Tehnokeraamika (2)

Tartu Kutsehariduskeskus
I
A
Tehnokeraamika
Iseseisev töö
Juhendaja : H
Tartu 2011
Sisukord
Sisukord............................................................................................................................................................2.
Sissejuhatus.....................................................................................................................................................3.
Tehnokeraamika tutvustus........................................................................................................................4.
Tehnokeraamika liigitus.........................................................................................................................5.1.
Oksiidkeraamika ........................................................................................................................................5.2.
Mitteoksiidkeraamika ..............................................................................................................................5.3.
Segakeraamika............................................................................................................................................5.4.
Konstruktsioonikeraamika ....................................................................................................................6.1.
Tööriistakeraamika.................................................................................................................................6.2.
Elektrokeraamika......................................................................................................................................6.3.
Tehnokeraamika omadused.................................................................................................................6.4.
Tehnokeraamika omadused..................................................................................................................6.5.
Kõvadus ja kulumiskindlus ....................................................................................................................................7.1.
Tehnoloogia .................................................................................................................................................7.2.
Pulbrite saamine........................................................................................................................................7.3.
Vormimine....................................................................................................................................................7.4.
Paagutamine.................................................................................................................................................7.5.
Täiendav töötlemine..........................................................................................................................8.1.
Sissejuhatus
Kõik, mis meid ümbritseb, koosneb ainetest. Eestikeelne sõna materjal tuleneb ladinakeelsest
sõnast materia, mis tähendabki ainet.
Materjalid, mis on pärit loodusest endast, on looduslikud materjalid. Inimene kasutab neid, kui vaja, oma huvides, ent ta on loonud väga palju materjale ka ise – selliste omadustega, nagu ühe või teise asja jaoks on tarvis. Tehnikas kasutatavad materjalid – tehnomaterjalid – ongi enamikus niisugused
materjalid.
Masinates ja aparaatides, mistahes tehnoseadmetes ja -riistades on peamised materjalid metallid, plastid, keraamilised ja komposiitmaterjalid. Nendre liike ja sorte on väga palju. Enam levinumalt kasutatakse näiteks vähemalt 400 sorti terast ja malmi, samapalju värvilismetallide sulameid , üle 200 liigi plaste, 50 keraamilise materjali liiki jne.
Tänapäeva automaatfotoaparaat.
See on mehhatrooniline seade, milles on ühitatud
mehaanika , elektroonika, optika ja infotehnoloogia ning
mis sisaldab palju erisuguseid tehnomaterjale
Tehnokraamika
Tehnokeraamika all mõeldakse rasksulavate ühendite baasil saadud tööriista- ja eriomadustega konstruksioonimaterjale. Sellega eristatakse tehnokeraamika ehituskeraamikast ( tellised , põrandaplaadid, drenaažitorud jt) ja tarbekeraamikast ( fajanss -, portselan- savinõud jt).
Keraamika on vanim konstruktsioonimaterjal (põletatud savist tellised), mida inimkond hakkas valmistama looduslikust toorainest . Tehnokeraamika algab 1930. aastaist , kui Saksamaal püüti kasutada keraamikat (Al2O3) terase puhastreimisel. Keraamika väikese tugevuse ja suure hapruse tõttu ei leidnud ta laiemat kasutamist. Tänu eriti puhaste (>99,99%) ja ülipeenete pulbrite valmistamise
tehnoloogia väljatöötamisele ning kuumpressimise rakendamisele on viimastel aastakümnetel saadud keraamikat piisavalt heade mehaaniliste omadustega (tugevus, löögisitkus), mis on teinud nad
konkurentsivõimelisteks ja mõningates olukordades (kõrged temperatuurid, agressiivsed keskkonnad ) asendamatuteks materjalideks.
Tööstusriikides on viimasel aastakümnetel toimunud “keraamiline plahvatus ”, millega on kaasnenud miljarditesse dollaritesse ulatuvad investeeringud keraamikatööstusesse, on välja töötatud kümneid uusi keraamilisi materjale, tehnoloogiaid ja tooteid. Tehnokeraamikat peetakse XXI sajandi materjaliks . Tehnokeraamilised materjalid on väga erinevate omadustega sõltuvalt nende koostisest ja valmistamise tehnoloogiast . Nende seas on häid elektrijuhte (keraamilised ülijuhid) kui ka peaaegu ideaalseid dielektrikuid . Tehnokeraamika üldisteks positiivseteks omadusteks on: - suur kuumus- ja termopüsivus (keemilise koostise stabiilsus), korrosioonikindlus , suur kõvadus ja kulumiskindlus, väike tihedus.
