TWORZYWA
TWORZYWA
NIEMETALO
NIEMETALO
WE
WE
TWORZYWA
TWORZYWA
NIEMETALO
NIEMETALO
WE
WE
Specjalne materiały ceramiczne są wytwarzane
z otrzymywanych syntetycznie tlenków (gł. glinu,
cyrkonu), azotków (np. krzemu, boru, tytanu, glinu),
węglików. Proszki tych związków zagęszcza się i spieka w
wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem. Tak
uzyskane materiały odgrywają wielką rolę w technice,
m.in. jako warstwy (np. z węglików spiekanych lub
diamentowe, nakładane na rdzenie metalowe w celu
zwiększenia ich stabilności termicznej, odporności na
zużycie
i korozję), jako materiały ścierne, jako materiały do
wytwarzania biokompatybilnych implantów (np. z tlenku
glinu, Al
2
O
3
, lub hydroksyapatytu, Ca
10
(PO
4
)
6
(OH)
2
).
Materiały ceramiczne są też stosowane jako
napełniacze (nazywane niekiedy wypełniaczami); są to:
proszki ceramiczne (krzemionka, glinokrzemiany, węglany
wapnia i magnezu, sadze, grafit) dodawane w dużych
ilościach do elastomerów w celu obniżenia kosztów
wytwarzania wyrobów lub nadania im korzystnych
właściwości. W technice zapisu i odtwarzania informacji
istotne znaczenie mają materiały ceramiczne o
właściwościach magnetycznych, np. tlenek żelaza,
chromu, ferryt barowy.
Specjalne materiały ceramiczne o właściwościach
piezoelektrycznych (cyrkonian i tytanian ołowiu),
ferroelektrycznych, również reagujące zmianami
właściwości optycznych na fluktuacje pola elektrycznego,
elektrostrykcyjnych znajdują zastosowanie jako czujniki
(sensory), przekaźniki i podzespoły w wielu układach
elektronicznych.
SPIEKI CERAMICZNE
SPIEKI CERAMICZNE
Spiek
Spiek
- półwyrób lub wyrób gotowy otrzymany z
- półwyrób lub wyrób gotowy otrzymany z
proszków przez spiekanie (metalurgia proszków).
proszków przez spiekanie (metalurgia proszków).
Zależnie od doboru składników rozróżnia się:
Zależnie od doboru składników rozróżnia się:
- spieki proste, jednoskładnikowe
- spieki proste, jednoskładnikowe
- spieki złożone, wielofazowe.
- spieki złożone, wielofazowe.
Do najważniejszych spieków złożonych zalicza się:
Do najważniejszych spieków złożonych zalicza się:
pseudostopy,
pseudostopy,
spieki ceramiczno-metalowe,
spieki ceramiczno-metalowe,
spieki grafitowo-metalowe (łączące własności grafitu z
spieki grafitowo-metalowe (łączące własności grafitu z
własnościami metalu, którym bywa najczęściej miedź,
własnościami metalu, którym bywa najczęściej miedź,
żelazo lub brąz)
żelazo lub brąz)
spieki diamentowo-metalowe
spieki diamentowo-metalowe
Spiekami ceramicznymi
Spiekami ceramicznymi
nazywa się wyroby lub
nazywa się wyroby lub
półwyroby wytwarzane ze spiekanych tlenków, siarczków,
półwyroby wytwarzane ze spiekanych tlenków, siarczków,
węglików, azotków, borków, krzemków itd. z
węglików, azotków, borków, krzemków itd. z
ewentualnymi dodatkami ułatwiającymi proces
ewentualnymi dodatkami ułatwiającymi proces
formowania. Zależnie od doboru składników rozróżnia się
formowania. Zależnie od doboru składników rozróżnia się
spieki proste, jednoskładnikowe (np. tlenkowe, azotkowe,
spieki proste, jednoskładnikowe (np. tlenkowe, azotkowe,
borkowe) i spieki złożone, wielofazowe (np. tlenkowo-
borkowe) i spieki złożone, wielofazowe (np. tlenkowo-
węglikowe). Wśród tych ostatnich wyróżnia się grupę
węglikowe). Wśród tych ostatnich wyróżnia się grupę
spieków ceramiczno-metalowych (tzw. cermetów),
spieków ceramiczno-metalowych (tzw. cermetów),
zawierających składniki metalowe i ceramiczne
zawierających składniki metalowe i ceramiczne
.
.
Spieki ceramiczne cechuje brak jednorodności
Spieki ceramiczne cechuje brak jednorodności
fizycznej oraz porowatość, zależna od rodzaju materiału i
fizycznej oraz porowatość, zależna od rodzaju materiału i
stopnia spieczenia. Zwykle charakteryzują się one wysoką
stopnia spieczenia. Zwykle charakteryzują się one wysoką
temperaturą topnienia, dużą twardością, dużą
temperaturą topnienia, dużą twardością, dużą
odpornością na korozyjne
odpornością na korozyjne
i erozyjne działania gazów o wysokich temperaturach,
i erozyjne działania gazów o wysokich temperaturach,
dużą wytrzymałością na ściskanie i kruchością. Znajdują
dużą wytrzymałością na ściskanie i kruchością. Znajdują
coraz szersze zastosowanie jako tworzywa na ogniotrwały
coraz szersze zastosowanie jako tworzywa na ogniotrwały
sprzęt laboratoryjny, na tygle do topienia metali,
sprzęt laboratoryjny, na tygle do topienia metali,
elementy grzejne, świece do silników spalinowych, części
elementy grzejne, świece do silników spalinowych, części
silników lotniczych i rakiet, części turbin gazowych, a
silników lotniczych i rakiet, części turbin gazowych, a
także na elementy konstrukcyjne.
także na elementy konstrukcyjne.
