Miskolci Egyetem Mszaki Anyagtudományi Kar Kerámia és Szilikátmérnöki Tanszék Kerpely Antal Anyagtudományok és technológiák Doktori Iskola

Miskolci Egyetem M szaki Anyagtudományi Kar Kerámia és Szilikátmérnöki Tanszék Kerpely Antal Anyagtudományok és technológiák Doktori Iskola

Alumínium-oxid porkerámiák alakadási technológiai paramétereinek optimalizálása, különös tekintettel a mechanikai tulajdonságokra és a mikroszerkezetre PhD értekezés

Készítette:

Tamásné Csányi Judit okleveles anyagmérnök

Tudományos vezet :

Dr. Gömze A. László egyetemi docens

Miskolc 2007

Kerámia- és Szilikátmérnöki Tanszék

Department of Ceramics and SilicatesEngineering

Miskolci Egyetem M szaki Anyagtudományi Kar

Tel.:+36-46-565-111/15-66 Fax: +36-46-565-103

University of Miskolc Faculty of Materials Science and Engineering H-3515 Miskolc- Egyetemváros HUNGARY

e-mail: [email protected] http//keramia.uni-miskolc.hu

AJÁNLÁS TAMÁSNÉ CSÁNYI JUDIT „Alumínium-oxid porkerámiák alakadási és égetési technológiai paramétereinek optimalizálása, különös tekintettel a mechanikai tulajdonságokra és a mikroszerkezetre” Tamásné Csányi Judit 2001-2004. között nappali doktorandusz hallgató volt a Kerámiaés Szilikátmérnöki Tanszéken. A téma megfogalmazásakor figyelembe vettük a KEROX Kft. a MIKERON Kft. és a BAKONY Ipari Kerámia Kft. elvárásait, hogy a kereskedelemben elfogadható áron beszerezhet , nem-nagytisztaságú „alumíniumoxidpor” alapanyagból versenyképes min ség , megfelel mechanikai tulajdonságokkal bíró „víz- és gáztömör” m szaki kerámiák legyenek gyárthatóak – el állíthatóak. A téma megfogalmazásán túl a fenti 3 Kft. folyamatosan biztosította a szükséges alapanyagokat; igény esetén biztosította a szükséges alakító szerszámokat és présgépet, valamint a szinterel , éget kemencét. A témakör helyzete speciálisnak tekinthet , amennyiben a f irányt az iparilag gyártott m szaki kerámia termékek felhasználható-centrikus tulajdonságainak analízise, valamint ezen tulajdonságok elérhet sége és javíthatósága képezte a megfelel alakadási és szinterelési technológia megválasztásával. Így az anyag szerkezetének leírása esetén is a technológiai paraméterek anyagszerkezetre gyakorolt hatásának feltárása kapta a f hangsúlyt. Tamásné Csányi Judit munkavégzés közben rendszeresen igényt tartott az egyes részkérdésekben tanácsaimra. Munkáját következetesen, nagy kitartással végezte. Az alumínium-oxid sajtolóporok reológiai és reo-mechanikai tulajdonságainak megértése céljából nagy er feszítéseket tett a hiányos mechanikai ismereteinek pótlására és felzárkóztatására tankönyvek, szakmai folyóiratok sokaságának áttanulmányozásával. A kísérleti munka legfontosabb részének azt tartom, hogy a laboratóriumi eszközpark – az alakadási (sajtolási) és szinterelési (h kezel ) berendezések – teljesítmény korlátai ii

mennyiben tették lehet vé az alumínium-oxid kerámiák m szaki szempontból legfontosabb mechanikai és anyagszerkezeti tulajdonságainak befolyásolhatóságát, az el állított anyag mikroszkopikus tulajdonságainak megismerését. A rendelkezésre álló alapanyagok és laboratóriumi eszközök szigorúan adottak voltak, ezekhez képest a Jelölt kihozta a maximumot. A m szaki kerámiák gyártására használt alumínium-oxid porok reológiai vizsgálatainál a jelölt sikeresen használta a kombinált reo-tribométer, míg a mechanikai vizsgálatoknál a rendkívül nagy nyomószilárdság miatt hajlító vizsgálatokra került sor. A kiégetett alumínium-oxid porkerámiák anyag szerkezetét diffrakciósan, a töretfelületét pedig SEM módszerrel elemezte. Ezek a vizsgálatok feltárták az alakadási és alkalmazott szinterelési technológiák hatását, kapcsolatát a kiégetett alumínium-oxid porkerámiák mechanikai tulajdonságaira és mikroszerkezetére. A fentiek alapján a Jelölt által elvégzett munkát értékesnek és figyelemre méltónak tartom. A dolgozatot magát úgy a bírálók, mint az olvasók, a potenciális ipari és tudományos felhasználók számára szintén ajánlom. Miskolc, 2007. május 14. Dr. Gömze A. László

