Spieki i ceramika, kompozyty

  • View
    213

  • Download
    0

Embed Size (px)

Transcript

  • Politechnika dzka

    Wydzia Mechaniczny

    Instytut Inynierii Materiaowej

    LABORATORIUM

    NAUKI O MATERIAACH

    wiczenie nr 10

    Temat: Spieki i ceramika, kompozyty

    d 2010

  • 1. Wstp teoretyczny

    1.1. Materiay spiekane

    Stosowane dotychczas w technice materiay wytwarzane s drog stapiania

    skadnikw, a metody ich otrzymywania wywodz si ze stanu pynnego. Wiadomo jednak,

    e nie wszystkie skadniki wykazuj wzajemn rozpuszczalno w fazie ciekej lub z uwagi

    na wysokie temperatury topienia doprowadzenie ich do startu pynnego byoby technicznie

    bardzo trudne.

    Metoda wytwarzania materiaw technicznych, w ktrych nie przechodzi si przez stan

    pynny nazywana jest metalurgi proszkw. Zaletami tej technologii s:

    ekonomiczno produkcji masowej,

    praktycznie bezodpadowo produkcji,

    moliwo bardzo szerokiego modyfikowania wyrobw,

    moliwo tworzenia materiaw kompozytowych.

    Materiaami wyjciowymi w metalurgii proszkw s proszki metali, metaloidw lub

    ich zwizkw, ktre podlegaj nastpujcym operacjom:

    przygotowanie proszkw,

    zagszczanie (np. prasowanie matrycowe),

    spiekanie,

    kalibrowanie.

    Proszki metali wytwarza si jedn z nastpujcych metod:

    a) rozpylania ciekego metalu spronym powietrzem (RZ),

    b) rozpylania wirujc tarcz z opatkami (BPG),

    c) rozpylania strumieniem wody,

    d) elektrolityczn,

    e) rozdrabniania mechanicznego "Hametag",

    f) karbonylkow.

    Tak przygotowane proszki miesza si z substancjami nadajcymi od powidnie cechy

    podczas prasowania, ktre przeprowadza si na prasach 10 3000 t umieszczajc materia

    w matrycach. Spiekanie polega na wyarzaniu sprasowanych czci w atmosferze ochronnej

    z udziaem lub bez fazy ciekej. Podczas spiekania zachodz procesy dyfuzyjne oraz procesy

    pynicia wiskozyjnego prowadzce do ujednolicenia materiau. Tak wykonane spieki

  • wykacza si mechanicznie - stosujc przetaczanie wykaczajce lub obrbk skrawaniem.

    Spieki mona poddawa rwnie w zalenoci od ich przeznaczenia nasycaniu

    niemetalami (siarka, ywica epoksydowe, fenolowe, teflon), obrbce galwanicznej lub

    obrbce dyfuzyjnej, chromowaniu, nawalaniu, aluminiowaniu.

    Spieki moemy podzieli na:

    a) spieki wglikw na narzdzia do obrbki mechanicznej,

    b) spieki metali trudnotopliwych,

    c) spieki porowate na oyska porowata lub uszczelnienia,

    d) spieki magnetyczne i na styki w elektrotechnice,

    e) cermetale jako konstrukcyjny materia aroodporny lub cierny,

    f) na wyroby zastosowania masowego.

    Najbardziej typowe materiay narzdziowe z grupy tworzyw spiekanych stanowi wgliki

    spiekane.

    Wgliki spiekane - materiay nie podlegajce obrbce cieplnej, ani plastycznej

    Charakteryzuj si wysok twardoci w wysokich temperaturach, odpornoci na cieranie

    i znaczne kruchoci.

    Gwnym skadnikiem wglikw spiekanych jest WC. Gatunki zawierajce WC+Co

    su do obrbki eliwa, metali nieelaznych, mas plastycznych, materiaw ceramicznych,

    wgla i szka.

    Do obrbki stali stosuje si gatunki wglikw zawierajce TiC, co ok. 20-krotnie

    zmniejsza skonno do zgrzewania si z materiaem obrobionym.

