fierbinţi, recipiente şi agitatoare pentru chimie etc). 6.2. Compozite ceramice tehnice Din punct de vedere al compoziţiei chimice şi al domeniului de utilizare, ceramicele tehnice pot fi grupate în; - Ceramice silicioase sau vitroceramice – sunt obţinute prin cristalizarea dirijată a sticlelor cu ajutorul unor agenţi de nucleaţie (catalizatori) metalici, halogenuri sau compuşi oxidici. Prin desfăşurarea corespunzătoare a tratamentului termic pot fi modificate microstructura materialului vitroceramic şi implicit, proprietăţile mecanice, termice, optice şi electrice etc.

materiale ceramice

Embed Size (px)

DESCRIPTION

cum se obtin materialele ceramice

Citation preview

COMPOZITE CERAMICE

COMPOZITE CERAMICE

6.1. Prezentare general

Compozitele ceramice sunt materiale nemetalice, de natur anorganic, greu

solubile n ap, obinute pe cale natural sau artificial, la temperaturi i presiuni

ridicate. n general, cele mai multe materiale ceramice sunt amorfe, ns cea. 30%

din totalul acestora au structur cristalin.

Dup domeniul de utilizare, materialele ceramice pot fi grupate n:

- ceramice de uz casnic (oale, vase etc), sanitar (tuburi, rezervoare,

conducte, robinete etc.) i ornamental (farfurii decorative .a.);

- ceramice pentru construcii (crmizi, igle, faian, conducte etc);

- ceramice tehnice (filiere de trefilat, inele de etanare, duze pentru

turboreactoare, galerii pentru evacuarea gazelor fierbini, recipiente i

agitatoare pentru chimie etc).

6.2. Compozite ceramice tehnice

Din punct de vedere al compoziiei chimice i al domeniului de

utilizare, ceramicele tehnice pot fi grupate n;

- Ceramice silicioase sau vitroceramice sunt obinute prin

cristalizarea dirijat a sticlelor cu ajutorul unor ageni de nucleaie (catalizatori)

metalici, halogenuri sau compui oxidici. Prin desfurarea corespunztoare

a tratamentului termic pot fi modificate microstructura materialului

vitroceramic i implicit, proprietile mecanice, termice, optice i electrice etc.

Principalele materiale vitroceramice sunt constituite din elemente chimice de

forma: Li2O-Al2O3-SiO2; Na2-Al2O3-SiO2; MgO-Al2O3-SiO2; K2O-Al2O3-SiO2;

Al2O3-SiO2; MgO-SiO2; PbO-ZnO-B2O3; i vitroceramice din bazalt A12O3-

Fe2O3-FeO-MgO-CaO-SiO2 .a.

- Ceramice nemetalice - sunt caracterizate prin structuri metalografice

complexe, realizabile prin presare la temperaturi mai mari de 1700C i

presiuni mai mari de 14MPa, obinndu-se produse cu densitate de 90-100%.

De asemenea pot fi prelucrate i prin formare la rece, urmat de o sinterizare,

caz n care, gradul de ndesare variaz ntre 70-90%. Principalele materiale

aparinnd acestei categorii de ceramice sunt: nitrura de siliciu, Si3N4, carbura

de siliciu SiC, carbura de siliciu suprasaturat Si2C, carbura de bor B4C,

carbura de zirconiu Zr2C, nitrura cubic de bor CBN .a.

- Ceramice metalice sau cermei - sunt cu structur metalografc

complex, foarte rezisteni la solicitri dinamice, temperaturi ridicate i

coroziune. Materialele specifice aparinnd acestei grupe sunt: cermei de tip

wolfram-cobalt WC-Co, cermei cu mai multe carburi TiC-TaC-WC, cermei

cu alumin AI2O3 i carburi de titan TiC sau nichel NiC, cermei cu alumin i

crom Al2O3-Cr sau cu azot A12O3-N, cu crom-molibden Al2O3-Cr-Mo, cu

crom-wolfram Al2O3-Cr-W, cu siliciur de molibden Al203-MoSi2, sau cu

nitrur de titan Al2O3-TiN .a.

