Keramika
¾ Keramika spolu s dřevem, kostmi, kůží a kameny patřila mezi první materiály, které pravěký člověk zpracovával. ¾ Chceme – li definovat pojem keramika, můžeme říci, že je to materiál převážně krystalický, složený především z anorganických sloučenin nekovového charakteru. ¾ Keramika má některé velmi dobré a v praxi využitelné vlastnosti. ¾ Většina keramik jsou výbornými izolátory (ale na druhé straně vysokoteplotní supravodiče mají rovněž strukturu keramik). ¾ Mají poměrně malou hustotu (cihly ~ 2.103 kg.m-3, beton ~ 3.103 kg.m-3, ale hliník ~ 2,5.103 kg.m-3 a ocel ~ 7,8 .10-3 kg.m-3) a patří k vůbec nejtvrdším látkám. ¾ Jsou velmi dobrým konstrukčním materiálem ve stavebnictví a ve strojírenství. Zdroj: [1] 2 / 36
¾ Keramika má většinou vysoký bod tání a poměrně nízkou hustotu. ¾ Proto jsou předurčena pro využití v automobilovém, leteckém a kosmickém průmyslu. ¾ Vyšší pracovní teplota spalovacího motoru totiž zvyšuje jeho účinnost a nižší hmotnost motoru ještě dále tento trend podporuje. Takové moderní motory, založené na bázi keramik Si3N4, SiC, Al2O3 a ZrO2 mají navíc další výhodu – jsou otěruvzdorné [1]. ¾ Keramika v automobilovém průmyslu – písty, ventily, stěny válců, výfuková potrubí, izolátory v zapalovacích svíčkách (hlavními matriály jsou korund (α - Al2O3), Si3N4 , SiC, částečně stabilizovaný ZrO2, thialit a perspektivně také sialony [2].
3 / 36
Keramika ¾Výrobky tradiční keramiky jsou dobře známé a setkáváme se s nimi každodenně. Jedná se především o následující sortiment: porcelánové předměty, obkládačky, dlaždice, zdravotnická keramika, kamenina, tenkostěnné a silnostěnné cihlářské výrobky atd. [2].
¾ Řezná keramika, keramická vlákna, šamot ¾ Biokeramika – se živou tkání nevyvolává zánětlivé reakce, je založena na bázi oxidů α -Al2O3 , ZrO2, Y2O3, TiO2. Jedná se především o zubní implantáty, klouby a kostní náhrady [2].
4 / 36
¾ Keramické materiály mají buď amorfní strukturu (skla na bázi křemíku) nebo jsou krystalické. ¾ V krystalické keramice je buď tzv. stechiometrické zastoupení složek (odpovídá zastoupení jednotlivých prvků v krystalické mřížce), nebo častěji nestechiometrický obsah složek. ¾ Na rozdíl od kovů, kde je typická kovová vazba, jsou u keramiky běžné vazby iontové (elektrická přitažlivost kationtů a aniontů), případně vazby kovalentní. ¾ Typická vysoká pevnost a křehkost je dána právě krystalickou mřížkou, která má odolnost vůči dislokačnímu pohybu.