Tehnokeraamika kasutus
Konstruktsioonikeraamika
• Kuumuskindel keraamika
• Termokindel keraamika
• Kulumiskindel keraamika
• Antifriktsioonkeraamika
• Poorne keraamika
• Sitke keraamika
• Biokeraamika
Tööriistakeraamika
• Ülikõva keraamika
• Lõikekeraamika
• Kermised
Elektrokeraamika
• Dielektrikud
• Pooljuhid
• Ülijuhid
• Raadiotehniline keraamika
Tehnokeraamika puudusteks on: väike painde- ja tõmbetugevus, suur haprus ,
Tehnokeraamika
Oksiidkeraamika
• Al2O3-keraamika
• MgO-keraamika
• ZrO2 -keraamika
• Al2O3-keraamika
• MgO-keraamika
• ZrO2-keraamika jt.
Mitteoksiidkeraamika
• Karbiidikeraamika
• Nitriidikeraamika
• Boriidikeraamika
• Silitsiidikeraamika jt.
Segakeraamika
• Oksinitriidikeraamika
• Oksikarbiidikeraamika jt.
5.1 Tehnokeraamika liigitus
Tehnokeraamilisi materjale liigitatakse mitmeti. Enamtuntud on liigitamine keemilise koostise ja kasutusalade järgi.
Keemilise koostise järgi jaotatakse tehnokeraamika kolme gruppi: oksiid -, mitteoksiid- ja segakeraamika; kasutusala järgi: konstruktsiooni-, tööriista- ja elektrokeraamika.
Tehnokeraamilised materjalid koosnevad põhiliselt rasksulavaist ühendeist ( oksiidid , karbiidid , nitriidid jne), mille sulamistemperatuur on üle 1500 °C. Rasksulavate ühendite omadused sôltuvad kristallide omadustest ja nendevahelistest sidemetest . Monokristallide omadused sõltuvad omakorda aatomitevahelistest keemilistest sidemetest ja kristallivõre struktuurist.
Rasksulavad ühendid jagatakse hapnikku sisaldavaiks ja hapnikku mittesisaldavateks ning kombineerituiks, s.o. nad koosnevad mitmest ühendist. Hapnikku sisaldavad rasksulavad ühendid on oksiidid. Hapnikku mittesisaldavad rasksulavad ühendid, mida kasutatakse tehnokeraamikas, on karbiidid, boriidid , nitriidid ja silitsiidid.
Üleminekugrupi metallide rasksulavail ühendeil – karbiididel ja nitriididel on reeglina sisendustüüpi ruum- või tahkkesendatud kuupvõre vôi kompaktne heksagonaalvôre. Mittemetalli aatomid asetsevad metalli kristallivôre sees. Mittemetalli aatomite sisenemine metalliaatomite võresse kutsub esile tugevate keemiliste sidemete moodustumise metalli ja mittemetalli aatomite vahel, mis muudab oluliselt komponentide füüsikalisi omadusi. Ühendeil on märksa kõrgem sulamistemperatuur, elastsusmoodul, kôvadus ja väiksem joonpaisumisetegur.
5.2Oksiidkeraamika
Oksiidkeraamika aluseks on oksiidid, mis esinevad looduses puhtal kujul või saadakse metallide kuumutamisel õhus vôi hapnikus. Oksiidid on kõrge sulamistemperatuuriga ; tehnokeraamikas kasutatakse enim Al2O3, MgO, ZrO2 , SiO2 , TiO2
5.3Mitteoksiidkeraamika
Mitteoksiidkeraamika aluseks on puhtad karbiidid, nitriidid, boriidid ja silitsiidid.
Karbiidid on struktuurilt ja füüsikalis-keemiliste omaduste poolest tüüpilised sisendustüüpi keemilised ühendid (välja arvatud SiC).
Karbiide saadakse metallide vôi nende oksiidide pulbrite karbidiseerimisega vesinikus vôi süsinikku
sisaldavas keskkonnas.
Nitriidid on struktuurilt ja füüsikalis-keemilistelt omadustelt sarnased karbiididega, kuid nitriididel on parem elektrijuhtivus , mis on ligi 2 korda suurem kui vastavatel karbiididel. Ka on nitriididel sulamistemperatuur madalam kui karbiididel.