iii

Tartalomjegyzék Bevezetés, célkit zések ................................................................................................................................ 2 1. Alumínium-oxid kerámiák alakadási és égetési (szinterelési) technológiáiban eddig elért eredmények kritikai elemzése.......................................................................................................................................... 4 1.1 Alumínium-oxid kerámiák tulajdonságai.................................................................................. 5 1.2. Alumínium-oxid sajtolóporok tulajdonságai és ezen tulajdonságok befolyásolási módszerei.. 7 1.2.1 Alumínium-oxid sajtolóporok tulajdonságai........................................................................ 7 1.2.2. Az alumínium-oxid sajtolópor tulajdonságának befolyásolási módszerei ........................... 9 1.3. Alumínium-oxid sajtolóporok reológiai tulajdonságai ........................................................... 10 1.3.1. Az ömlesztett anyagok –porok- mechanikája, reológiája................................................... 11 1.3.2. Reológiai modellek és reo-mechanikai anyagegyenletek................................................... 11 1.4. Magas Al2O3 tartalmú kerámiák alakadása száraz porsajtolással ......................................... 17 1.4.1. Az alumínium-oxid porok sajtolásának legelterjedtebb módjai ......................................... 17 1.4.2. A porsajtolási elméletek fejl dése...................................................................................... 19 1.4.3. Porsajtolás mechanikai méretezési modelljei .................................................................... 20 1.4.4. Sajtolóporban sajtolás közben kialakuló nyomásviszonyok, nyomáseloszlások elemzése . 24 1.5. Az alumínium-oxid kerámiák szinterelésekor lejátszódó átalakulások, jelenségek........................ 28 1.5.1. A szinterelés alaptételei ..................................................................................................... 28 1.5.2. Szinterelés nitrogén atmoszférában ................................................................................... 32 1.6. Összegzés ................................................................................................................................ 37 2. Kísérleti módszerek, elvégzett vizsgálatok ............................................................................................ 38 2.1. Az alkalmazott kísérlettervezési módszer bemutatása............................................................. 40 2.2. Reológiai tulajdonságok vizsgálatára végzett kísérletek ........................................................ 42 2.3. Alakadási és szinterelési tulajdonságok vizsgálatára végzett kísérletek................................. 45 2.4. Zsengélt és égetett kerámiák vizsgálata .................................................................................. 50 2.5. Összegzés ................................................................................................................................ 55 3. Alumínium-oxid kerámiák sajtolási, tömörödési vizsgálata ................................................................ 56 3.1. Alumínium-oxid sajtolóporok reológiai vizsgálata................................................................. 56 3.2. Az alumínium-oxid porok sajtolási, tömörödési vizsgálata .................................................... 66 3.3. Sajtolási paraméterek hatása a kiégetett Al2O3 kerámiák tulajdonságaira ............................ 68 3.4. Eredmények összegzése........................................................................................................... 74 4. Az égetési (szinterelési) atmoszféra hatása a magas Al2O3 kerámiák tulajdonságaira....................... 75 4.1. Szinterelési atmoszféra és a h mérséklet hatása a mikroszerkezetre..................................... 75 4.2. A szinterelési h mérséklet és a sajtoló nyomás együttes hatása a sajtolt alumínium-oxid kerámiák tulajdonságaira ..................................................................................................................... 84 4.3. Összegzés ................................................................................................................................ 87 Összefoglalás............................................................................................................................................. 88 Summary ................................................................................................................................................... 90 Tudományos eredmények, az értekezés tézisei ......................................................................................... 92 Irodalomjegyzék ........................................................................................................................................ 95 1. sz. MELLÉKLET ................................................................................................................................ 101 2. sz. MELLÉKLET ................................................................................................................................ 122 3. sz. MELLÉKLET ................................................................................................................................ 130