    Dodatek TaC powoduje zmniejszenie skonnoci do erozji, a ponadto powoduje

    wzrost twardoci w wysokich temperaturach i wytrzymaoci na zginanie.

    Wgliki spiekane wykorzystywane s do produkcji:

    - nakadek narzdzi w obrbce wirowej (w postaci wymiennych pytek),

    - ostrzy widrw i narzdzi grniczych,

    - narzdzi do obrbki plastycznej.

  • 1.2. Tworzywa ceramiczne

    Ceramika jest to nieorganiczny materia o jonowych i kowalencyjnych wizaniach

    atomw. W chwili obecnej okrelenie ceramika obejmuje: ceramik klasyczn (opart na

    glino-krzemach), bardzo czyste i silnie zagszczona jednoskadnikowe ukady tlenkw,

    wglikw, azotkw i cermetale.

    Struktury krystaliczne ceramik s liczne i rnorodne. Zmieniaj si one od zakresu

    szeciennej struktury MgO poprzez warstwow struktur miki do wstgowej struktury azbestu

    amfibolowego. Struktury te wykazuj nisk symetri, co moe powodowa zjawisko

    piezoelektrycznoci, powstawania adunkw statycznych przy odksztaceniach sprystych

    (np. kwarc).

    Wasnoci mechaniczne materiaw ceramicznych charakteryzuje brak plastycznoci,

    dua twardo, sztywno i dobra wytrzymao na ciskanie. Wytrzymao na rozciganie

    jest maa na skutek oddziaywania mikropkni.

    1.2.1 Ceramika klasyczna

    Klasyczne odmiany ceramiki produkowane s z trzech skadnikw: gliny, krzemionki,

    skalenia. Glina skada si gwnie ze zoonych pocze Al2O3, SiO2, i H2O i dziki niej

    jest moliwa obrbka plastyczna przed wypaleniem. Krzemionka jest krystaliczn odmian

    SiO2, zwan take kwarcem. Jest to tani skadnik ogniotrway. Skale potasowy zawiera

    K2O, Al2O3 i SiO2. Jest to skadnik niskotopliwy, ktry podczas wypalania tworzy szko

    i wie krystalicznie skadniki ogniotrwaa

    1.2.2 Ceramika nowoczesna

    Termin ten ograniczony jest tutaj do opisania prostych zwizkw, takich jak: tlenki, wgliki

    i azotki, ktre s obecnie wytwarzane w czystym stanie krystalicznym o bardzo maej lub

    zerowej porowatoci. W przeciwiestwie od ceramiki tradycyjnej nowa ceramika wymaga

    bardzo cisej kontroli jakoci, w celu uzyskania cile okrelanego produktu. Proces

    wytwarzania tej ceramiki polega typowo na spiekaniu lub prasowaniu na gorco suchych

    proszkw. Przykadami nowej ceramiki s: tlenek berylu i tlenek uranu, stosowane

  • w reaktorach atomowych, wglik boru najtwardszy ze znanych materiaw, stosowany na

    lekkie pyty pancerne i na oyska gazowe; wglik krzemu, stosowany od dawna na elementy

    grzejne, materiay ogniotrwae i cierne, azotek krzemu, stosowany na dowiadczalne opatki

    turbin gazowych i oyska; tytanian baru, charakteryzujcy si sta dielektryczny powyej

    1000, albo jego modyfikacje, ktre maj stae dielektryczne dochodzce do 10000

    1.3 Materiay kompozytowe

    Wymagania stawiane materiaom przez nowoczesn, stale rozwijajc si technik, nie mog

    by ju w wielu przypadkach zaspokajane przez istniejce tradycyjne materiay

    konstrukcyjne, nawet po zastosowaniu do nich wielu zabiegw ulepszajcych, podnoszcych

    ich wasnoci mechaniczne. Ostatnie lata przyniosy wic rozwj nowej grupy materiaw,

    zwanych materiaami kompozytowymi, ktre powszechnie uwaa si za materiay

    przyszoci, tzn. takie, ktre s w stanie sprosta wysokim wymaganiom techniki.

