Co to jest ceramika?

Ceramika to wszystkie tworzywa i wyroby nieorganiczno-niemetaliczne, w trakcie otrzymywania których istotnym procesem jest obróbka cieplna w temperaturze powyżej kilkuset stopni Celsjusza, np. spiekanie lub prażenie.

 

Co to jest ceramika korundowa?

Tlenek glinu Al₂O₃ to jeden z najstarszych i najczęściej stosowanych materiałów ceramicznych. Znajduje przy tym coraz szersze zastosowanie – od techniki wielkoprzemysłowej po technikę medyczną.

Tlenek glinu ma kilka odmian alotropowych, natomiast znaczenie techniczne ma odmiana α-Al₂O₃ – zwana korundem. Tlenek glinu Al₂O₃ jest bardzo odporny na działanie reduktorów (wodór wywiera na niego wpływ dopiero powyżej temperatury 1500^oC), jest całkowicie odporny na działanie kwasów, natomiast w mniejszym stopniu na działanie zasad.

 

Co to jest ceramika cyrkonowa?

Ceramika cyrkonowa to ceramika, w której podstawowym składnikiem jest tlenek cyrkonu ZrO₂, ale oprócz niego zawarte są w niej jeszcze inne składniki np. tlenki itru, magnezu i wapnia. Ceramika cyrkonowa zaliczana jest do grupy bardzo dobrych materiałów konstrukcyjnych pod względem wytrzymałości na zginanie i odporności na pękanie (co jest słabością właściwie wszystkich ceramik). Zaletą ceramiki cyrkonowej jest niski współczynnik tarcia (bez smarowania) sięgający poziomu 0,2, bardzo duża wytrzymałość właściwa na ściskanie (bardzo duża wytrzymałość przy niewielkim ciężarze właściwym).

 

Co to jest ceramika azotkowa?

Spiekany azotek krzemu Si₃N₄ jest to ceramika o barwie szarej. Zastępuje ona coraz częściej węgliki spiekane. Si₃N₄ i charakteryzuje się:

♦ bardzo dobrą wytrzymałością mechaniczną

♦ wysoką twardością

♦ odpornością na utlenianie

♦ dobrą przewodnością cieplną

♦ odpornością na szoki termiczne

Właściwości azotku krzemu znacznie pogarszają się w wyniku stosowania dodatków (MgO lub Y₂O₃) niezbędnych w procesie spiekania. Związki te w połączeniu z warstewką tlenków SiO₂ pokrywających cząstki Si₃N₄ prowadzą do utworzenia tzw. fazy szklistej, która ułatwia spiekanie i zagęszczenie spieków, ale również oddziałuje niekorzystnie na właściwości ceramiki azotkowej. Zdecydowanie lepszą metodą produkcji ceramiki azotkowej jest izostatyczne prasowanie tzw. HIP ( Hot Isostatic Pressing), pozwalające na ograniczenie powstawania fazy szklistej do minimum. Niestety technologia ta wymaga bardzo wysokich ciśnień (ok 200MPa) i wykorzystanie tej metody ogranicza się do produkcji małych elementów np. kulek łożysk tocznych czy płytek do skrawania metali.

 

WYTWARZANIE

 

Jak się wytwarza ceramikę?

Wytwarzanie ceramiki składa się z następujących etapów:

♦ produkcja proszków i mas

♦ formowanie

♦ suszenie

♦ kształtowanie półfabrykatów w stanie niewypalonym

♦ wypalanie

♦ nanoszenie pokryć ceramicznych

♦ kształtująca obróbka końcowa

 

Jak produkuje się proszki i masy ceramiczne?