1

Bevezetés, célkit zések A hagyományos Al2O3 kerámiák a m szaki kerámiák 2. illetve 3. generációjához tartoznak „szennyezettségük” miatt. Ugyanakkor a nagytisztaságú, különleges feltételek mellett gyártott – alakított és szinterelt - Al2O3 termékek a m szaki kerámiák 4. illetve 5. generációjába sorolhatók. A mi célunk az, hogy megfelel technológiai feltételek létrehozásával és annak gyártás során történ biztosításával a 2. és 3. generációhoz tartozó „szennyezettség ” Al2O3 alapanyagból ilyen 4. vagy 5. generációhoz tartozó kerámiákkal egyez mechanikai, fizikai tulajdonságú termékeket hozzunk létre. A Bayer-eljárás során a nagymennyiségben el állított alumínium-oxid, mint keramikus alapanyag forradalmasította ezen anyagok elterjedését és ipari alkalmazását; tekintettel arra, hogy ezek a m szaki kerámiák kiváló mechanikai, fizikai és elektromos tulajdonsággal rendelkeznek, valamint a vegyi anyagokkal és a korrózióval szemben is igen ellenállóak. Ugyanakkor napjainkban még számos megválaszolatlan kérdést tartogat számunkra ez az anyag, mivel el térbe kerültek olyan felhasználási területek, mint a különleges mechanikai és fizikai igénybevételek, orvosi alkalmazások, elektronika és nanotechnológia. A felhasználási területt l függetlenül a termékek el állításában közös, hogy azok alakadása és a szinterelése a portechnológiában jól bevált módszerekkel történik. Ehhez ismerni kell a porok reológiáját, viselkedését az adagolás, töltés és az alakadás során. Számos szerz

foglalkozik az önt iszapok

[1,2,3,4,5] illetve 20-30% nedvességtartalmú masszák reológai tulajdonságaival[6,7,8], nemcsak a kerámia iparban, de a gyógyszeriparban is a különböz

porok folyási

tulajdonságainak jellemzésére, leírására. Ismert alakadási technológia az alumíniumoxid m szaki kerámiák száraz porsajtolásának területén az egy- és a kétoldali sajtolás [9,10,11,12], valamint az izostatikus préselés [13,14]. A sajtolás folyamatát, elvét és hatásmechanizmusát számos szakirodalom ismerteti [15,16,17]. Ezekb l egyértelm en kit nik, hogy a kerámiatermékek tömörödését a porok szemcseméretével és szemcseszerkezetével, sajtolónyomásokkal

valamint tudjuk

az

irányítani,

alkalmazott

alakadási

befolyásolni.

A

technológiával

sajtolási

feltételek

és és

technológiákon kívül a szinterelés módja is jelent s mértékben befolyásolja a kerámia termék min ségét, attól függ en, hogy az milyen típusú kemencében és atmoszférában történik. A tömörödésre és a mikroszerkezet kialakítására összességében hat a porok karakterisztikája, a por összetétele, az alkalmazott adalékanyagok, a szinterelési

2

atmoszféra és a h ntartási id . Az átkristályosodás és a diffúzió szempontjából elvárt tulajdonságai a poroknak és nyers próbatesteknek általában jól ismert. Az agglomerátumok és a gyártott próbatestek inhomogenitásának hatása a kiégetett kerámiák mikroszerkezetében jelentkezik. Az értekezés a reológiai jellemz k mellett, bizonyos tömörít

feszültség és

szinterelési atmoszféra hatásmechanizmusát vizsgálja és feltárja azok ok-okozati összefüggéseit a gyártott termék mikro- makroszerkezetére, valamint fizikai, mechanikai tulajdonságaira. Az értekezés célkit zései: 1.

Az alumínium-oxid atomizer porok reológiai tulajdonságainak feltárása az

alakítástechnológia

számára

használható

anyagmodellek

és

anyagegyenletek felállítása. 2.