W przemyśle lotniczym, jak dotąd, najczęściej
W przemyśle lotniczym, jak dotąd, najczęściej
wykorzystuje się tlenkowe spieki ceramiczne, zwłaszcza z
wykorzystuje się tlenkowe spieki ceramiczne, zwłaszcza z
tlenku aluminium.
tlenku aluminium.
Te ostatnie często nazywa się spiekami korundowymi.
Te ostatnie często nazywa się spiekami korundowymi.
SPIEKANY TLENEK ALUMINIUM
SPIEKANY TLENEK ALUMINIUM
Spieki kordundowe zalicza
Spieki kordundowe zalicza
,
,
się do spieków
się do spieków
wysokoogniotrwałych (temperatura topnienia Al
wysokoogniotrwałych (temperatura topnienia Al
2
2
O
O
3
3
wynosi 2050°C).
wynosi 2050°C).
Ich gęstość waha się w granicach
Ich gęstość waha się w granicach
ciepło właściwe w zakresie temperatur
ciepło właściwe w zakresie temperatur
opór właściwy w temperaturze otoczenia
opór właściwy w temperaturze otoczenia
Własności wytrzymałościowe spieczonego tlenku
Własności wytrzymałościowe spieczonego tlenku
aluminium zależą od wielu czynników fizycznych,
aluminium zależą od wielu czynników fizycznych,
chemicznych i technologicznych. Na przykład wpływ na te
chemicznych i technologicznych. Na przykład wpływ na te
własności wywiera stopień rozdrobnienia surowców
własności wywiera stopień rozdrobnienia surowców
wyjściowych. Orientacyjną wytrzymałość na rozciąganie i
wyjściowych. Orientacyjną wytrzymałość na rozciąganie i
ściskanie spieków korundowych
ściskanie spieków korundowych
w funkcji temperatury pokazano na kolejnym slajdzie
w funkcji temperatury pokazano na kolejnym slajdzie
3
95
,
3
75
,
3
cm
g
C
g
J
C
0
0
09
,
1
900
20
m
m
17
10
1
Rys.1. Wpływ temperatury na wytrzymałość spiekanego tlenku aluminium:
a) na rozciąganie,
b) na ściskanie
Jak widać, spieki korundowe cechuje wysoka
Jak widać, spieki korundowe cechuje wysoka
twardość i stosunkowo wysoka wytrzymałość, również w
twardość i stosunkowo wysoka wytrzymałość, również w
temperaturach podwyższonych. Jednocześnie są one
temperaturach podwyższonych. Jednocześnie są one
bardzo odporne na korozyjne i erozyjne działanie
bardzo odporne na korozyjne i erozyjne działanie
rozpalonych gazów, wykazują ponadto dobre własności
rozpalonych gazów, wykazują ponadto dobre własności
dielektryczne. Stąd ich przydatność w budowie samolotów
dielektryczne. Stąd ich przydatność w budowie samolotów
i rakiet, m.in. na dysze wylotowe silników odrzutowych,
i rakiet, m.in. na dysze wylotowe silników odrzutowych,
głowice rakiet i pocisków kierowanych, osłony anten
głowice rakiet i pocisków kierowanych, osłony anten
radiolokacyjnych itd. Stosowane są również jako ochronne
radiolokacyjnych itd. Stosowane są również jako ochronne
powłoki ogniotrwałe, którymi pokrywa się powierzchnie
powłoki ogniotrwałe, którymi pokrywa się powierzchnie
elementów wykonanych z metali (np. stopów molibdenu,
elementów wykonanych z metali (np. stopów molibdenu,
tantalu, stali nierdzewnych) lub grafitu. W tej postaci są
tantalu, stali nierdzewnych) lub grafitu. W tej postaci są
używane m.in. do pokrywania łopatek turbin gazowych, a
używane m.in. do pokrywania łopatek turbin gazowych, a
także części aparatury wysokotemperaturowej. Grubość
także części aparatury wysokotemperaturowej. Grubość
powłok wynosi 0,125 - 2,50 mm, porowatość 1-16%, w
powłok wynosi 0,125 - 2,50 mm, porowatość 1-16%, w
zależności od sposobu nanoszenia
zależności od sposobu nanoszenia
Spieki korundowe są szeroko stosowane również na
Spieki korundowe są szeroko stosowane również na
izolatory świec zapłonowych silników wewnętrznego
izolatory świec zapłonowych silników wewnętrznego
spalania (iskrowych). Izolatory te muszą wykazywać
spalania (iskrowych). Izolatory te muszą wykazywać
odporność na działanie wysokich temperatur i ich
odporność na działanie wysokich temperatur i ich
gwałtowne zmiany, dużą przewodność cieplną i
gwałtowne zmiany, dużą przewodność cieplną i
odporność na działanie czynników chemicznych, a
odporność na działanie czynników chemicznych, a
ponadto gazoszczelność i odporność na przebicie
ponadto gazoszczelność i odporność na przebicie
elektryczne, czyli te własności, które charakteryzują
elektryczne, czyli te własności, które charakteryzują
spieczony tlenek aluminium.
spieczony tlenek aluminium.