Proszki i masy ceramiczne uzyskuje się w procesach:

♦ rozdrabniania mechanicznego surowców wyjściowych (np. w kruszarkach stożkowych, młynach bębnowych lub kulowych)

♦ syntezy proszków (np. suszenie rozpyłowe, suszenie sublimacyjne, współstrącanie, metoda zol-żel, reakcje chemiczne w fazie gazowej)

♦ mieszania i ujednorodniania – na tym etapie procesu technologicznego dodawane są do masy odpowiednie dodatki, takie jak:

a) środki wiążące – lepiszcza

b) środki poślizgowe lub antyadhezyjne

c) środki uplastyczniające – plastyfikatory

 

Na czym polega formowanie mas i proszków ceramicznych?

Formowanie stanowi jeden z najważniejszych etapów procesu wytwarzania wyrobów
z ceramiki technicznej. Służy ono do przekształcenia nieskonsolidowanego materiału wyjściowego w spójny, zagęszczony półfabrykat o określonej geometrii i mikrostrukturze.

 

W jaki sposób można formować masy i proszki ceramiczne?

Można wyróżnić następujące rodzaje formowania:

1. formowanie przez prasowanie
2. formowanie plastyczne
3. formowanie przez odlewanie

 

Formowanie przez prasowanie polega na zagęszczaniu ziarnistych, polidyspersyjnych ceramicznych układów materiałów, będących bezpostaciową masą ziarnistą. Formowanie to wykonuje się za pomocą jednoosiowego lub wieloosiowego działania siły ściskającej. Wyróżniamy następujące rodzaje formowania:

♦ prasowanie jednoosiowe na zimno

♦ prasowanie izostatyczne na zimno

♦ prasowanie walcowe

♦ zagęszczanie dynamiczne

♦ formowanie nadplastyczne

 

Formowanie plastyczne dzieli się na następujące rodzaje:

♦ formowanie pasmowe – metoda produkcji długich półfabrykatów o niezmiennym przekroju poprzecznym

♦ formowanie wtryskowe – polega na wtryskiwaniu drobnoziarnistego proszku ceramicznego
i organicznych substancji plastycznych do zamkniętej, stalowej, zimnej formy

♦ formowanie termoplastyczne

 

Rodzaje formowania przez odlewanie:

♦ odlewanie z gęstwy – odbywa się poprzez wlanie gęstwy do porowatej, wieloczęściowej formy, zazwyczaj gipsowej. Woda jest absorbowana przez formę, przez co gęstwa umacnia się

♦ odlewanie ciśnieniowe – znajduje zastosowanie w ceramice sanitarnej oraz technicznej. Zaletą odlewania ciśnieniowego jest duża szybkość tworzenia czerepu

♦ odlewanie folii – stosuje się do produkcji cienkich, elastycznych, wielkopowierzchniowych wyrobów ceramicznych. Grubość odlewanej folii wynosi od 0,1 do 1mm

♦ odlewanie odśrodkowe – polega na sedymentacji koloidalnych cząstek proszku ceramicznego pod wpływem działania przyśpieszenia odśrodkowego

♦ odlewanie żelowe – odlewanie tego typu może być stosowane do produkcji części ceramicznych o relatywnie znacznie większym zagęszczeniu z różnych materiałów oraz o dowolnym kształcie i wielkości. Czas wytwarzania jest znacznie krótszy od tego, który potrzebny jest przy odlewaniu z gęstwy czy formowaniu wtryskowym

♦ odlewanie wspomagane elektroforetycznie

 

Dlaczego suszy się masę ceramiczną?

Suszenie ma na celu usunięcie wody z uformowanych wyrobów, co umożliwia ich wypalanie oraz zwiększa wytrzymałość mechaniczną.

 

Na czym polega kształtowanie półfabrykatów w stanie niewypalonym?

Kształtowanie półfabrykatów możemy podzielić na kształtowanie ubytkowe oraz kształtowanie przyrostowe.

♦ kształtowanie ubytkowe ma na celu uzyskanie półfabrykatu o odpowiednim kształcie, poprzez usunięcie części materiału

♦ kształtowanie przyrostowe polega na stopniowym kreowaniu lub dodawaniu materiału. Metodą tą produkuje się części o skomplikowanych kształtach wewnętrznych

 

Jak wypala się materiały ceramiczne?