A termék tulajdonságai

mikro- és

makroszerkezetének,

szempontjából

optimális

–

valamint mechanikai vagy

közel

optimális

sajtolónyomás értékek meghatározása; különös tekintettel arra, hogy az alakadáskor használt sajtolónyomással befolyásolhatók-e a mechanikai tulajdonságok, megközelíthet k-e vagy elérhet k-e a 4 - 5. generációs nagytisztaságú alumínium-oxid termékekre jellemz szilárdsági értékek. 3.

Megvizsgálni és feltárni, hogy az alumínium-oxid szinterelésekor kifejt-e a nitrogén véd gáz olyan pozitív hatást a kerámia termékek anyagszerkezetére és mechanikai tulajdonságaira, mint ahogyan ez megfigyelhet

az acélötvözetek nitridálásakor, illetve karbonitridálása

során. 4.

Megvizsgálni

és

feltárni,

hogy

a

megfelel

gyártástechnológia

kialakításával a hagyományos tisztaságú, „szennyezettség ” 92-99,7% Al2O3-tartalmú alapanyagokból el állíthatók-e olyan kiváló mechanikai tulajdonságú termékek, mint amilyeneket a

4 - 5. generációs

nagytisztaságú Al2O3-ból gyártanak.

3

1. Alumínium-oxid kerámiák alakadási és égetési (szinterelési) technológiáiban eddig elért eredmények kritikai elemzése A m szaki kerámiaipar eltér

szemcseméret

és szemcseszerkezet , illetve

tisztaságú alumínium-oxid (korund) porokat használ termékeinek el állítására. Ezek közös jellemz je, hogy mesterséges úton a bauxitból állítják el a jól ismert Bayereljárással. A vörös szín amelyekben különböz

bauxit hazánkban is jelent s mennyiségben található,

hidroxidok formájában fordul el : AlO(OH) alakban a

kristályszerkezett l függ en, mint böhmit (γ-AlO(OH)) vagy diaszpor (γ-AlO(OH)); (Al2O3 . 3H2O) alakban mint hidrargillit (Al2O3⋅3H2O) vagy más néven gibbsit (γAl(OH)3). [18]. Tiszta α-Al2O3 s r bb, keményebb, merevebb és nagyobb olvadáspontú, mint a legtöbb szilikát kerámia (Morell, 1987)[19]. Ezért a kerámiaipar az α-Al2O3-ot részesíti el nyben a korund más módusulataival szemben. Az alumínium-oxid módosulatait az 1.1. ábra mutatja be.

T, °C

1.1. ábra: Az alumínium hidrátok dehidratációja

(Átvéve: Walter H. Gitzen: Alumina as a ceramic material, 17. oldal, 5. ábra)[20]

A préspor el állításához nagy tisztaságú timföld mellett különböz adalékanyagokat (talkum, kalcit, kaolin és bentonit) is használnak. Ezért a 92% Al2O3 tartalmú présport m szaki kerámia termékek el állításához az ipar már jónak tartja, mivel ebb l már nagy mechanikai szilárdságú víz- és gáztömör termék állítható el , miközben a technológiai tulajdonsága is kedvez . Így például a kaolin rlésnél iszapban tartja a finomszemcsés

4

anyagot, a talkum a szinterelésnél az „üvegfázis” létrejöttéhez szükséges, míg a bentonit a nyerstermék szilárdságát növeli. A kerámiaiparban használt alumínium-oxid porokat porlasztásos technológiával állítják el megfelel mérték olajsavas emulzió és PVA oldat hozzáadásával. A fémszappanok közé tartozó szerves vegyület (C17H35COO)2Ca, a Ca-sztearát hozzáadásával megakadályozható a sajtolópor feltapadása a sajtoló szerszám falára. A sajtolt termék min sítésére, repedések, porozitások kimutatására gyakran használják a fuxint.

