1. Kerámiák Kerámiák szerepe és perspektívái a mérnöki gyakorlatban A földkéregben előforduló elemek egy részének kémiai állapota olyan, hogy mint vegyületek,

Az előadások a következő témára: "1. Kerámiák Kerámiák szerepe és perspektívái a mérnöki gyakorlatban A földkéregben előforduló elemek egy részének kémiai állapota olyan, hogy mint vegyületek,"— Előadás másolata:

1 1. Kerámiák Kerámiák szerepe és perspektívái a mérnöki gyakorlatban A földkéregben előforduló elemek egy részének kémiai állapota olyan, hogy mint vegyületek, kerámiának minősülnek. Kerámia: kristályos, szervetlen nemfémes jellegű anyag. A mérnöki gyakorlat által felhasznált műszaki kerámiák azonban nagymértékben átalakított anyagok.

2 Kerámiák Kerámia: a szó eredete: keramos  fazekasföld fazekas ősi foglalkozás: agyagedények, kőedények a későbbiekben: porcelántárgyak üvegedények, építőanyagok tűzálló anyagok Korszerű műszaki kerámiák: megfelelő angol elnevezés: advanced technical ceramics structural ceramics high performance ceramics úgynevezett tradicionális kerámiák

3 A kerámiák és fémek tulajdonságainak összevetése Tulajdonság Korszerű kerámia Fém Kerámia:fém tulajdonságarány AlakíthatóságNagyon kicsiNagy(0,001-0,01):1 SűrűségKicsiNagy0,5:1 Törési szívósságKicsiNagy(0,0-0,1):1 KeménységNagyKicsi(3-10):1 HőtágulásKicsiNagy(0,1-0,3):1 Hővezető- képesség KicsiNagy(0,05-0,2):1 Elektromos ellenállás NagyKicsi(100-1000):1

4 Néhány példa kerámia alkatrészek felhasználásából származó előnyökre AlkalmazásElőnyKerámiai anyagok Hűtés nélküli, kis teljesítményű dízelmotor A fajlagos üzemanyag- fogyasztás 10-15%-kal csökken ZrO 2, Si 3 N 4, SiC, Al 2 O 3, Al 2 TiO 5 Nagyteljesítményű adiabatikus dízelmotorok A fajlagos üzemanyag- fogyasztás 20%-kal csökken ZrO 2, Si 3 N 4, SiC, Al 2 O 3, Al 2 TiO 5 Kisteljesítményű gázturbinák autókhoz A fajlagos üzemanyag- fogyasztás 27%-kal csökken Si 3 N 4, SiC, Li-Al-szilikátok Rúdkovácsoló kemencék rekuperálása Fajlagos energia- felhasználás 41%-kal csökken SiC Szürke nyersvas megmunkálása A termelékenység 220%- kal nő Si 3 N 4, SIALON Rézdróthúzás A termelékenység 200%- kal nő ZrO 2

5 Felhasználási területekAnyag megnevezése 1. Szerkezeti kerámiák 1.1 A fémfeldolgozás vágó- és alakítószerszámai pl. vágólapkák, szálhúzógyűrűk, terelőgörgők, hengerek Szilícium-nitrid Titán-karbid Titán-nitrid Titán-borid 1.2 Motorkerámiák: pl. dízel izzítógyertyák, dízel előégetőkamrák, turbótöltők, szelepek Szilícium-nitrid Szilícium-karbid 1.3 Kohászat és gyártástechnológia elemei: pl. tégelyek, elpárologtatók, golyósmalmok, hőcserélők Szilícium-nitrid Szilícium-karbid Alumínuim-nitrid Bór-nitrid Titán-borid 1.4 Kopó alkatrészek: pl. szivattyútömítések, forgórészek, homokszóró, fúvókák, golyóálló mellények Szilícium-nitrid Szilícium-karbid Bór-karbid Titán-borid Titán-karbid Nem oxidos, nagy teljesítményű különleges kerámiák alapanyagai