Wypalanie polega na poddaniu wysuszonego wyrobu działaniu temperatury w piecu. Wypalanie odbywa się w piecach ceramicznych w temp. ok. 900–2000°C, zależnie od rodzaju wyrobów.

 

Po co stosuje się wypalanie wyrobów ceramicznych?

Wypalanie stosuje się po to, aby czerep ceramiczny uzyskał odpowiednie właściwości. Podczas wypalania zachodzą w masie ceramicznej procesy, w wyniku których ulegają rozkładowi jedne składniki, a tworzą się nowe. Powstaje faza szklista, wiążąca poszczególne ziarna składników (występujących w masie lub powstałych w procesie wypalania), a masa ulega zagęszczeniu (spiekanie). W miarę podwyższania temperatury wzrasta stopień spieczenia, co powoduje zmniejszenie porowatości, wzrost wytrzymałości mechanicznej i odporności chemicznej oraz polepszenie właściwości dielektrycznych. Niekiedy wypalane są tylko surowce, z których po zmieleniu i dodaniu materiałów wiążących (kleje, lepiszcza organiczne, cementy itp.) formuje się wyroby. Wystudzone po pierwszym wypaleniu wyroby (tzw. biskwit) pokrywa się szkliwem i ponownie wypala. Niektóre wyroby poddaje się szkliwieniu przed wypaleniem.

 

W jakim celu stosuje się szkliwienie niektórych elementów ceramicznych?

Szkliwo podczas wypalania topi się i po ostudzeniu tworzy powłokę, która nadaje wyrobom gładkość i połysk, zwiększa ich wytrzymałość mechaniczną i odporność na działanie czynników chemicznych i wody oraz ułatwia czyszczenie.

 

Jakie wyróżniamy metody wypalania?

♦ spiekanie swobodne – jest to proces nieodwracalny. Na początku zmniejsza się objętość porów, następnie ziarna się zagęszczają a pory zanikają, ostatecznie cząstki powiększają się a granice międzycząsteczkowe przemieszczają się

♦ prasowanie jednoosiowe na gorąco – proces ten polega na nagrzewaniu i formowaniu jednocześnie. Przebiega w temperaturze 1000-1800°C

♦ prasowanie izostatyczne na gorąco – technika ta, w porównaniu do prasowania jednoosiowego na gorąco, lepiej przybliża wyrób do kształtu ostatecznego

♦ spiekanie plazmowe – służy przede wszystkim do zagęszczania elementów w kształcie prętów lub rur

♦ spiekanie mikrofalowe – proces ten daje możliwość szybkiego i jednorodnego nagrzewania półfabrykatów różnych kształtów, usuwania lotnych składników oraz obniża naprężenia cieplne

 

W jaki sposób można nanosić pokrycia ceramiczne?

Warstwy ceramiczne można nanosić poprzez:

♦ chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD)

♦ fizyczne osadzanie z fazy gazowej (PVD)

♦ natryskiwanie cieplne

 

Po co stosuje się pokrycia ceramiczne?

Stosowanie pokryć ceramicznych, posiadających odpowiednie właściwości w większości przypadków jest bardziej ekonomiczne w porównaniu do wytworzenia całego wyrobu z droższego materiału.

 

Jak wykonuje się kształtującą obróbkę końcową?

Kształtującą obróbkę końcową ceramiki technicznej wykonuje się poprzez szlifowanie, polerowanie, docieranie oraz drążenie elektroerozyjne wgłębne i drutowe. Materiały ceramiczne są zbyt twarde dla powszechnie stosowanych narzędzi do obróbki skrawaniem.

 

Jak długo trwa produkcja?

Czas produkcji zależy od wielkości elementu, wymaganej geometrii, składu, obróbki finalnej i wielkości serii. Termin dostawy jest ustalany indywidualnie dla każdego zamówienia.