1.1

Alumínium-oxid kerámiák tulajdonságai Az Al2O3 kristály szerkezetét legegyszer bb úgy elképzelni (1.2. és 1.3 ábra),

hogy egy hexagonális rácsú szoros térkitöltés oxigén rács oktaéderes lyukaiban vannak az Al-atomok. Mivel a hexagonális rácsban az atomok száma és az oktaéderes lyukak száma megegyezik, minden lyukban nem jut Al, csupán három közül kett be.[21]

a)

b) A hexagonális rácsú oxigén

1.2. ábra: Hexagonális rácsú oxigén

(Átvéve: a) Dr. BárczyPál: Anyagszerkezettan , 98.oldal b) F. Filser & L.J. Gauckler: Keramische Werkstoffe, Kapitel 4: 4 Beispiele für strukturkeramische Werkstoffe)

A nagytisztaságú Al2O3 átlagos szemcsemérete 5-10 m. Azonban a szennyez tartalom hatására kialakuló üveges fázis a szemcsehatárokon helyezkedik el és az átlagos szemcseméret akár 100µm is lehet (1.4. ábra). Az Al2O3 kerámiák tisztaságától és el állításától függ en lényeges különbségek alakulhatnak ki az egyes termékek szerkezetében és tulajdonságaiban.[22,23]

5

1 . 1.3. ábra: Hexagonális rácsú oxigén

(Átvéve: F. Filser & L.J. Gauckler: Keramische Werkstoffe, Kapitel 4: 4 Beispiele für strukturkeramische Werkstoffe)

.

a) Mikroszemcsék

b)Durvaszemcsék

1.4.ábra: Alumínium-oxid kerámiák szövetszerkezete

(Átvéve: F. Filser & L.J. Gauckler: Keramische Werkstoffe, Kapitel 4: 4 Beispiele für strukturkeramische Werkstoffe)

A különböz tisztaságú Al2O3 kerámiák tulajdonságait az 1.1-1.3. táblázat ismertetik. A táblázatból jól látható, hogy minél nagyobb tisztaságú alumínium-oxidot használunk, annál kedvez bb mechanikai, elektromos és termikus tulajdonságokkal bír a kiégetett kerámia. 1.1. táblázat Az Al2O3 mechanikai tulajdonságai [24] MECHANIKAI TULAJDONSÁGOK Nyitott porozitás:

JELE

AL2O3

AL2O3

AL2O3

AL2O3

EGYSÉGE

< 90%

92 - 96%

99%

> 99%

V/V %

0

0

0

0

S r ség:

g/cm3

> 3,2

> 3,4

> 3,5

3,75 - 3,94

Hajlítószilárdság:

MPa

> 200

> 250

> 280

300 - 520

Rugalmassági modulusz:

-

MÉRTÉK-

E

Keménység:

HV

Mechanikai szívósság:

K1C

GPa MPa m

> 200

> 220

220 - 350

300 - 380

12 - 15

12 - 15

12 - 20

17 - 23

3,5 - 4,5

4 - 4,2

4 - 4,2

4 - 5,5

6

1.2. táblázat Az Al2O3 elektromos tulajdonságai [24] ELEKTROMOS

JELE

TULAJDONSÁGOK Átütési szilárdság:

MÉRTÉK-

AL2O3

AL2O3

AL2O3

AL2O3

EGYSÉGE

< 90%

92-96%

99%

> 99%

kVmm-1

10

15

15

17

-

9

9

9

9

0,5

0,5

0,2 – 0,5

0,2 – 0,5

1

1

1

ED

Permittivitás (48-62 Hz) Veszteségi tényez 20 ºC-on; (48-62 Hz)

tan

Veszteségi tényez 20 ºC-on; (1 MHz)

tan

-3

kf

10

kf

10-3

Fajlagos villamos ellenállás (20 ºC-on):

20

m

Fajlagos villamos ellenállás (600 ºC-on):

20

m

12

10 – 10

13

12

10 – 10

106

13

12

1

10 – 10

106

15

12

10 – 1015

106

106

1.3. táblázat Az Al2O3 termikus tulajdonságai [24] TERMIKUS TULAJDONSÁGOK

JELE

H kapacitás (30-1000 ºC): H vezetés

c 30-100

MÉRTÉK-

AL2O3

AL2O3

AL2O3

AL2O3

EGYSÉGE

< 90%

92-96%

99%

> 99%

-1

Jkg K

850 - 1050

850 - 1050

850 - 1050

850 - 1050

Wm-1K-1

10 - 16

14 - 24

16 - 28

19 - 30

jó

jó

jó

jó

1400-1500

1400-1500

1400-1500

1400-1700

H mérséklet-változás elleni ellenállás Max. használati h mérséklet:

1.2.