    Podstawow zalet materiaw zoonych jest fakt, e s one lejsze, sztywniejsze i bardziej

    wytrzymae od jakichkolwiek produkowanych uprzednio. Moliwo czenia ze sob

    materiaw o bardzo zrnicowanych charakterystykach mechanicznych i rnorodnych

    formach geometrycznych stwarza olbrzymie moliwoci w dziedzinie projektowania

    i tworzenia, nowych materiaw o ciekawych, okrelonych z gry wasnociach.

    Okrelenie i podzia materiaw kompozytowych

    W szerokim pojciu praktycznym wikszo materiaw wspczesnych stanowi

    kompozycje, poniewa materiay w czystej postaci znajduj zastosowanie stosunkowo bardzo

    rzadko.

    Przyjmuje si pod okreleniem kompozyty rozumie tylko te materiay, ktre speniaj

    nastpujce warunki:

    1. kompozycja materiaowa zostaa stworzona sztucznie,

    2. kompozycja musi skada si co najmniej dwch chemicznie rnych materiaw

    o okrelonej granicy rozdziau,

    3. komponenty charakteryzuj kompozycj swoimi udziaami objtociowymi,

    4. kompozycja charakteryzuje si takimi wasnociami, jakich nie posiadaj

    komponenty osobno.

    Ta ostatnia cecha kompozycji jest szczeglnie interesujca z punktu widzenia

  • inynierii materiaowej, poniewa stwarza moliwo projektowania materiaw

    konstrukcyjnych o okrelonych wasnociach mechanicznych na drodze odpowiedniego

    doboru komponentw;

    Materiay kompozytowe speniajce wymienione cztery warunki mona podzieli na

    trzy podstawowe grupy:

    1. umacniane dyspersyjnie,

    2. umacniane czstkami,

    3. umacniane wknami cigymi lub niecigymi (dyskretnymi).

    Podzia ten znajduje odbicie w mikrostrukturze materiaw wzmacnianych lub oglnie

    mwic - kompozytowych. Materiay umacniane dyspersyjnie posiadaj osnow z prostego

    ok.15%. Jeeli rozmiary czstek umacniajcych przewyszaj 1,0 m, a ich koncentracja

    przewysza w przyblieniu 25% udziau objtociowego, to tego rodzaju umocnienie zalicza

    si ju na og do umocnienia czsteczkami. Wielko fazy zbrojcej w materiaach

    zbrojonych wknami, wyraona w procentowym udziale objtociowym, waha si

    w granicach od kilku procent do ok. 70% i wicej, a rednice wkna. zmieniaj si od

    mikrometra, do dziesitek i setek mikrometrw. Osobliwo mikrostruktury tych materiaw

    polega na tym:, e jeden z wymiarw fazy zbrojcej jest bardzo duy. Efektywno

    umocnienia materiau wyrazi mona tzw. wspczynnikiem umocnienia KU, ktry

    okrelany jest stosunkiem naprenia na granic plastycznoci materiau kompozytowego do

    naprenia na granicy plastycznoci osnowy:

    Zaleno pomidzy wspczynnikiem umocnienia i wielkociami czstek

    wzmacniajcych, wzgldnie stosunkiem dugoci wkna do jego rednicy, obrazuj wykresy

    przedstawione na rysunku. 1. Wykresy te opracowano na podstawie danych zarwno

    eksperymentalnych, jak rwnie, oblicze teoretycznych zakadajc, e materia obciany

    by rwnolegle do kierunku wkien zbrojcych.

  • Jak wida z rysunku. 1. dla materiaw umocnionych czstkami o wymiarach zmieniajcych

    si w granicach od ok. 10-3

    do 1m, wspczynnik umocnienia KU zmienia si w granicach

    30 3. Wraz ze wzrostem rednicy czstek warto wspczynnika umocnienia KU

    nieprzerwanie male