Nitriidide kõvadus langeb igas grupis elemendi aatomnumbri suurenedes, mis viitab metalli ja mittemetalli aatomi sidemete nõrgemisele. Tehnokeraamika valmistamisel kasutatakse laialdaselt
järgmisi nitriide: Si3N4, AlN, BN.
Boriidid on asendustüüpi kristallivõrega keemilised ühendid. Boori aatom on liiga suur, et tungida metalli kristallivõresse, mistõttu nad vaid sendavad metalli aatomeid. Boori aatomid võivad boriidides olla üksteisest isoleeritud või olla valentselt seotud. Seepärast on boriidide struktuur keerulisem (heksagonaalne, rombiline , tetragonaalne ).
Boriide saadakse elementide sünteesil vaakumis või taandavas keskkonnas sulatamise teel ning kõrgetemperatuurilise iseleviva või plasmakeemilise protsessi vahendusel. Tehnokeraamikas kasutatakse: TaB2, TiB2, ZrB2.
Silitsiidid on metallide keemilised ühendid. Nad on füüsikalis-keemiliste omaduste poolest lähedased
boriididele. Neil on hea soojus - ja elektrijuhtivus, happe- ja leelisekindlus. Mõned neist (MoSi2) ei oksüdeeru õhus isegi kuumutamisel kuni 1700 °Cni
5.4Segakeraamika
Segakeraamika aluseks on kahe või enama rasksulava ühendi segu. Tüüpilisteks segakeraamika esindajateks on karbonitriidid, oksinitriidid jne.
Karbonitriidid on karbiidi ja nitriidi baasil tardlahused või keemilised ühendid. Nad ületavad mõningate füüsikalis-mehaaniliste omaduste poolest vastavaid karbiide ja nitriide. Näiteks on Ti(C,N) paindetugevus kõrgem kui TiC ja TiN oma.
Simeonid on keerulise koostisega oksinitriidid räninitriidi ja metallioksiidi (Al, Mg, Be ja Y) baasil.
Nad on perspektiivsed konstruktsioonimaterjalid
tänu suurele kõrgetemperatuursele tugevusele, kuumuspüsivusele, väikesele joonpaisumistegurile ja heale termokindlusele.
Tehnokeraamikas on kõige levinum ja perspektiivsem Si3N4 ühend Al2O3-ga, mis kannab nime
sialon.
6.1Konstruktsioonikeraamika
Konstruktsioonikeraamika suurimaks tarbijaks on autotööstus, eelkõige süüteküünalde näol. Perspektiivis on auto diiselmootori detailide ( kolvid , klapid , silindrihülsid, kepsud jt) osaline valmistamine keraamikast. Selline mootor ei vaja jahutussüsteemi, on 15% kergem ja 30…40% ökonoomsem. Samuti võib bensiini asemel kasutada madalasordilisi kütuseid nagu põlevkiviõli, masuut jne. Tänu keraamika väiksemale tihedusele väheneb pöörlevate
osade mass ja inerts.
6.2Tööriistakeraamika
Lõikekeraamika on põhilisi tööriistamaterjale, millest valmistatakse metallitöötlemise instrumente (trei- ja freeslõikurid jt.). Lõikekeraamikat valmistatakse põhiliselt Al2O3 ja Si3N4 baasil. Lõikekeraamika ei
sisalda plastset ja suhteliselt kergesti sulavat sideainet nagu kõvasulamid, mistõttu nad on suurema kõvaduse ja kulumiskindlusega, kuid väiksema haprusega.
6.3Elektrokeraamika
Elektrokeraamikat kasutatakse kõige enam elektroonikatööstuses mitmesuguste elektroonikaelementide (mikroskeemide alused, kondensaatorite ja takistite korpused jne.) valmistamiseks. Elektrokeraamiliste materjalide seas on häid elektrijuhte (keraamilised ülijuhid) kui ka häid isolaatoreid. Elektrokeraamikal on põhirõhk asetatud keraamika elektrilistele ja soojuslikele omadustele (elektri- ja soojusjuhtivus ).