6 Felhasználási területekAnyag megnevezése 1.5 Precíziós gépalkatrészek: pl. golyóscsapágyak, turbinalapátok, géporsók, idomszerek Szilícium-nitrid Szilícium-karbid 2. Elektrokerámiák 2.1 Szubsztrátok integrált áramkörökhözAlumínium-nitrid Alumínium-karbid 2.2 MágnesfejekSzilícium-nitrid Titán-karbid 2.3 Szenzorok, gyújtókCirkon-borid Titán-nitrid Alumínium-nitrid Szilícium-karbid 2.4 EllenállásokTitán-nitrid Króm-nitrid Alumínium-nitrid Lantán-hexaborid 3. Különleges tűzálló anyagok pl. kádbélések, csapolónyílások, befúvatólándzsák porlasztói 4. Élkerámiák Bór-karbid Szilícium-karbid Bór-nitrid Szilícium-nitrid Titán-nitrid, gyémánt

7

8 Kovalens kötés -elektronpárok létesítik a kötést (X A, X B ~ ≥ 2,1), -kohéziós energia nagy (pl.: C, Si, Ge), -irányított jelleg (pl. C-H 4 ).

9 A kerámiákban előforduló kötéstípusok: ionos kötés kovalens kötés A kerámiákban előforduló alapvető kristályszerkezetek:

10

11

12

13 A mikroszerkezet

14 A kerámiák mechanikai tulajdonságai

15

16

17

18 A kerámiák elektromos ellenállása

19 1. A kerámiák gyártása Hagyományos kerámiák, az üveggyártás GlassTypical composition (wt%)Typical uses Soda-lime glass70SiO 2, 10CaO, 15Na 2 OWindows, bottles, etc.; easily formed and shaped Borosilicate glass80SiO 2, 15B 2 O 3, 5Na 2 OPyrex; cooking and chemical glassware; high-temperature strength, low coefficient of expansion, good thermal shock resistance CaO Na 2 O Viszkozitás csökkentés mechanizmus: SiO 2 -láncok széttördelése A megmunkálás alapja:Q: viszkózus folyás aktiválási energiája folyási sebesség: (η) -1

20 Az üvegátalakulás és a kristályosodás közötti különbség Termodinamikai állapotjelzők és függvények változása az üvegátalakulás során. G 1 ill. G 2 különböző hűtési sebességekkel előállított üvegek. T v, H, S Tg 2 Tg 1 G 1 (v 1 ) G 2 (v 2 ) kristályos olvadék v 1 >v 2 T olv

21

22

23 préselés hengerlés síköntés formaöntés fúvás hőkezelés: feszültségmentesítő nagyobb η –t igényel alacsonyabb η –t igényel

24

25 Fázisdiagramok a kerámiákban

26

27 Műszaki kerámiák oxid alapú (Al, ZrO 2 alapú) nitrid alapú (Si 3 N 4 ) karbid alapú (B, Si-karbid) A legismertebb típusok és legfontosabb tulajdonságaik: Cementált karbid Szinterelt alumíniumoxid Al 2 O 3 -TiC kompozit Szialon Keménység (GPa)12,3-15,115,3-15,917,0-17,412,2-15,2 Olvadáspont (°C)140020003140 (TiC)szétesik Hőtágulási eh. (10 -6 K -1 )4,7-5,27,57,63,2 Young modulus (GPa)520-660440420300 Hajlítószilárdság (MPa)1000-2400700-840840-940830 Szívósság (MN/m 3/2 )2,2-2,53,1-3,53,6-5,2 Sűrűség (kg/dm 3 )12,0-15,13,8-3,94,2-4,33,35

28 Kerámiák gyártástechnológiai lépései általában 1.a kerámia-por alapanyagának előállítása, ill. egyéb anyagok előállítása 2.formázás, a kívánt munkadarab kormájának kialakítása 3.a porszemcsék közötti kötés létrehozása 4.kikészítés

29

30 Szinterelés

31

32 T szinterelés  2 / 3 T olvadáspont A sűrűségváltozás idő- és hőmérsékletfüggése: a: szemcseméret C: konstans Q: aktiválási energia A szinterelési folyamat hajtóereje a felületi energia csökkentése: pl.: 1μ-os Al 2 O 3 por esetén 10 cm 3 anyag felülete ≈ 1000 m 2, a határfelületi energia pedig kb. 1 kJ.