Izolatory lotniczych świec zapłonowych produkowane
Izolatory lotniczych świec zapłonowych produkowane
przez różne firmy zawierają 87-98 % Al
przez różne firmy zawierają 87-98 % Al
2
2
O
O
3
3
oraz określone
oraz określone
ilości takich tlenków, jak SiO
ilości takich tlenków, jak SiO
2
2
, Fe
, Fe
2
2
O
O
3
3
, CaO, MgO i in.
, CaO, MgO i in.
Trzeba jednak podkreślić, że w miarę zmniejszania
Trzeba jednak podkreślić, że w miarę zmniejszania
zawartości tlenku aluminium następuje wyraźne
zawartości tlenku aluminium następuje wyraźne
pogorszenie niektórych własności użytkowych świec.
pogorszenie niektórych własności użytkowych świec.
SPIEKANY TLENEK BERYLU
SPIEKANY TLENEK BERYLU
Drugą grupę tlenkowych spieków ceramicznych, mających
Drugą grupę tlenkowych spieków ceramicznych, mających
zastosowanie w przemyśle lotniczym, stanowi spiekany tlenek
zastosowanie w przemyśle lotniczym, stanowi spiekany tlenek
berylu. Charakteryzuje się on temperaturą topnienia ok. 2550°C
berylu. Charakteryzuje się on temperaturą topnienia ok. 2550°C
i gęstością 3,025 g/cm
i gęstością 3,025 g/cm
3
3
. Natomiast gęstość spiekanych
. Natomiast gęstość spiekanych
kształtek waha się od 2,70 do 2,95 g/cm
kształtek waha się od 2,70 do 2,95 g/cm
3
3
, gdyż obok porów
, gdyż obok porów
typowych dla wyrobów spiekanych występuje w nich znaczna
typowych dla wyrobów spiekanych występuje w nich znaczna
porowatość wewnątrzkrystaliczna. Pory te nie łączą się jednak
porowatość wewnątrzkrystaliczna. Pory te nie łączą się jednak
ze sobą, dzięki czemu spieki berylowe są cieczo- i gazoszczelne
ze sobą, dzięki czemu spieki berylowe są cieczo- i gazoszczelne
(również w wysokich temperaturach). Przewodność cieplna
(również w wysokich temperaturach). Przewodność cieplna
spieków berylowych jest znacznie wyższa od przewodności
spieków berylowych jest znacznie wyższa od przewodności
cieplnej innych spieków tlenkowych. Ponadto spieki te cechuje
cieplnej innych spieków tlenkowych. Ponadto spieki te cechuje
duże ciepło właściwe i mały współczynnik rozszerzalności
duże ciepło właściwe i mały współczynnik rozszerzalności
cieplnej, co powoduje, że są one bardzo odporne na
cieplnej, co powoduje, że są one bardzo odporne na
gwałtowne zmiany temperatury (najbardziej ze wszystkich
gwałtowne zmiany temperatury (najbardziej ze wszystkich
spieków ceramicznych). Wykazują także dobrą odporność
spieków ceramicznych). Wykazują także dobrą odporność
chemiczną i dobrze się łączą z różnymi
chemiczną i dobrze się łączą z różnymi
metalami.Wytrzymałość na rozciąganie ok. 100, wytrzymałość
metalami.Wytrzymałość na rozciąganie ok. 100, wytrzymałość
na ściskanie ok. 800 MPa. Trzeba jednak pamiętać, że własności
na ściskanie ok. 800 MPa. Trzeba jednak pamiętać, że własności
mechaniczne w dużym stopniu zależą od gęstości spieku.
mechaniczne w dużym stopniu zależą od gęstości spieku.
Rys.2. Wpływ temperatury na wytrzymałość spiekanego tlenku berylu:
a) na rozciąganie,b) na ściskanie
Omówione własności spieczonego tlenku berylu są
Omówione własności spieczonego tlenku berylu są
przyczyną dużego zainteresowania konstruktorów. W
przyczyną dużego zainteresowania konstruktorów. W
ostatnich latach spieki berylowe zaczęto z powodzeniem
ostatnich latach spieki berylowe zaczęto z powodzeniem
stosować m.in. na elementy silników lotniczych oraz
stosować m.in. na elementy silników lotniczych oraz
głowice rakiet i pocisków kierowanych. Wytwarza się z
głowice rakiet i pocisków kierowanych. Wytwarza się z
nich również ochronne powłoki ogniotrwałe o porowatości
nich również ochronne powłoki ogniotrwałe o porowatości
do 78% i temperaturze stosowania do 1750°C, mające
do 78% i temperaturze stosowania do 1750°C, mające
zastosowanie w komorach spalania silników rakietowych
zastosowanie w komorach spalania silników rakietowych
oraz jako ekrany cieplne. Ze spieków berylowych
oraz jako ekrany cieplne. Ze spieków berylowych
wytwarza się także tygle do topienia metali. Stanowią one
wytwarza się także tygle do topienia metali. Stanowią one
poza tym cenne tworzywo do budowy aparatury jądrowej,
poza tym cenne tworzywo do budowy aparatury jądrowej,
dzięki niskiej wartości krytycznego przekroju czynnego
dzięki niskiej wartości krytycznego przekroju czynnego
pochłaniania neutronów.
pochłaniania neutronów.