Zdroj: [3] 5 / 36
Suroviny ¾
oxidy jako je oxid křemičitý, zvaný „silica“ (SiO2), kysličník hlinitý označovaný „alumina“ (Al2O3) a zirkoničitý (ZrO2)
¾
Směsi oxidů jako je „mullite“ (3Al2O3+2SiO2) a „spinel“ (MgO+Al2O3)
¾
karbidy jako je karbid křemíku (SiC), bóru (B4C) a titanu (TiC)
¾
nitridy jako je nitrid křemíku (Si3N4) a bóru (BN)
¾
prvky jako je uhlík (C) a bór (B)
Zdroj: [3] 6 / 36
materiál
měrná hmotnost [kg/m3]
bod tání [0C]
modul pružnosti [GPa]
Al2O3
3900
2050
380
SiC
3200
–
420
Si3N4
3100
–
310
Mullite
3200
1850
140
Zdroj: [3] 7 / 36
Řezná keramika
8 / 36
Zdroj: [4]
9 / 36
Požadavky kladené na nástrojové materiály ¾ Vývoj a neustálé zlepšování vlastností řezné keramiky umožňuje její všestranné využití jako řezného materiálu. ¾ Dominantní postavení v oblasti obrábění zaujímá celosvětově slinutý karbid, a řezná keramika je nasazována pouze v oblastech, kde nelze produktivně využít slinutý karbid [5]. ¾ V dnešní době se klade největší důraz na zkracování výrobních časů a zvyšující se jakost výrobků. Největší vliv na celkový výrobní čas při obrábění mají řezné podmínky a samozřejmě jejich zvyšováním se tento čas zkracuje. K tomu je třeba, aby řezný materiál splňoval hlavní požadavky [6]:
a) b) c) d) e) f)
odolnost proti opotřebení houževnatost nástrojového materiálu tvrdost za tepla odolnost vůči tepelnému šoku tepelná roztažnost tepelná vodivost
10 / 36
A) Odolnost proti opotřebení [6] ¾ Brusný otěr ¾ Adhezní otěr ¾ Difúzní otěr ¾ Chemický otěr
Příčiny opotřebení řezných nástrojů 11 / 36
B) Houževnatost nástrojového materiálu [6] ¾
Z důvodu vyšších nároků na operace obrábění, vysoké řezné rychlosti, obrábění tvrdých materiálů, přerušovaného řezu atd. je snaha, aby houževnatost nástrojového materiálu byla co nejvyšší, z důvodu porušení břitu nástroje křehkým lomem atd, ale zároveň je potřeba, aby řezný materiál měl dostatečnou tvrdost, která by zajišťovala odolnost proti opotřebení.
¾
Tento problém částečně vyřešila depozice tenkých vrstev. Depozicí zůstane jádro u určitých materiálu houževnaté a povrch tvrdý a odolný proti jednotlivým druhům opotřebení.
12 / 36
Porovnání odolnosti proti opotřebení a houževnatosti řezných materiálu [6].
13 / 36
C) Tvrdost za tepla Během obráběcího procesu se téměř veškerá práce řezání transformuje v teplo. Teplo řezného procesu, vzniklé při odebrání určitého množství materiálu, je přibližně rovné práci řezného procesu. Vzniklé teplo výrazně ovlivňuje řezný proces, protože: • negativně působí na řezné vlastnosti nástroje • ovlivňuje mechanické vlastnosti obráběného materiálu • ovlivňuje pěchování a zpevňování obráběného materiálu • ovlivňuje podmínky tření na čele i hřbetě nástroje
D)
Odolnost vůči tepelnému šoku Vyskytuje se při frézování nebo při jiném druhu přerušovaného řezu např. soustružení nerotačních součástí.
E)
Tepelná roztažnost Tato vlastnost ovlivňuje budoucí přesnost obrobené plochy. Vysoká tepelná roztažnost může způsobit vznik mikrotrhlin, které pak značně sníží trvanlivost nástroje.
F)
Tepelná vodivost Zvláště při zvýšených pracovních podmínkách (řezná rychlost, posuv) může docházet v oblasti špičky nástroje ke zvýšené koncentraci tepla. Důsledkem nízké tepelné vodivosti nástrojového materiálu může dojít k rychlému plastickému opotřebení břitu nástroje, které může dosáhnout až lavinového otěru.
Zdroj: [6]
14 / 36
Řezná keramika [5] ¾ Řezná keramika patří mezi anorganické, nekovové převážně krystalické materiály. ¾ Přestože neexistuje normou stanovené rozdělení řezné keramiky, lze ji podle chemického složení rozdělit na dva základní typy: ¾ oxidickou a neoxidickou řeznou keramiku.
Řezná keramika oxidická keramika
nitridová keramika čistá
polosměsná směsná
Si3N4, Si3N4 + Y2O3, Si3N4 + TiN
99,5% Al2O3 Al2O3 + ZrO2, Al2O3 + ZrO2 + CoO Al2O3 + TiC, Al2O3 + ZrO2 + TiC, Al2O3 + TiC + TiN 15 / 36
¾ Všechny druhy řezné keramiky mohou být vyztuženy pomocí tenkých vláken submikronového průměru – whiskerů (např. SiC), které značně zvyšují řezné vlastnosti. ¾ Řezná keramika je charakterizována [5]: – nízkou měrnou hmotností – vysokou tvrdostí i za vysokých teplot – tepelnou odolností – chemickou stálostí – odolností proti opotřebení které zaručují při správném použití vysokou trvanlivost břitu nástroje i při vysokých řezných rychlostech. 16 / 36
Zdroj: [4]
17 / 36
Mechanické vlastnosti jsou z hlediska struktury ovlivněny zejména [6] : ¾ charakterem chemické vazby, která je převážně iontová nebo kovalentní (na rozdíl od kovových materiálů, kde je vazba kovová) a ovlivňuje tím výrazně pohyblivost dislokací a je důsledkem křehkosti keramiky. ¾ složitá krystalická struktura v porovnání s kovovými materiály ¾ prostorové uspořádání částic různých tvarů, rozměrů, fází ¾ množství trhlin, defektů a pórů
18 / 36
Oxidická keramika [6] ¾ Čistá oxidická řezná keramika - s obsahem 99,5 % Al2O3 vyznačuje se vysokou tvrdostí, otěruvzdorností a výbornou chemickou odolností a stabilitou při vysokých teplotách. • Nízká odolnost proti mechanickému a tepelnému rázovému zatížení a ohybové pevnosti a je vhodná jen pro operace jemného dokončování.
