materiale ceramice
DESCRIPTION
cum se obtin materialele ceramiceTRANSCRIPT
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