INNE TLENKI SPIEKOWE
INNE TLENKI SPIEKOWE
Oprócz omówionych spieków korundowych i
Oprócz omówionych spieków korundowych i
berylowych,
berylowych,
w budowie samolotów i rakiet znajdują określone
w budowie samolotów i rakiet znajdują określone
zastosowanie również inne tlenki wysokoogniotrwałe, np.
zastosowanie również inne tlenki wysokoogniotrwałe, np.
MgO, ZrO
MgO, ZrO
2
2
, ThO
, ThO
2
2
, TiO
, TiO
2
2
, ich mieszaniny, a także złożone
, ich mieszaniny, a także złożone
minerały tlenkowe, jak ZrSiO
minerały tlenkowe, jak ZrSiO
4
4
czy MoSiO
czy MoSiO
4
4
. Wykorzystuje
. Wykorzystuje
się je przede wszystkim do wytwarzania cienko- i
się je przede wszystkim do wytwarzania cienko- i
grubościennych powłok chroniących metalowe części
grubościennych powłok chroniących metalowe części
silników, rakiet i pocisków przed działaniem wysokich
silników, rakiet i pocisków przed działaniem wysokich
temperatur, korozji i erozji. Badane są możliwości
temperatur, korozji i erozji. Badane są możliwości
wykonywania z nich łopatek turbin
wykonywania z nich łopatek turbin
.
.
Na osobną uwagę zasługuje tzw. ceramika litowa,
Na osobną uwagę zasługuje tzw. ceramika litowa,
charakteryzująca się b. małą rozszerzalnością cieplną, a nawet
charakteryzująca się b. małą rozszerzalnością cieplną, a nawet
w określonych zakresach temperatury — ujemną
w określonych zakresach temperatury — ujemną
rozszerzalnością. Składa się ona z LiO
rozszerzalnością. Składa się ona z LiO
9
9
, Al
, Al
2
2
O
O
3
3
i SiO
i SiO
2
2
zmieszanych w różnych stosunkach. Ceramika litowa,
zmieszanych w różnych stosunkach. Ceramika litowa,
odznaczająca się szczególną odpornością na zmęczenie
odznaczająca się szczególną odpornością na zmęczenie
cieplne, znajduje zastosowanie na łopatki turbin i wykładziny
cieplne, znajduje zastosowanie na łopatki turbin i wykładziny
dysz silników odrzutowych. Produkowane są z niej także wyroby
dysz silników odrzutowych. Produkowane są z niej także wyroby
ognioodporne do celów technicznych, osłony termopar, części
ognioodporne do celów technicznych, osłony termopar, części
termostatów itd.
termostatów itd.
Cennymi własnościami użytkowymi charakteryzuje się
Cennymi własnościami użytkowymi charakteryzuje się
ceramika kwarcowa, tworzywo otrzymywane ze szkła
ceramika kwarcowa, tworzywo otrzymywane ze szkła
kwarcowego metodami technologii ceramicznej, zawierające
kwarcowego metodami technologii ceramicznej, zawierające
99,5+99,9%
99,5+99,9%
SiO
SiO
2
2
. Główne jej cechy to mały współczynnik
. Główne jej cechy to mały współczynnik
rozszerzalności cieplnej, małe przewodnictwo cieplne, wysoka
rozszerzalności cieplnej, małe przewodnictwo cieplne, wysoka
odporność chemiczna i cieplna. Stosowana jest m.in. na głowice
odporność chemiczna i cieplna. Stosowana jest m.in. na głowice
rakiet (np. w amerykańskiej rakiecie Titan) i osłony anten
rakiet (np. w amerykańskiej rakiecie Titan) i osłony anten
radiolokacyjnych, a w postaci spienionej jako osłony izolujące
radiolokacyjnych, a w postaci spienionej jako osłony izolujące
cieplnie
cieplnie
Spieki ceramiczno-metalowe
Spieki ceramiczno-metalowe
Spiekami ceramiczno-metalowymi, albo krótko
cermetalami, nazywa się materiały uzyskane przez
połączenie proszków ceramicznych z metalami, różnymi
metodami stosowanymi w metalurgii i ceramice
proszków.