¾ Polosměsná oxidická keramika - s obsahem ZrO2 15-20 %, může obsahovat i jiné složky např. CoO. Oproti čisté keramice má vyšší pevnost. Přísada ZrO2 a zdokonalení technologie výroby snižuje náchylnost proti lomu a zvyšuje houževnatost.
19 / 36
¾ Směsná oxidická keramika (CM) - s přísadami TiN, TiC je charakterizována vyšší odolností proti tepelným rázům, kterou zabezpečuje přísada TiC. Přísada TiN vylepšuje odolnost proti tepelným rázům a zároveň zvyšuje pevnostní vlastnosti. Dále tyto přísady zabezpečují stabilitu mechanických vlastností při vysokých teplotách. ¾ Kompozitní oxidická keramika - zpevněná monokrystaly křemíku SiC, tzv. whiskery v matrici Al2O3, která má rovnoměrnou jemnozrnnou strukturu. Úlohou SiC vláken je bránit šíření mikrotrhlin v základní matrici. Vlákna SiC mají průměr 0,1-1 μm a délku 5 -100 μm, pevnost v tahu 7 GPa a modul pružnosti 550 GPa a zvyšují tvrdost za tepla, ohybovou pevnost.
20 / 36
Výroba oxidické keramiky [6] ¾ Postup výroby řezné keramiky je srovnatelný v dílčích oblastech s výrobní technologií práškové metalurgie. ¾ Skládá se z těchto etap • příprava hmoty přesného homogenizace, sušení atd. • tvarování • lisování • finální opracování
složení,
tj.
mletí
surovin,
¾ Technologický proces výroby oxidické keramiky může být dvojí: ¾ lisování za studena (proces podobný konvenční práškové metalurgii) ¾ lisování za vysokých teplot (HP Hot Pressing) a izostatické lisování za vysokých teplot (HIP Hot Isostatic Pressing) ¾ Lisování za studena se používá při výrobě čisté oxidické keramiky. Polosměsná a směsná keramika se nejčastěji vyrábí lisováním za tepla.
21 / 36
¾ Jemný prášek Al2O3 se získává rozkladem hliníkových solí, nejčastěji bauxitu a následným jemným mletím. ¾ Upravený prášek s aditivami pojiva je před lisováním předspékaný při teplotě 1350-1520 °C. ¾ Lisování probíhá při tlaku 20 MPa a teplotách 1500-1700 °C. Proces HIP probíhá při tlaku 160 MPa a teplotě 1450 °C. ¾ Směsná keramika se vyrábí smícháním jemného prášku Al2O3 s TiC, TiN práškem a následným lisováním při teplotách 1500-1800 °C a tlaku 20-40 MPa. ¾ Konečný tvar získávají vyměnitelné břitové destičky řezáním, pokud jsou polotovarem tyče a následným broušením a honováním, kdy jsou vytvořeny typické úpravy řezné hrany, pro zvýšení pevnosti a odolnosti proti vylamování břitu.