T

ºC

-1

Alumínium-oxid sajtolóporok tulajdonságai és ezen tulajdonságok

befolyásolási módszerei 1.2.1 Alumínium-oxid sajtolóporok tulajdonságai Ismeretes, hogy tömörség szempontjából az a legjobb szemcseszerkezet, ahol az egyes frakciók aránya állandó.

d d1 d 2 ≈ ≈ n ≈ ... ≈ const. d 2 d 3 d n −1 Ugyanis ebben az esetben érhet

(1.1)

el a legjobb térkitöltés, a legkisebb hézag és a

pórustérfogat és így az adott anyagnál a legnagyobb tömörség szerkezet [25]. A kerámiaporok kívánt szemcseszerkezetét aprítással,

rléssel állítják el .

Elégtelen aprítás esetében a szemcseszerkezet durva, ennek hatására az égetett termék felülete is durva. Ezáltal az elkészített termék keménysége, kopásállósága, felülete, alaki min sége jelent s mértékben lecsökken [25]. Ugyanakkor a nyersanyagok túlzott aprítása esetén számolni kell a kiporzással és a fajlagos felület növekedésével. A megnövekedett felület hasznos, mivel vele arányosan növekszik a felületi energia és ezáltal a szilárd fázisban lejátszódó reakciók sebessége. Grofcsik szerint a maximális 7

térkitöltés kerámiaporokat porlasztva szárítással állítják el , mivel az ekkor el állított sajtolómassza szemcséi gömbszimmetrikusak, ugyanakkor heterogén méret ek [17,26]. A heterogén szemcseszerkezet térkitöltése kedvez bb, mivel homodiszperz, gömblakú szemcsék esetében a szemcsék egymás melletti helyezkedésekor ugyanannyi üres tér keletkezik, mint nagyobb vagy kisebb szemcsék tömörülésekor. Ha ellenben a nagyobb gömböcskék hézagait kisebb gömbökkel töltjük ki, ezzel polidiszperz rendszerre térünk át, és a térfogats r ség tovább növelhet , illetve a térkitöltés nagyobb (1.5. ábra).

a) Homodiszperz préspor

b) Polidiszperz préspor

1.5. ábra: Homodiszperz és polidiszperz préspor

(Átvéve: Grofcsik János: A kerámia elmélet alapja, 666. oldal)[17]

Minél kisebb az átlagos szemcsenagyság, annál kisebbek a pórusok, és annál el nyösebb

a

formadarab

égetési

viselkedése.

Az

átlagos

szemcsenagyság

csökkenésének határt szab azonban a por fajlagos térfogatának növekedése, illetve a sajtolt darab szilárdságának csökkenése.[17] A préspor szemcsenagysága a késztermék térfogatára is nagy befolyással van. Azonos körülmények között a finomabb porból sajtolt darab s r sége égetés után nagyobb. A viszonyokat vázlatosan az 1.6 ábra mutatja be.

8

1.6. ábra: A sajtolt darab égetés utáni s r sége a préspor szemcsenagyságának függvényében (Átvéve: Grofcsik János: A kerámia elmélet alapjai, 667. oldal)[17]

Ez a hatás azzal magyarázható, hogy finom szemcsék esetében a fajlagos felület er sen megnövekszik, és a felületi er k kölcsönhatása következtében az összekristályosodás el bb indul meg [17]. 1.2.2. Az alumínium-oxid sajtolópor tulajdonságának befolyásolási módszerei A sajtolóporok tulajdonságait rendszerint vagy

rlés közben vagy utólagos

adalékanyag hozzáadásával és homogenizálásával állíthatjuk el . rléssel állíthatjuk el a kívánt szemcseméretet és szemcseszerkezetet. A durvább szemcseszerkezet alapanyagok folyási tulajdonságai jobbak, mint a finomabbaké. Ezért a kerámia sajtolóporok esetében a 20-200µm közötti szemcseméret-eloszlás ajánlott. Amennyiben az alapanyag 10%-ának a mérete kisebb, mint 20µm, akkor nemcsak a folyási tulajdonságok romlanak, de a préspor feltapad a sajtolószerszám felületére is. Ezért közkedveltek a kerámiaporok el állításánál az atomizerek, mert nemcsak a megfelel szemcseméret és szemcseszerkezet állítható el , de itt adagolható a porokhoz a különböz min ségjavító adalékanyagok is, amennyiben az rlés el tt, rlés közben nem történt meg. Ilyen min ségjavító adalékanyagok a következ k: •