Najważniejsze z nich to:
Najważniejsze z nich to:
a)
a)
bezpośrednie spiekanie, jeśli metal i materiał
bezpośrednie spiekanie, jeśli metal i materiał
ceramiczny zwilżają się wzajemnie;
ceramiczny zwilżają się wzajemnie;
b)
b)
spiekanie materiału ceramicznego z tlenkiem metalu,
spiekanie materiału ceramicznego z tlenkiem metalu,
który następnie redukuje się do czystego metalu;
który następnie redukuje się do czystego metalu;
c)
c)
spiekanie laminatów proszków ceramicznych i
spiekanie laminatów proszków ceramicznych i
metalowych;
metalowych;
d)
d)
prasowanie w atmosferze ochronnej w temperaturze
prasowanie w atmosferze ochronnej w temperaturze
powyżej 1000°C i pod ciśnieniem powyżej 25 MPa;
powyżej 1000°C i pod ciśnieniem powyżej 25 MPa;
e)
e)
spiekanie przy użyciu aktywnych metali lub ich stopów.
spiekanie przy użyciu aktywnych metali lub ich stopów.
Ponadto stosuje się wiązanie metalu z materiałem
Ponadto stosuje się wiązanie metalu z materiałem
ceramicznym za pośrednictwem bezpostaciowych faz
ceramicznym za pośrednictwem bezpostaciowych faz
szklistych.
szklistych.
Cermetale klasyfikuje się:
Cermetale klasyfikuje się:
wg. składnika ceramicznego:
wg. składnika ceramicznego:
-
-
tlenkowe,
tlenkowe,
-
-
węglikowe itd.
węglikowe itd.
wg. zastosowania:
wg. zastosowania:
-
-
konstrukcyjne,
konstrukcyjne,
-
-
narzędziowe,
narzędziowe,
-
-
żaroodporne,
żaroodporne,
-
-
dla elektrotechniki,
dla elektrotechniki,
-
-
dla energetyki,
dla energetyki,
-
-
dla energetyki jądrowej,
dla energetyki jądrowej,
wg. struktury:
wg. struktury:
-
-
o szkielecie ceramicznym,
o szkielecie ceramicznym,
-
-
o szkielecie metalowym,
o szkielecie metalowym,
-
-
o równomiernym rozkładzie obu faz,
o równomiernym rozkładzie obu faz,
-
-
o ziarnach jednej fazy otoczonych przez fazę drugą,
o ziarnach jednej fazy otoczonych przez fazę drugą,
-
-
zawierające fazy pośrednie
zawierające fazy pośrednie
-
-
o budowie warstwowej
o budowie warstwowej
.
.
Cermetale
Cermetale
- są to spieki ceramiczno-metalowe,
- są to spieki ceramiczno-metalowe,
powstają
powstają
w wyniku spiekania proszków ceramicznych (tlenek
w wyniku spiekania proszków ceramicznych (tlenek
aluminium)
aluminium)
z metalowymi, takimi jak:
z metalowymi, takimi jak:
- węglik tytanu (cermetal tytanowy- twardość większa od
- węglik tytanu (cermetal tytanowy- twardość większa od
twardości węglików spiekanych),
twardości węglików spiekanych),
- węglik wolframu (cermetal wolframowy), po spiekaniu
- węglik wolframu (cermetal wolframowy), po spiekaniu
mają kolor czarny,
mają kolor czarny,
- chrom molibden, nikiel
- chrom molibden, nikiel
,
,
Jak dotąd, największe znaczenie mają cermetale
Jak dotąd, największe znaczenie mają cermetale
narzędziowe
narzędziowe
(do tej grupy należą m.in. węgliki spiekane) oraz
(do tej grupy należą m.in. węgliki spiekane) oraz
cermetale żaroodporne, stosowane jako tworzywa
cermetale żaroodporne, stosowane jako tworzywa
konstrukcyjne na łopatki turbin, charakteryzujące się
konstrukcyjne na łopatki turbin, charakteryzujące się
wysoką żaroodpornością i twardością, dobrą
wysoką żaroodpornością i twardością, dobrą
wytrzymałością i odpornością na gwałtowne zmiany
wytrzymałością i odpornością na gwałtowne zmiany
temperatury.
temperatury.
Cermetale charakteryzują się:
Cermetale charakteryzują się:
- lepszymi własnościami wytrzymałościowymi w
- lepszymi własnościami wytrzymałościowymi w
porównaniu ze spiekami ceramicznymi,
porównaniu ze spiekami ceramicznymi,
- lepszym przewodnictwem cieplnym od węglików
- lepszym przewodnictwem cieplnym od węglików
spiekanych,
spiekanych,
- małą gęstością,
- małą gęstością,
- dużą twardością ok.2400 HVC i odpornością na zużycie,
- dużą twardością ok.2400 HVC i odpornością na zużycie,
- wystarczająco dużą odpornością na pękanie,
- wystarczająco dużą odpornością na pękanie,
- dużą stabilnością krawędzi skrawającej,
- dużą stabilnością krawędzi skrawającej,
- małą skłonnością do szczepiania się z spływającym po
- małą skłonnością do szczepiania się z spływającym po
powierzchni natarcia wiórem,
powierzchni natarcia wiórem,
- dużą odpornością chemiczną,
- dużą odpornością chemiczną,
- duża wytrzymałość na ściskanie
- duża wytrzymałość na ściskanie
- nie wykazują skłonności do tworzenia się narostu
- nie wykazują skłonności do tworzenia się narostu
- duża odporność na wysoką temperaturę do 1200°C
- duża odporność na wysoką temperaturę do 1200°C
Cermetale
Cermetale
stanowią zazwyczaj połączenie dobrze
stanowią zazwyczaj połączenie dobrze
przewodzącego (cieplnie i elektrycznie) składnika
przewodzącego (cieplnie i elektrycznie) składnika
metalicznego
metalicznego
i izolatora, jakim jest składnik ceramiczny. Zależnie od
i izolatora, jakim jest składnik ceramiczny. Zależnie od
udziałów objętościowych obydwu składowych faz
udziałów objętościowych obydwu składowych faz
cermetali, można zmieniać w szerokich granicach
cermetali, można zmieniać w szerokich granicach
zarówno ich budowę jak i właściwości.
zarówno ich budowę jak i właściwości.