33 Kerámiák összekötése egymással és csatlakoztatása más anyagokhoz

34 A kerámiákból készült szerkezeti elemek tervezésének szempontjai, és a felhasználásuk alapelvei A gyártási technológia ill. az alapanyag gondos megválasztása (a célnak megfelelő tulajdonságok, + költségek figyelembevételével). Olyan gyártási technológia és méretezés kívánatos, amellyel az utómegmunkálások a minimálisra csökkenthetők. Ennek ellenére az utómegmunkálások (köszörülés, lézeres megmunkálás, stb. nem zárhatók ki a technológiából, pl. motor vagy gázturbina alkatrészek). Alkalmazáskor kerülni kell a pontszerű terheléseket. A terhelés átadásának helyén felületszerű kiképzésekkel minimalizálni kell a fellépő feszültségeket. Célszerű az éles sarkok, nagy méretváltozások kerülése. Minimalizáljuk a termikus feszültségeket. Használjuk lehetőleg a legkisebb keresztmetszetet, az alkatrészeket lehetőleg bontsuk egyszerűbb elemekre.

35 Az alkatrészek méretét minimalizáljuk (a kerámiák repedéseloszlása miatt a szilárdság a méret függvénye, ezért a kisebb méretű alkatrészek megbízhatóbbak). Kerüljük az ütközéses igénybevételeket (ahol ez nem lehetséges, kis szögű ütközéseket tervezzünk). Az alkatrészek megmunkálása gondos legyen (az alkatrészek szilárdságát csökkentő repedések gyakran a felületen ill. a felület közelében keletkeznek a megmunkálások során).

36

37 Magas hőmérsékletű, vagy hőlökési igénybevételekre alkalmas kerámiák gyártása tradicionális kerámiák műszaki kerámiák Mindkét kerámiatípus gyártási technológiája tartalmaz közös elemeket, alapelveket. A magas olvadáspont miatt, valamint a ridegség következtében a kerámiáknál nem jöhet szóba az ún. másodlagos megmunkálás olyan mértékben és értelemben, mint a fémeknél ill. ötvözeteknél (hideg- vagy meleghengerlés, kovácsolás). A költséges mechanikai megmunkálás miatt a munkadarab közelítően végleges méretű előállítására van szükség, erre alkalmas technológiai műveletek kialakítása szükséges, ezért a kerámiák gyártásában nagy szerepet játszanak az ún. porkohászati eljárások.

38 Kerámiák a gépkocsigyártásban 1.Az üveg 2.Gyújtógyertyák szigetelő eleme 3.Katalizátor hordozó alapanyaga (fejlesztés 1970-től) követelmények: nagy felület, hőmérsékletstabilitás és hőlökéstűrés porlódással szemben ellenállóképesség alapanyag: kordierit (Mg 2 Al 4 Si 5 O 18 ) 4.Kerámiaszenzorok: a gépkocsikban alkalmazott legfontosabb szenzorok: - gázösszetétel, - nyomás, - hőmérséklet, - sebesség, - feszültség, - gyújtási pozíció.

39 Pl. nyomásérzékelő szenzor: a kerámia itt kapacitív elem, alumíniumoxid alap. Miért kerámia? → nagy hőstabilitás Piezoelektromos anyagok: Pb-Zr- titanát (dinamikus nyomásmérés az égéstérben) Oxigénszenzor: O 2 -üzemanyag arány ellenőrzése, anyaga: TiO 2, működési elve: rezisztometria.

40

41

42