22 / 36
Neoxidická (nitridická) řezná keramika [6] ¾ Nitridická keramika na bázi nitridu křemíku Si3N4 existuje ve dvou modifikacích α a β. Modifikace α Si3N4 je tvrdší než β Si3N4, ale v porovnání s oxidickou keramikou má nižší tvrdost a vyšší pevnost, tepelnou vodivost, dobrou houževnatost a odolnost proti tepelným rázům. Podle složení se nitridická řezná keramika dělí na: ¾ nitrid křemíku s různými přísadami např. MgO, Al2O3, Y2O3 orientovaný na β- Si3N4 tzv. sialon ¾ nitrid křemíku s přísadou TiN ¾ nitrid křemíku zpevněný tenkými vlákny SiC „whiskery“
23 / 36
Vlastnosti nitridické keramiky [6] ¾ Nitridická keramika se v porovnání s oxidickou keramikou vyznačuje vyšší houževnatostí, pevností v ohybu, odolností vůči cyklickému a tepelnému namáhání. ¾ Chemická stabilita a odolnost proti opotřebení je u nitridické keramiky nižší, než u oxidické keramiky. ¾ Při vysokých teplotách má nitridická keramika určité přednosti: ¾ odolnost proti oxidaci ¾ mechanickou pevnost a chemickou odolnost ¾ vysokou tvrdost a odolnost proti tepelným šokům
Tyto vlastnosti zabezpečují dostatečnou pevnost řezné hrany a zároveň odolnost proti náhlému porušení křehkým lomem a umožňují tedy použití nitridické keramiky při dokončovacích i hrubovacích operacích i v oblastech přerušovaného řezu a s použitím řezné kapaliny. 24 / 36
¾ Nitridická keramika je vhodná k obrábění šedých litin, tvárných litin, kalených ocelí, žáruvzdorných slitin, niklových slitin typu Inconel a titanových slitin. ¾ Stejně jako i oxidické keramiky jsou řezné vlastnosti zlepšovány tenkými vlákny SiC wiskery a aplikací tenkých otěruvzdorných vrstev tipu Al2O3 nebo TiN. ¾ Z některých zdrojů je zřejmé, že tenká vrstva Al2O3 má zabránit difůznímu opotřebení a trvanlivost břitu zvyšuje, na druhé straně je takový názor, že se tenká vrstva vlivem vysokého mechanického a tepelného namáhání z vysoce namáhaných míst řezné destičky „strhne“ a je tedy neúčinná.
25 / 36
Zdroj: [4] 26 / 36
Využití řezné keramiky v oblasti obrábění [4] ¾ Řezná keramika patří do skupiny netradičních řezných materiálů a její použití přestavuje cca 4–5 % z celkového objemu řezných materiálů. ¾ Řezná keramika nemá nahradit doposud používané řezné materiály, ale má rozšířit možnosti volby pro hospodárnější úběr materiálu. ¾ Existují ale specifické oblasti průmyslu jako letecký, kosmický a automobilový, kde je toto procento daleko vyšší a řezná keramika zde přispěla k celkové intenzifikaci řezného procesu, protože díky svým vlastnostem umožňuje dosahovat i řezných rychlostí vyšších než 1000 m/min. ¾ Pro efektivní využití řezné keramiky jsou ale kladeny nároky na dodržení určitých zásad popsaných výše. Většina druhů řezných keramik má jen úzkou specifickou oblast využití.viz. tab. 27 / 36
Druh řezné keramiky
Charakteristické použití řezné keramiky
Charakter řezu
Al2O3
obrábění šedé litiny a konstrukčních ocelí nepřerušovaným řezem vysokými rychlostmi za sucha
dokončovací operace
Al2O3+ ZrO2
obrábění šedé, tvárné a temperované litiny, střední a konstrukčních i zušlechtěných ocelí za sucha operace,
dokončovací částečně
přerušovaný řez střední a dokončovací operace včetně středního a dokončovacího frézování
Al2O3 + TiC
obrábění kalených ocelí a těžko obrobitelných materiálů s částečně přerušovaným řezem za sucha i s chlazením obrábění šedé litiny a tvrzených litin
Al2O3+ whiskery SiC
obrábění žáruvzdorných materiálů a kalené oceli
keramiky na bázi Si3N4
obrábění všech druhů litin, slitin na bázi Ni za hrubovací i dokončovací sucha i s chlazením operace při soustružení i frézování
Zdroj: [4]
a
žárupevných hrubovací i dokončovací operace při soustružení i frézování
28 / 36
Keramické whiskery ¾ Whiskery jsou monokrystalická krátká vlákna, kde je v maximální míře využito pevnosti výchozí chemické sloučeniny. ¾ Jejich pevnost se blíží teoretické pevnosti materiálů, protože zde prakticky neexistují poruchy krystalické mřížky a slabá místa na hranicích krystalitů (typická pro polykrystalické systémy). ¾ Typický whisker má průměr několika µm a délku několika milimetrů. Jejich poměr AR = délka / průměr se pohybuje od 50–10000. ¾ Hodí se speciálně jako zesílení do kompozitních struktur. ¾ Pro růst monokrystalů se používá techniky růstu z parní fáze. Zdroj: [3] 29 / 36
Keramické whiskery ¾ Typická je příprava SiC whiskerů z odpadu po mletí rýže. Tento odpad obsahuje celulózu a kysličník křemičitý ve vhodném poměru pro přípravu SiC. ¾ Tato surovina se zahřívá bez přítomnosti kyslíku na teplotu cca 7000ºC a pak v atmosféře dusíku při 1500 –16 000º C. Vzniká karbid křemíku jak ve formě částic, tak i whiskeru (AR≈75). ¾ Pro přípravu SiC whiskerů s délkou kolem 10 mm a tloušťkou 6 µm se volí tzv. VSL metoda (vapour-liquid-solid). ¾ Používá se par jednotlivých.složek (SiO2 a CO) ve vhodné atmosféře (CH4), které se rozpouštějí v kapalném katalyzátoru (železná kapka) na přesycenou taveninu. Z ní vyrůstá monokrystal. ¾ Takto připravené whiskery mají průměrnou pevnost 8,6 GPa a počáteční modul 581 GPa. Zdroj: [3] 30 / 36
Keramické whiskery ¾
Existuje také řada možností jak připravit monokrystaly na bázi Al2O3 (safírové monokrystaly).