Do wad tych materiałów należy przede wszystkim:
Do wad tych materiałów należy przede wszystkim:
- ograniczona wrażliwość na szoki termiczne,
- ograniczona wrażliwość na szoki termiczne,
- gorsze własności wytrzymałościowe w porównaniu z
- gorsze własności wytrzymałościowe w porównaniu z
węglikami spiekanymi (wytrzymałość na zginanie 2-3 razy
węglikami spiekanymi (wytrzymałość na zginanie 2-3 razy
niższa niż węglików spiekanych, niska wytrzymałość na
niższa niż węglików spiekanych, niska wytrzymałość na
rozciąganie
rozciąganie
i udarność)
i udarność)
- skomplikowany proces technologiczny
- skomplikowany proces technologiczny
Typowa mikrostruktura cermetali o różnych udziałach
objętościowych faz metalicznych i niemetalicznych
Na pierwszym z rysunków faza metaliczna (czarne
Na pierwszym z rysunków faza metaliczna (czarne
pola) otoczona jest przez ciągłą osnowę fazy
pola) otoczona jest przez ciągłą osnowę fazy
ceramicznej (białe pola). Przy udziale objętościowym
ceramicznej (białe pola). Przy udziale objętościowym
metalu bliskim 50% otrzymuje się mikrostrukturę
metalu bliskim 50% otrzymuje się mikrostrukturę
niejako odwróconą, gdzie fazę ciągłą tworzy teraz
niejako odwróconą, gdzie fazę ciągłą tworzy teraz
metal. Widać to na drugim z powyższych rysunków.
metal. Widać to na drugim z powyższych rysunków.
Odpowiednio zmieniają się i właściwości cermetalu, o
Odpowiednio zmieniają się i właściwości cermetalu, o
których decyduje przede wszystkim faza ciągła.
których decyduje przede wszystkim faza ciągła.
Zmiany tego rodzaju mogą wystąpić, zależnie od
Zmiany tego rodzaju mogą wystąpić, zależnie od
kształtu obszarów występowania danej fazy, przy
kształtu obszarów występowania danej fazy, przy
różnych udziałach objętościowych. Przykładem może
różnych udziałach objętościowych. Przykładem może
być zilustrowany poniżej cermetal Pb (czarne pola) - Ge
być zilustrowany poniżej cermetal Pb (czarne pola) - Ge
(białe pola).
(białe pola).
Tworzywa uzyskiwane przez spiekanie lub
Tworzywa uzyskiwane przez spiekanie lub
prasowanie sproszkowanych tlenków, węglików, azotków,
prasowanie sproszkowanych tlenków, węglików, azotków,
borków i krzemków oraz metali:
borków i krzemków oraz metali:
Cermetale są bardzo twarde, mają dużą odporność
Cermetale są bardzo twarde, mają dużą odporność
termiczną oraz na ścieranie.
termiczną oraz na ścieranie.
Zastosowanie głównie w technice skrawania metali
Zastosowanie głównie w technice skrawania metali
oraz do budowy części maszyn pracujących w wysokich
oraz do budowy części maszyn pracujących w wysokich
temp takich jak:
temp takich jak:
- Turbosprężarka
- Turbosprężarka
- Tarczach hamulcowych
- Tarczach hamulcowych
- Wałkach rozrządu
- Wałkach rozrządu
- Zaworów ssących i wydechowych
- Zaworów ssących i wydechowych
- Korbowody
- Korbowody
- Łożyska ceramiczne
- Łożyska ceramiczne
W turbosprężarkach materiał ceramiczny stosowany jest na łopatkach
wirnika.
CERMETALE Cr-AI
CERMETALE Cr-AI
2
2
O
O
3
3
Do najważniejszych cermetali żaroodpornych
zaliczane są cermetale składające się z tlenku aluminium i
chromu,
a charakteryzujące się najlepszymi własnościami ze
wszystkich cermetali tlenkowych.
Dla przykładu, cermetal zawierający 70% Al
2
O
3
i 30% Cr
jest odporny na utlenianie do temperatury 1500°C, ma
gęstość 4,65 g/cm
3
, twardość 1100 - 1200 HV,
przewodność cieplną 0,921 W/(m °C). Wytrzymałość na
rozciąganie tego cermetalu w temperaturze 20°C wynosi
250 MPa, w temperaturze 1090°C - 140 MPa, w
temperaturze 1320°C - 100 MPa.