- Ceramice oxidice - cele de forma alumin A12O3 n proporie de 99%: ZrO2,

SnO2, Fe2O3, ZnO, BeO, MgO, TiO2, ThO2, Y2O3, folosite la fabricarea

semiconductorilor pentru termistori i varistori, ceasuri electronice,

dispozitive miniaturizate de imprimat cu cerneal tipografic, micromotoare

de antrenare etc. Tot din aceast categorie fac parte i ceramicele de forma:

MgCr2O4-TiO2, ZnO-Cr2O3, BaTiO3, Pb(TiZr)O4, Al2TiO5, MnFe2O4, Fe3O4,

ZrB2 - cu 20%SiC, MgO-A12O3-SiO2 etc. folosite la fabricarea

semiconductorilor ceramici, supraconductorilor de electricitate etc.

- Ceramice magnetice - constituite din ferite de forma MFe2O4, n care

Fe este trivalent iar metalul M bivalent, reprezentnd Ni, Mn, Mg, Zn, Cu, Co

.a. Tot din aceast categorie fac parte ferita granat de forma R3Fe5Oi2, unde

Fe i R sunt trivalente, R reprezentnd elemente din grupa pmnturilor rare

(Y, La, Ac, Ga, In, Er). Materialele din aceast categorie de ceramice sunt

folosite la fabricarea feritelor pentru memorii magnetice n construcia de

calculatoare electronice de mare capacitate i vitez de reacie. De asemenea

au o larg utilizare la fabricarea de pachete i substraturi de circuite integrate,

condensatori ceramici, detectori de umiditate sau gaze etc.

Compozitele ceramice-tehnice sunt caracterizate pentru proprieti fizicomecanice

superioare celor ale materialelor metalice dure i extradure prin: densitate

redus, de cea. 1/3 din acea a materialelor metalice; duritate cuprins ntre 1500-

2100HV; rezisten la uzur de 2-3 ori mai mare dect aceea a materialelor

metalice; stabilitate dimensional i de form geometric pn la temperaturi de

cca.200C; rezilien cuprins ntre 32-117J/m2; rezisten ridicat la fuaj etc.

Aceste proprieti fizico-mecanice depind att de compoziia chimic a

materialului ceramic, ct i de procedeul i tehnologia de obinere a diferitelor

produse.

Tabelul 6.1. - Caracteristicile fizico-mecanice ale unor materiale ceramice oxidice.

MATERIALE

99,9%

alumin

Beriliu Zirconi

u Mulite Cordierit

e

Ceramice

de litiu

Formula chimic A12O3 BeO ZrO2 3A12O3

2SiO2

2MgO

2A12O3

5SiO2

Li2O

A12O3

SiO2

Densitate (g/cm3) 3,89 2,8-3,0 5,99 2,6 1,8-2,3 1,6

Modulul lui

Young

(xl04kg/mm2)

4 1,7 2,3-5,0

Rezistena la

ncovoiere

(kg/mm2)

55 20-40 30-80 13-14 3,5-

10.5

Rezistena la

compresiune

(kg/mm2)

379 200-

300

38-45 20-68 85

Duritatea

(kg/mm2)

2300 - - - -

Coef. de dilatare

termic (xl0-6

/C)

0,02-17 0 8-11 4,4-4,6 1,3-2,5 0,15

Procent de

absorbie a apei

(%)

0 0

6.3. Factori ce influeneaz sudura grunilor.

Parametrii - temperatura are un rol principal. Modificnd energiile

de activare ale diferitelor fenomene (ex. difuzia la suprafa, la limita

dintre gruni, n mas) se poate favoriza un mecanism precis.

Gazele prezente n timpul procesului se pot adsorbi i modifica

fenomenele de suprafa.

Defectele (lacunele, atomii interstiiali) i impuritile pot modifica vitezele

diverselor tipuri de difuzie. Incluziunile pot inhiba micare limitelor de gruni.