6.4Tehnokeraamika omadused
Tehnokeraamika on vähese tugevusega ning suure haprusega. Kuna keraamika tõmbetugevus on
väike, antakse tugevusnäitajatest tavaliselt paindevõi survetugevus. Vähem oluline pole tehnokeraamika korral selle kõvadus (see on piires 1200…3000 HV). Kõvadusega on otseselt seotud kulumiskindlus. Oluliselt ei muutu tehnokeraamika, näit. Lõikekeraamika tugevus- ja kõvadusomadused temperatuuri tõusul kuni 1000 °C-ni. Keraamiliste materjalide põhiline puudus on nende suur haprus, mida iseloomustab ühe sitkusnäitajana purunemissitkus (mida väiksem see on, seda sitkem materjal).
6.5
7.1
7.2Tehnoloogia
Tehnokeraamika valmistatakse pulbermetallurgia meetodil ja protsess sisaldab üldiselt samu etappe :
pulbrite valmistamine, vormimine ja paagutamine ja vajadusel täiendav töötlemine.
Tehnokeraamika tehnoloogia erineb traditsioonilisest pulbertehnoloogiast, eelkõige pulbrite valmistamise, paagutamise ja täiendava töötlemise poolest. Heade füüsikalismehaaniliste omadustega tehnokeraamika saamiseks on vajalikud puhtad (kontrollitava koostisega) peened pulbrid . See eeldab teistsuguseid pulbrite valmistamise meetodeid .
7.3Pulbrite saamine
Pulbrite saamine seisneb rasksulava keemilise ühendi sünteesimises ja vajaduse korral saadud pulbri täiendavas mehaanilises peenestamises. Keraamiliste pulbrite saamiseks kasutatakse mitmesuguseid meetodeid, mida traditsioonilises pulbertehnoloogias kasutatakse vähe eelkõige väikese tootlikkuse ja kõrge hinna tõttu. Enamlevinud keraamiliste pulbrite valmistamise meetodid on sadestamine soolalahustest, laser- ja plasmakeemiline süntees, aurufaasist kondenseerimine jt. Kasutatakse ka jahvatamist kuulja vibroveskeis nii iseseisva saamisviisina kui ka
mõne eelneva saamisviisi täiendusena. Igal saamisviisil on omad positiivsed ja negatiivsed küljed.
Saamisviisi valikul lähtutakse keraamikale esitatavatest nõuetest ja omahinnast.
7.4Vormimine
Keraamiliste pulbrite vormimiseks kasutatakse kõiki pulbertehnoloogias kasutatavaid vormimismeetodeid (pressvormi pressimine, lobrivalamine, pulbersurvevalamine, ekstrusioon, kuumpressimine jt). Pressvormis pressimine on levinumaid vormimisviise. Kuna keraamilised pulbrid on kõvad ja haprad , siis lisatakse pressimise hõlbustamiseks enne pressimist kleepaineid e. plastifikaatoreid . Kuumutamisel plastifikaatorid eemalduvad materjalist täielikult. Sellisteks plastifikaatoriteks on tavaliselt parafiin, polüvinüülpiiritus, polüetüleenglükool, kautšuk jt.
7.5Paagutamine
Paagutamine on tehnokeraamika tähtsaim tehnoloogiline operatsioon , kuna sellest sõltuvad keraamiliste materjalide füüsikalis-mehaanilised omadused eelkõige. Tehnokeraamikat on raske paagutada, sest materjalide tihendamiseks vajalikud difusiooniprotsessid on raskendatud. Seepärast kasutatakse tehnokeraamikas vähem normaalrõhul e. Rõhuta paagutust, mis metallipulbrist toodete puhul on tavaline. Ta sobib vähemvastutusrikaste detailide valmistamiseks, eelkõige protsessi odavuse tõttu. Tehnokeraamika valmistamisel on paagutusviisidest enamkasutatavad aktiveeritud paagutamine, survepaagutamine, kuumpressimine jt. -7-
8.1Täiendav töötlemine
Sageli pole vormimise ja sellele järgneva paagutamise teel võimalik saada vajaliku kuju ja täpsuse
ning siledusega tooteid. Seepärast tuleb tehnokeraamikat mõnikord täiendavalt töödelda. Suure
kõvaduse ja hapruse tõttu on seda raske teha ja seetõttu töömahukas ja kallis. Käesoleval ajal kasutatakse tehnokeraamika töötlemiseks mitmeid meetodeid, milleks on: mehaanilised (abrasiiv- ja vee-abrasiivjoaga töötlemine), keemilised (söövitamine), elektrilised (elektrierosioontöötlemine), füüsikalised (laserkiirega, elektronkiirega ja ioonkiirega töötlemine).