• ALKALMAZÁSOK 1.
Kerámiák és kompozitok a munkavédelemben Kerámia erősítő szálak: - Ezek a leginkább elterjedtek - Elsőként tűzálló kemencék szigetelésénél alkalmazták - Könnyen beintegrálható más anyagok mellé - Rugalmassága miatt akár kerámia-szövet is készíthető belőle - Főként tűzvédelmi ruházatnál jelentős - A kerámiaszálas erősítést a fém alapú lövedékálló termékeknél is gyakran alkalmazzák (bár nem olcsó)
Kerámiák és kompozitok Az erősítő szálak anyagai: -Szénszál Ez a legismertebb. Kis sűrűségű, alacsony hőtágulású, kiváló elektromos vezetőképességgel rendelkezik, jó hőállóságúak, nem veszi fel a nedvességet és nem mágneseződik, kémiailag ellenálló. Húzószilárdsága nagy (2000-5000 MPa), rugalmassági modulusa magas (200-450 GPa), szakadási nyúlása mindössze 0,7-2,0 %-nyi. Hátránya a merevség, törékenység, kis szívósság. A szénfilamenteket sodratlanul, textilipari célokra kis sodrattal használják fel. -Bórszál Nagy teljesítményű, kis sűrűségű (1,44 g/cm3), de rideg anyag, amelynek előállítása is költséges. A bór erősen reakcióképes, ezért SiC-dal szokták bevonni felületét. Előnye viszont a nagy szilárdság és az, hogy az Al-kompozitok hőtágulásának szabályozására alkalmas. A bór nem csak önmagában, hanem B2O3-ként kerámiaszálnak is hasznosítják.
Kerámiák és kompozitok -Al-oxid v. Al-szilikát A folyamatos szálerősítők közük a legfontosabb kerámia alapú szál. Nagy szilárdásgú és merevségű, de sűrűsége kicsi (3,9 g/cm3), ezen kívül stabilitásuk és hőállóságuk is nagyon kedvező. Kiváló azbeszthelyettesítők; textiljellemzőkkel nem rendelkeznek, ezért un. vivőszálakkal lehet fonalat előállítani belőlük; tömítőfonatok, tömlők készítésére is alkalmazzák nagy hőterhelésű területeken. -Si-dioxid Poliszilikátok viszkózus oldatából készülnek, savas kezeléssel alakul ki a kovasav szálformában; a legkönnyebb szervetlen szálak (1,8-2,0 g/cm3), így a súlytakarékos helyeken kerülnek alkalmazásra. Szövetgyártáson kívül speciális kötőgépen a különleges üveg filamentből kelme képezhető; kemenceajtó szigeteléstől a forró gázok szűréséig, számos területen hasznosítják a szilícium-dioxid szálakat; a legújabb fejlesztésű hibrid szál viszkózgyártásnál adagolt kovasavval érhető el, a szerves-szervetlen stabil szálasanyag láng- és tűzálló, ugyanakkor puha fogásával ruházati célra is alkalmas.
Szerszámanyagok Keményfémek: A keményfém egy nagy • • • • • • •
olvadáspontú karbidokat és kötőanyagként kisebb olvadáspontú fémet (Co) tartalmazó, fémkerámiai úton előállított „álötvözet”. A keményfémeknek három nagy csoportja különböztethető meg: WC alapú egykarbidos keményfémek Ti-W alapú kétkarbidos keményfémek Ti-Ta-W alapú háromkarbidos keményfémek HRA= 87…92 HRC= 72…82 Hőállóság 850 ºC
Szerszámanyagok Lehetséges kerámia szerszámanyagok: • • • • • • • •
Al2O3 Al2O3.ZrO2 Al2O3.TiC Al2O3.SiC Si3N4 BN (bór-nitrid) BC SiAlON stb.