Exemplu: rolul MgO asupra consolidrii pulberii de a-Al2O3 ctre 1700C.

La mai puin de 300 ppm, Mg creeaz lacune n AI2O3 i consolidarea este foarte

rapid. Peste 300 ppm, se formeaz un spinel MgAl2O3 dispersat care blocheaz

micarea limitelor de grunte i inhib consolidarea pulberii.

Unele adaosuri (F adesea) cresc mobilitatea suprafeei iar alii foarte

numeroi (F, alcalinii, etc.) provoac formarea unei cantiti mici de faz lichid

ce permite consolidarea pulberii dup alte mecanisme (depunere-disoluie).

Presiunea exercitat n timpul arderii (consolidrii pulberii) poate avea un

efect foarte benefic.

Din mai multe motive, cei mai importani parametri sunt:

- mrimea grunilor din pulberea de plecare (mrimea mic i

identic este de dorit);

- forma grunilor (sferic);

- aranjarea regulat a grunilor n pulbere;

- dispunerea regulat i omogen a grunilor de naturi diferite;

- tasarea regulat.

Din acest punct de vedere se acord importan defectelor de

consolidare n scopul suprimrii lor.

6.4. Domenii de utilizare a compozitelor ceramice

Datorit proprietilor mecanice i fizice deosebite pe care le au,

compozitele ceramice au o larg utilizare, dup cum urmeaz:

- ta industria de construcii civile, materialele ceramice organice sunt

folosite sub form de igl, crmid, faian, gresie, conducte i obiecte

pentru instalaii sanitare, vesel i vase de buctrie etc.

n construcia de maini, materialele ceramice au o larg utilizare n

domeniul fabricrii sculelor achietoare sub form de plcue de aliaje

sinterizate ca: Al2O3+ZrO2; Al2O3+TiC; Al2O3+Si4N3; Si4N3+ZrO2; Si3N4+TiN;

Si3N4+SiC, sau sub form de strat de armare ori placare a zonelor active ale

burghielor, frezelor, tarozilor, discurilor abrazive etc. Aceast categorie de

scule se caracterizeaz prin rezistene ridicate la uzare i temperaturi pn la

2000C, duritatea variind ntre 1500 i 2100HV. Sculele astfel obinute pot fi

utilizate la achierea metalelor cu viteze cuprinse ntre 150 i 500 m/min i

temperaturi de 1000-1500C. De asemenea, materialele ceramice de tip AI2O3, ZrO2 i

Si3N4 sunt folosite ia realizarea rulmenilor cu bile, filtrelor de trefilat, conductelor i

elementelor constructive ale pompelor care lucreaz n medii corosive.

Inelele i bilele de rulmeni, executate din Al2O3+Si3N4 pot lucra fr ungere

pn la temperatura de 800C, motiv pentru care rulmenii de acest tip sunt folosii

cu precdere n construcia de motoare turboreactoare. Ceramica de tip nitrur

cubic de bor CBN posed caliti excepionale de duritate i este utilizat la

confecionarea discurilor abrazive, alturi de cele de diamant.

Ceramicele de tip carbur de bor B4C sunt utilizate la executarea duzelor

pentru instalaii de debitat cu jet de ap i pulbere abraziv n suspensie precum

i la extrudarea unor repere folosite n instalaiile chimice care lucreaz n medii

puternic oxidante. Carbura de bor B4C este utilizat n mod deosebit, n instalaiile

nucleare ca elemente de reglare a reaciilor neutronice ale lentilelor termonucleare.

- n construcia de automobile, materialele ceramice de tipul oxidului

de aluminiu AI2O3 sau de zirconiu ZrO2 sunt utilizate la executarea corpului

bujiilor i respectiv, la placarea prghiilor basculante, iar cele de tip nitrur

de siliciu Si3N4 se folosesc la executarea electrozilor bujiilor. Ceramicele de tip

titanat de aluminiu Al2TiO? sunt folosite la realizarea de cilindri, pistoane i

segmeni, precum i la executarea galeriei de evacuare a gazelor. Deoarece

densitatea titanatului de aluminiu este egal cu 1/3 din densitatea oelului, iar

comportarea sa la temperaturi nalte, uzur i coroziune este excelent, acesta

este folosit la executarea cptuelilor termoizolante i a rotoarelor de turbine.