 

GATUNKI

 

Jakie występują rodzaje ceramiki i czym się różnią?

Każdy gatunek ceramiki charakteryzuje się określonymi własnościami zarówno fizycznymi jak i mechanicznymi. Rozróżnia się następujące podstawowe rodzaje ceramiki:

♦ ceramika elektrotechniczna (układy scalone, zapalniki, kondensatory, termostaty, nagrzewnice)

♦ ceramika magnetyczna (nośniki magnetyczne, głowice zapisu magnetycznego)

♦ ceramika optyczna (szkła przepuszczalne dla podczerwieni, lampy wysokiego ciśnienia)

♦ ceramika chemiczna (katalizatory, sensory gazów, sorbenty, czujniki wilgotności)

♦ bioceramika (protezy)

♦ ceramika nieprzewodząca (akumulatory, pojazdy elektryczne, układy scalone)

 

OBRÓBKA

 

Z jaką dokładnością wymiarową mogą być wytwarzane elementy ceramiczne?

Uformowane części ceramiczne podczas procesu wypalania mogą stracić od 5 do 40% swojej objętości. Określenie faktycznych wymiarów gotowej części możliwe jest na podstawie matematycznego obliczenia skurczu oraz po wykonaniu partii próbnej. Przeważnie odchyłka nie przekracza 1% wymiaru nominalnego, a optymalizacja procesu dla elementów powtarzających się pozwala uzyskać dokładności części po wypaleniu rzędu 0,1mm.

Precyzyjne części poddawane są obróbce końcowej po procesie wypalania.

 

Czy można wykonać gwint w elemencie ceramicznym?

Wykonywanie gwintu teoretycznie jest możliwe ale ze względu na brak powtarzalności i odpowiedniej wytrzymałości, rzadko stosowane. Ponieważ bardzo trudne jest właściwe obliczenie skurczu materiału, zaformowany gwint podczas wypalania zmienia kształt i wymiary. W przypadku konieczności stosowania połączeń gwintowanych, zalecane jest użycie tulejek z gwintem wklejanych w przygotowane gniazdo w elemencie ceramicznym.

 

WŁASNOŚCI MATERIAŁOWE

 

Jakie są zalety ceramiki?

Podstawowymi zaletami ceramiki są:

♦ odporność na działanie wysokich temperatur i czynników chemicznych

♦ dobre właściwości mechaniczne

♦ bardzo dobre właściwości dielektryczne i izolacyjne

♦ duża twardość

♦ wysoka odporność na ścieranie

♦ ognioodporność

 

Jakie są wady ceramiki?

Ceramika, jak większość materiałów posiada też swoje słabsze strony a mianowicie:

♦ mała wytrzymałość na rozciąganie i zginanie

♦ podatność na uderzenia

♦ kruchość

 

Od czego zależy wytrzymałość ceramiki?

Wytrzymałość ceramiki zależy od:

♦ środowiska pracy

♦ temperatury i jej zmian

♦ zmienności obciążenia

♦ stanu powierzchni

♦ wielkości i kształtu części

 

Jak twarda jest ceramika?

Ceramika jest najtwardszym materiałem stałym na świecie. Odporność na ścieranie rośnie wraz z twardością i z tego względu materiały ceramiczne, a mianowicie: diament, węglik krzemu i korund, są stosowane jako materiały ścierne.

 

Gdzie stosowana jest ceramika?

Obecnie ceramika stosowana jest w coraz liczniejszych gałęziach przemysłu i w życiu codziennym. Jest coraz bardziej doceniana ze względu na swoje właściwości (twardość, odporność korozyjną czy biokompatybilność) i nowoczesne metody wytwarzania. Elementy wykonane z ceramiki mogą zastąpić te same elementy wykonane np. ze stali narzędziowej, przedłużając okres ich eksploatacji nawet kilkunastokrotnie. W zestawieniu ceny do jakości i trwałości ceramika jest bezkonkurencyjna.