Cermetale Cr-Al
2
O
3
znajdują zastosowanie zarówno
jako materiały narzędziowe, jak i materiały konstrukcyjne
na części bardzo odporne na ścieranie i pracujące w
wysokich temperaturach (np. dysze), a także części o
dużej przewodności cieplnej połączonej z odpornością na
gwałtowne zmiany temperatury (tygle, osłony
termoelementów).
Przy większej zawartości chromu (70-80%) uzyskuje się
cermetale o szkielecie metalowym, dobrze obrabialne, z
których wykonuje się części aparatury chemicznej oraz
części maszyn, m.in. łopatki turbin.
CERMETALE SAP
CERMETALE SAP
Drugą ważną grupę cermetali opartych na tlenku
aluminium stanowią cermetale Al
2
O
3
-A1, zawierające 5-
25% Al
2
O
3
,
a oznaczane często skrótem SAP (Sinter-Aluminium-
Pulver). Dzięki dobrej wzajemnej zwilżalności składników
cermetale te cechują dobre własności mechaniczne,
zarówno w temperaturze otoczenia, jak i w temperaturze
podwyższonej do 500°C.
W tablicy 1 podano skład chemiczny i własności
mechaniczne niektórych cermetali SAP produkowanych w
Rosji.
Warto podkreślić, że spieki SAP wykazują dużą stabilność
struktury (Al
2
O
3
nie rozpuszcza się w aluminium i nie
ulega koagulacji), wysoką odporność na korozję oraz
dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne.
Oznaczenie
Oznaczenie
spieku
spieku
Zawartość
Zawartość
Al
Al
2
2
O
O
3
3
%
%
Postać
Postać
Właściwości techniczne
Właściwości techniczne
temperatura
temperatura
badania,
badania,
O
O
C
C
R
R
m
m
, MPa
, MPa
R
R
0,2
0,2
, MPa
, MPa
A
A
5
5
,%
,%
HB
HB
SAP-1
SAP-1
6,0
6,0
÷
÷
9,0
9,0
pręty, taśmy
pręty, taśmy
20
20
250
250
÷
÷
300
300
200
200
÷
÷
240
240
8
8
÷
÷
12
12
85
85
300
300
160
160
÷
÷
180
180
120
120
÷
÷
140
140
3
3
÷
÷
7
7
-
-
500
500
50
50
÷
÷
70
70
50
50
÷
÷
60
60
2
2
÷
÷
6
6
-
-
blacha o grub.
blacha o grub.
1,5 mm
1,5 mm
20
20
310
310
÷
÷
330
330
270
270
÷
÷
290
290
3
3
÷
÷
4
4
-
-
300
300
90
90
÷
÷
120
120
-
-
10
10
÷
÷
14
14
-
-
500
500
30
30
÷
÷
40
40
-
-
6
6
÷
÷
8
8
-
-
SAP-2
SAP-2
9,1
9,1
÷
÷
13,0
13,0
pręty, taśmy
pręty, taśmy
20
20
310
310
÷
÷
350
350
210
210
÷
÷
250
250
6
6
÷
÷
8
8
-
-
300
300
170
170
÷
÷
180
180
150
150
÷
÷
160
160
4
4
÷
÷
6
6
100
100
500
500
80
80
÷
÷
90
90
70
70
÷
÷
80
80
2
2
÷
÷
3
3
-
-
SPA-3
SPA-3
13,1
13,1
÷
÷
18,0
18,0
pręty, taśmy
pręty, taśmy
20
20
370
370
÷
÷
440
440
310
310
÷
÷
350
350
3
3
120
120
300
300
180
180
÷
÷
200
200
140
140
÷
÷
160
160
4
4
-
-
odkuwki
odkuwki
matrycowe
matrycowe
20
20
360
360
÷
÷
380
380
310
310
÷
÷
320
320
6
6
110
110
300
300
120
120
÷
÷
130
130
100
100
÷
÷
110
110
8
8
-
-
500
500
70
70
÷
÷
80
80
50
50
÷
÷
60
60
6
6
-
-
SAP-4
SAP-4
18,1
18,1
÷
÷
23,0
23,0
pręty, taśmy
pręty, taśmy
20
20
430
430
÷
÷
450
450
350
350
÷
÷
370
370
1,5
1,5
÷2
÷2
,0
,0
-
-
350
350
200
200
÷
÷
220
220
180
180
÷
÷
190
190
1,0
1,0
÷
÷
1,2
1,2
-
-
500
500
130
130
÷
÷
135
135
100
100
÷
÷
110
110
1,0
1,0
÷
÷
1,2
1,2
-
-
INNE CERMETALE
INNE CERMETALE
Z innych cermetali zawierających Al
2
O
3
warto
jeszcze wymienić Al
2
O
3
-Mo, stosowany na narzędzia
skrawające oraz Al
2
O
3
-Ag, charakteryzujący się dużą
przewodnością elektryczną.
Do materiałów konstrukcyjnych zalicza, się również
niektóre cermetale oparte na azotkach, a zwłaszcza na
azotku boru. W tym ostatnim przypadku rolę składnika
wiążącego spełniają bądź metale ziem rzadkich (5-10%),
bądź aluminium lub krzem (3-8%). Cermetale tego
rodzaju charakteryzują się bardzo dużą odpornością na
nagłe zmiany temperatury i wykazują dobre własności
wytrzymałościowe.