- n industria chimic, ceramicele de tip nitrur de siliciu Si3N4,

carbur de siliciu SiC, dioxidul de zirconiu Tx-iOi sunt folosite pentru

executarea de instalaii chimice i armturi care lucreaz n condiii chimice

agresive (oxidante) i temperaturi ridicate. Ceramica de tip SiC este folosit n

construcia de lagre i ghidaje, precum i la realizarea segmenilor de

etanare ale pompelor chimice, iar cea de tip ZrO2, la realizarea lagrelor i

elementelor constructive ale ventilelor instalaiilor chimice care lucreaz n

mediu puternic corosiv.

- n domeniul medicinei, ceramica de tip AI2O3 este folosit la

confecionarea de proteze dentare i articulaii sferice femurale i la

implantarea altor organe funcionale ale corpului uman (valve cardiace, zone

osoase etc).

6.5. Tehnologii de formare a produselor ceramice

Datorit prelucrabilitii reduse, produsele din compozite ceramice trebuie

executate n limitele unor precizii dimensionale, abateri de form geometric i

calitate a suprafeelor astfel nct s se evite folosirea prelucrrilor mecanice

ulterioare.

Spre deosebire de piesele din fonte sau oeluri, n cazul prelucrrii

produselor din compozite ceramice trebuie s se aib n vedere c: materialele

ceramice sunt casante i predispuse la ruperi fragile sub aciunea solicitrilor

mecanice prin oc; sunt caracterizate prin valori reduse ale rezistenei la ncovoiere,

n raport cu cele de compresiune; dispersia caracteristicilor la solicitri mecanice

depinde n mod direct de particularitile materialului ceramic, felul procedeului i a

tehnologiei de obinere, precum i de compoziia iniial a materialului de baz.

Formarea manual - prezint un interes sczut pentru scopuri tehnice n

raport cu celelalte metode de formare a produselor din ceramic.

Formarea prin rulare- a produselor din ceramic este folosit pe scar larg

la fabricarea obiectelor cu suprafee de revoluie. Procedeul permite realizarea unor

produse de tip farfurie, vaz, castron etc. i este specific industriei porelanului i

olritului. Etapele procedeului de prelucrare constau n prepararea amestecului,

dozarea i plastifierea acestuia, modelarea cu ajutorul unui ablon a crui

configuraie reprezint negativul geometriei produsului de executat i tratarea

termic (arderea).

Formarea prin laminare - se folosete n cazul fabricrii profilelor, tablelor,

barelor, plcilor etc. din ceramic, folosindu-se n acest scopinstalaii specifice de

dozare, amestecare, laminare i tratare termic a produselor laminate.

Formarea prin presare direct umed (crud ori verde) - se

caracterizeaz prin faptul c amestecul ceramic de formare conine pn la 8-12%

ap, iar presiunea de formare variaz ntre l-20MPa. Dac ns amestecul

respectiv nu depete 8% coninutul de ap (umiditate), presarea este directuscat.

n acest caz, presiunea de formare n matri trebuie s depeasc 30MPa.

Prin formarea direct (umed sau uscat) pot fi realizate produse cu configuraii

complicate i precise dimensional.

Indiferent de gradul de umiditate al amestecului ceramic, datorit frecrii

acestuia cu pereii cavitii cuibului de formare al matriei, presiunea de formare

variaz de-a lungul nlimii produsului i odat cu aceasta a gradului de

compactare a produsului format.

n cazul produselor sub form de buce (fig. 6.1.), pentru ca acestea s fie de

calitate, se impune ca raportul dintre lungimea L i grosimea g=(D-d)/2 s

ndeplineasc condiiile: L