¾
Při použití metody EFG (edge defined film feed) se kapilárou z molybdenu dodává roztavený Al2O3 k mezipovrchu, kde roste monokrystal. Na hraně kapiláry je vytvořen film roztavené keramiky. Jak zárodečný krystal se používá zrno safíru.
¾
Tvar monokrystalu lze ovlivnit tvarem hrany a otvoru kapiláry. Rychlost růstu mono krystalu je až 200 µm/min.
¾
Další možností je využití laseru k lokálnímu tání keramiky v místě, kde se tvoří monokrystal.
Zdroj: [3] 31 / 36
Zdroj: [7] 32 / 36
Zdroj: [7]
33 / 36
Šamot ¾ Šamot je žáruvzdorná hmota, používaná pro vyzdívky kamen, pecí a dalších výrobků a staveb, které musejí odolávat vysokému žáru. ¾ Vyrábí se z lupku. Dodává se ve formě cihel nebo malty. ¾ Moderní celolitinové krbové vložky mají topeniště vyložené 2-3 cm vrstvou šamotu, což umožňuje docílit vysokou a stálou teplotu při hoření. Ta je důležitá pro kvalitní spalován. ¾ Při vysokých teplotách totiž zůstává jen velice malé množství nedopalků. Palivo je efektivněji využívané a úspora spotřeby činí až 75%. ¾ Účinnost spalování přesahuje 80% a obsah CO ve spalinách klesne pod požadovaných 0,1%. Tím tyto šamotové celolitinové krbové vložky splňují nejpřísnější ekologické normy. ¾ Šamot se také vyznačuje dlouhou životností a schopností dlouhodobě odolávat teplotám do 1300 ºC má vynikající akumulační a vyzařovací vlastnosti. ¾ Krbová vložka s šamotovým topeništěm má tedy delší životnost a můžeme tedy poskytnout záruku podle typu od 7 do 10 let. Zdroj: [8]
34 / 36
Vlastnost Žáruvzdornost Obsah Al2O3 Objemová hmotnost Pevnost v tlaku
Zdroj: [9]
35 / 36
Garanční hodnota min. 1630°C min. 30% min.1850 kg/m3 min. 15MPa
LITERATURA [1]
http://www.ped.muni.cz/wphy/FyzVla/FMkomplet3.htm
[2]
Kratochvíl B., Švorčík V., Vojtěch D. Úvod do studia materiálů. 1. vydání. ISBN 80-7080-568-4. 2005.
[3]
www.skripta.ft.tul.cz
[4]
Česánek J.: Vývojové trendy a nasazení řezné keramiky.
[5]
Matějka J., Kapinus. V., Česánek J.: Vliv přerušovaného a nepřerušovaného řezu na řezivost řezné keramiky při obrábění kalených ocelí.
[6]
Matějka J.: Řezné materiály. KKS. ZČU Plzeň.
[7]
Tomková B.: Vláknové kompozity. Vlastnosti vyztužujících vláken I. Katedra textilních materiálů. www.ft.vslib.cz
[8]
http://www.krby-blanzek.cz
[9]
http://www.mkz.cz
36 / 36