Alumínium-oxid Al2O3
• • • • • • • • • •
romboéderes kristályrácsú kis sűrűségű (ρ = 3,99 · 103 kg/m3) nagy olvadáspontú (2053 oC) közepes keménységű (2370 HV, 9 Mohs) rugalmassági modulus 380…410 Gpa nyomószilárdság 2 Gpa nagy törési szívósságú (3…6 MPa · ) jó hővezető képességű (5…30 W/mK) nagy melegszilárdságú kedvező árú
Cirkónium-oxid ZrO2 • • • • • • • • • • • •
monoklin kristályrácsú 1150oC-ig, fölötte tetragonális közepes sűrűségű (ρ = 6,07 · 103 kg/m3) nagy olvadáspontú (2690 oC) közepes keménységű (1200…1400 HV) igen nagy hajlítószilárdságú (4-szerese az Al2O3-nak) rugalmassági modulus 200-260 GPa jó nyomószilárdság 2900 MPa jó hősokk-állóságú magas hőmérsékletig használható (2400 oC) olvadt fémeknek is ellenáll nagyon jó kémiai ellenálló képesség tűzálló anyag
Szilícium-nitrid Si3N4 • • • • • • • • • • • •
kis sűrűségű (ρ = 2,4…3,4 · g/cm3) magas olvadáspont (1897oC) hexagonális rácsú, kovalens kötésű jó hősokkállóság (pl. turbinahajtóművek) kis hőtágulás (α = 3…3,2 · 10-6 K-1) nagy törési szívósságú (4…5,4 MPa · ) közepes keménységű (1700…2300 HV) rugalmassági modulus 310…470 GPa kis súrlódási együtthatójú (csúszógyűrű, csapágy) savakkal, nemvasfém olvadékkal szemben ellenálló (olvasztótégely) nagy hajlító- ill. nyomószilárdságú legnagyobb szilárdságú kerámia (nagy hőmérsékleten is)
Szilícium-alumínium-oxinitrid SiAlON Az anyag szilícium-nitridből és néhány százalék alumínium-oxidból áll össze. Jó hősokkállóság jellemzi, igen erős, jó korrózióálló anyag. • kiváló hősokkállóság • nemvasfémek nem nedvesítik, nem korrodálják • nagy szilárdság • nagy törési szívósság (6…7.5 MPa · ) • jó melegszilárdság • alacsony hőtágulás (3*106/ oC) • jó korróziós ellenálló képesség • kis sűrűség (ρ = 3,24 · 103 kg/m3) • alacsony porozitás (<1%) • rugalmassági modulus 288 GPa • hajlító szilárdság 760 MPa • jó hővezető képesség (5…30 W/mK)
Köbös bór-nitrid CBN • • • • • • •
kis sűrűségű (ρ = 3,3…3,5 ·g/cm3) igen nagy keménységű (7000…9500 HV) hajlító szilárdság Rm=500 MPa rugalmassági modulus E=580-900 GPa nyomószilárdság Rh=3500 MPa nagy hőmérsékleten alkalmazható (1200…1400 oC) nagysebességű forgácsoláshoz javasolt, mivel nem lép reakcióba vasalapú anyagokkal
Kerámiabevonatok felépítése (pl. turbina égéstér hőálló bevonata)
Fedőréteg
Alapréteg Alapfém
Alapréteg : Feladata :
CoCrAlY :
alapfémmel valamint a fedőréteggel a lehető legjobb kötés kialakítása Tipikus kobalt alapú ötvözet. Jó melegszilárdság Kúszásálló Termikus stabilitás
A fedőréteg : A fedőréteg a különböző igénybevételeknek áll ellen.
Ez esetben a hőállóság fontos.
Yttrium-Magnézium stabilizált Zirkonia kerámia
A kerámiaréteg felvitelének menete:
•A bevonatolni kívánt alkatrész , ill. a bevonat anyag ellenőrzése •A már meglévő bevonat eltávolítása, ha szükséges •Felületelőkészítés •Maszkolás ill. a hűtőnyílások eltakarása •Felülettisztítás •A gép beállítása, feltöltése, a szórás elvégzése •Roncsolásmentes rétegvastagságmérés •Tesztlapocskák készítése metallográfiai vizsgálatokra. •Végső vizuális ellenőrzés, csomagolás, szállítás
Plazmaszórás: Plazmaszórás segítségével nagy olvadáspontú fémek, fém-oxidok, fém-karbidok vagy különféle kerámiai fém-szilikátok hordhatók fel fémes és nemfémes munkadarabok felületére.
5 - 40 000 °C
Tóriumozott volfrámkatód
Vízhűtéses rézanód
Bevonóanyag por
Ioinizált semleges gáz (argon, nitrogén)
Kompozitok Két vagy több anyag előnyös tulajdonságainak társítására létrehozott anyagok. Az egyik legősibb kompozit a vályog: agyagszalmatörmelék - mátrix és erősítőanyag -hőszigetelő, erősítő és könnyítőanyag ugyancsak kompozit a beton és a vasbeton ma csúcson a C-C szén-szén kompozit pl. féktárcsák) Mátrix: körülfogja az erősítőanyagot, elosztja a terhelést Erősítőanyag: főként ez viseli a terhet Átmeneti réteg vagy interfész: kapcsolat az erősítő és az alapanyag között
Cél
• szilárdságnövelés (alacsony, normál és magas hőmérsékleten) • törési biztonság (törési szívósság) növelése • rugalmassági modulus növelése (merevség javítása) • hőtágulási együttható csökkentése (meghatározott értékre történő beállítása) • súlycsökkentés • mágneses és elektromos tulajdonságok javítása • kopásállóság (heterogén anyagú csapágyötvözetek) stb. • szupravezető szerkezetek előállítása • hőszigetelő képesség növelése • energiaelnyelő képesség fokozása (mechanikai, rezgés, hang…
Kompozitok előállítása Tömbi kompozit előállítására alkalmas berendezés
Folyamatos infiltráló berendezés kompozithuzal gyártásához
Kompozitok tulajdonságai Tulajdonságkompozit= Tulajdonságmatrix*V%matrix +Tulajdonságerősítő*V%erősítő
V%matrix+ V%erősítő=100%