Diszpergálószer: csökkenti a viszkozitást. Az atomizerbe beadott adagban a nagy szilárdanyag tartalom a kedvez , mert ennek segítségével magas tests r ség alapanyagot állíthatunk el ,

•

Köt anyag: a nyers szilárdság növelésére használják,

9

•

Folyósítószer: a köt anyag lágyságát növeli, és csökkenteni a por-köt anyag keverék nedvesség érzékenységét,

•

Csúsztató adalék: csökkenti a bels súrlódási együtthatót,

•

Nedvesít anyag: az anyag reológiai tulajdonságainak befolyásolása a mellett csökkenti a szinterelési id t és h mérsékletet.

A fentieken kívül gyakran alkalmazott adalékanyag még a polivinil alkohol, ami poliglükollal van képlékenyítve, valamint a mikrokrisztallin-viasz emulzió, és az akrilviasz köt anyagok. A csúszási tulajdonságokat javító adalékként kedveltek még a sztearátok, és a korábban már említett talkum. Diszpergálószerekként összetett anionos karboxil savakat alkalmaznak. Mivel az agglomerátum tulajdonságai befolyásolják a kés bbi termék tulajdonságait, a nem megfelel el készítés maradó porozitást, alacsony szilárdságot,

és

rossz

felületi

tulajdonságokat

okozhat

a

m szaki

kerámia

termékekben.[27,28]

1.3.

Alumínium-oxid sajtolóporok reológiai tulajdonságai Az alumínium-oxid sajtolóporok reológiai tulajdonságainak vizsgálatával csak

néhány szakirodalom foglalkozik. Ezek közül jelent s Carneim és Messing munkája. Kutatásuk során a szerves köt anyag és plasztifikátor tartalom hatását vizsgálják uniaxiáls sajtolás esetén. A tanulmányban ismertetik, és figyelembe veszik a plasztifikátorok viszkoelasztikus tulajdonságát is. A kísérletek során azonban nem kaptak szignifikáns eredményeket a sajtolópor és a plasztifikátor együttes hatására.[29] Piccolroaz és társai egy új módszert dolgoztak ki, mellyel a granulátumok sajtolásakor a mechanikai terhelés hatására végbemen

deformáció, valamint a

granulátumok közötti kohézió mértéke határozható meg, illetve írható le. A sajtolás jellemzésére elaszto-plasztikus, magyarul képlékeny-rugalmas mechanikai modellt alkalmaztak.[30] Bruni, Lettieri, Newton és Barletta vizsgálták a szemcseméret-eloszlás hatását az alumínium-oxid porok folyási és reológiai viselkedésére. A reológiai tulajdonságok feltárására Peschl nyírócellát használtak. Megállapították, hogy a folyási tulajdonságot alapvet en befolyásolja a szemcseméret, a szemcsék közötti kohéziós er k.[31]

10

A bonyolult, nemlineáris, képlékeny-viszkorugalmas szilikátipari nyersanyagok és félkész termékek reológiai tulajdonságainak vizsgálatával, reológiai modelljeinek meghatározásával, a vizsgálat során ébred

feszültség-állapotnak matematikai

elemzésével a Kerámia- és Szilikátmérnöki Tanszék már hagyományokkal rendelkezik. Gömze A. László és munkatársai a bányanedves agyagásványok aprítását, az azbesztcement masszák extrudálhatóságát, csigasajtóval el állított termékek préselés utáni feszültség-állapotát, továbbá aszfaltkeverékek reológiai tulajdonságait vizsgálta. [7,8,32,33,34] 1.3.1. Az ömlesztett anyagok –porok- mechanikája, reológiája Az ömlesztett anyagokban vagy szemcsés halmazokban a küls terhek és a saját súly

hatására

feszültségek

jönnek

létre.