Podobnie jak spiekany azotek boru, są stosowane na
elementy dysz lotniczych silników odrzutowych, rakiet i
pocisków kierowanych.
Z cermetali opartych na borkach, jako materiały
Z cermetali opartych na borkach, jako materiały
konstrukcyjne wykorzystywane są cermetale zawierające
konstrukcyjne wykorzystywane są cermetale zawierające
borek chromu i dwuborek chromu oraz jako składnik
borek chromu i dwuborek chromu oraz jako składnik
metaliczny żarowytrzymałe stopy niklu, kobalt, stop
metaliczny żarowytrzymałe stopy niklu, kobalt, stop
kobaltu z borem lub chrom. Szczególnie korzystne
kobaltu z borem lub chrom. Szczególnie korzystne
własności użytkowe ma cermetal składający się z 80% CrB
własności użytkowe ma cermetal składający się z 80% CrB
i CrB
i CrB
2
2
oraz 20% Cr. Jest on odporny na korozję, wykazuje
oraz 20% Cr. Jest on odporny na korozję, wykazuje
dużą żaroodporność i dobre własności wytrzymałościowe
dużą żaroodporność i dobre własności wytrzymałościowe
w wysokich temperaturach, a ponadto ma dość dużą
w wysokich temperaturach, a ponadto ma dość dużą
ciągliwość.
ciągliwość.
Może więc być wykorzystywany w budowie rakiet i
Może więc być wykorzystywany w budowie rakiet i
pocisków.
pocisków.
Dużą grupę materiałów konstrukcyjnych stanowią
Dużą grupę materiałów konstrukcyjnych stanowią
cermetale węglikowe, przeznaczone do pracy w wysokich
cermetale węglikowe, przeznaczone do pracy w wysokich
temperaturach, w ośrodkach czynnych chemicznie i przy
temperaturach, w ośrodkach czynnych chemicznie i przy
narażeniu na ścieranie. Wykonuje się z nich m.in.
narażeniu na ścieranie. Wykonuje się z nich m.in.
elementy lotniczych silników turbinowych i odrzutowych,
elementy lotniczych silników turbinowych i odrzutowych,
a także części różnych maszyn i urządzeń. Z tej grupy
a także części różnych maszyn i urządzeń. Z tej grupy
materiałów największe zastosowanie znalazły cermetale
materiałów największe zastosowanie znalazły cermetale
oparte na węgliku tytanu, na węgliku wolframu, na obu
oparte na węgliku tytanu, na węgliku wolframu, na obu
tych węglikach łącznie, a także na węglikach chromu,
tych węglikach łącznie, a także na węglikach chromu,
cyrkonu, molibdenu, krzemu i boru.
cyrkonu, molibdenu, krzemu i boru.
Węgliki tytanu spiekane z kobaltem (5-30% Co) mają
Węgliki tytanu spiekane z kobaltem (5-30% Co) mają
bardzo dobre własności wytrzymałościowe w wysokich
bardzo dobre własności wytrzymałościowe w wysokich
temperaturach. Na przykład cermetal TiC-20%Co w
temperaturach. Na przykład cermetal TiC-20%Co w
temperaturze 980°C ma wytrzymałość na rozciąganie
temperaturze 980°C ma wytrzymałość na rozciąganie
230 MPa, a w temperaturze 1200°C - około 80 MPa. Jego
230 MPa, a w temperaturze 1200°C - około 80 MPa. Jego
gęstość wynosi 5,37 g/cm
gęstość wynosi 5,37 g/cm
3
3
. Stosowany jest na łopatki
. Stosowany jest na łopatki
turbin gazowych.
turbin gazowych.
Podobne własności wykazują cermetale TiC-Mo i TiC-W, a
Podobne własności wykazują cermetale TiC-Mo i TiC-W, a
także TiC-Ni. Te ostatnie zawierają 10-50% niklu.
także TiC-Ni. Te ostatnie zawierają 10-50% niklu.
Dla potrzeb przemysłu lotniczego opracowano również
Dla potrzeb przemysłu lotniczego opracowano również
cermetale wieloskładnikowe, które obok węglika tytanu
cermetale wieloskładnikowe, które obok węglika tytanu
zawierają nikiel, chrom i kobalt oraz ewentualnie
zawierają nikiel, chrom i kobalt oraz ewentualnie
molibden (np. 50% TiC + 30% Ni+10% Co+10% Cr lub
molibden (np. 50% TiC + 30% Ni+10% Co+10% Cr lub
33,6% TiC + 39% Ni + 13% Cr + 13% Co + 1,4% Mo). Ich
33,6% TiC + 39% Ni + 13% Cr + 13% Co + 1,4% Mo). Ich
własności wytrzymałościowe w temperaturze otoczenia
własności wytrzymałościowe w temperaturze otoczenia
są zbliżone do własności żarowytrzymałych stopów niklu,
są zbliżone do własności żarowytrzymałych stopów niklu,
w wysokich temperaturach są znacznie lepsze
w wysokich temperaturach są znacznie lepsze
.
.