Egy

tetsz leges

pontban

fellép

feszültségállapot a Mohr-féle kördiagrammal adható meg. A szemcsés halmazok határállapota akkor következik be egy bizonyos pontban, ha a pontbeli feszültségi állapot Mohr-diagramja elér egy bizonyos határgörbét. Tapasztalat szerint a határgörbe sok esetben jól közelíthet egy egyenessel, amely az alábbi egyenlettel írható fel:

τ = tgΦ ⋅ σ + c

(1.2)

Ezt a határgörbét más néven Coulomb-egyenesnek hívják, ahol c az elemek közötti kohézió,

pedig a bels súrlódás szöge, illetve tg

a bels súrlódási tényez . Olyan

anyagoknál, mint a száraz homok – a szemcsés anyag kohéziója zérus és a határgörbe az origóból indul ki. [35] 1.3.2. Reológiai modellek és reo-mechanikai anyagegyenletek Küls er k által gerjesztett mechanikai feszültségek hatására az anyagban lejátszódó (id t l függ ) deformáció, alakváltozás leírására az alábbi három alapmodell szolgál. Ezek: az ideálisan rugalmas anyag, az ideálisan viszkózus anyag és az ideálisan képlékeny anyag. Amennyiben egy E rugalmassági, illetve G csavaró modulussal bíró ideálisan rugalmas testet t0 id pontban egy σ0 nyomó vagy τ0 csavaró igénybevételnek tesszük ki, az ε0 és

γ0 fajlagos alakváltozás nagysága az

11

ε 0 = σ 0 / E és γ 0 = τ 0 / G

(1.3)

összefüggésekkel írható le. Ezekre az anyagokra általában elmondható, hogy:

σ = Eε

σ = Eε

és

τ = Gγ

Gγ

(1.4)

vagyis az ideálisan rugalmas testre (anyagokra) a Hook-törvény érvényes. Ezért ezeket az anyagokat Hook-féle anyagoknak is nevezzük. Amennyiben egy η= konstans viszkozitású ideálisan viszkózus (Newton-féle folyadék) testet egy t0 id pontban egy konstans σ0 mechanikai feszültséggel megterhelünk, akkor az alakváltozás mértéke az id vel lineárisan változik és felírható a

σ0 =η

dε = ηε dt

(1.5)

ahonnan

ε = (t − t 0 )

σ0 η

(1.6)

Amennyiben ti > t0, úgy ε = εi - azaz az anyagban (testben) egy id t l függ εi nagyságú maradó alakváltozás lép fel. Ez azt jelenti, hogy állandó terhel feszültség esetén az ideálisan viszkózus anyag állandó folyásban van. Amennyiben egy σs = const statikus folyáshatárral bíró ideálisan képlékeny testre (Saint-Venant-elem) a statikus folyáshatárt el nem ér σ küls mechanikai feszültség hat, úgy az alakváltozás nagysága zéró, azaz:

σ < σ s , akkor ε = 0

(1.7)

Amennyiben a testre ható küls mechanikai feszültség σ nagyobb vagy egyenl a σs statikus folyáshatárhoz tartozó feszültség, azaz

σ s < σ , akkor ε → ∞

(1.8)

Az (1.8) összefüggésb l könnyen belátható, hogy a végtelenhez tartó állandó folyás lép fel már abban az esetben is, amikor σ - σs = 0.

12

Valós anyagok reológiai tulajdonságai viszonylag nagy pontossággal leírhatók ezeknek az ideális anyagoknak a sorba, illetve párhuzamba kapcsolásával. Ezek közül a legismertebbek a Maxwell modell (1.7. ábra) és a Voigt-Kelvin modell (1.8. ábra). Maxwell-féle reológai modell: Ezeknél az anyagoknál a terhelés kezdetén az összes feszültséget a rugalmas tag veszi fel. A rugó elmozdulásával a viszkózus elem is mozogni kezd, majd a rugó teljes alakváltozásakor a feszültség hatását a teljes egészében a viszkózus tag veszi át. A rugalmas tag a Hook törvényt követi, míg a viszkózus rész a Newton törvénynek tesz eleget. A soros modellnél a deformációk összegez dnek, a reológiai egyenlet a következ alakban írható fel:

ε = εr + εc dε dε r dε c = + dt dt dt

(1.9)

dε 1 dσ σ = + dt E dt η

(1.10)

Állandó megnyúlás esetén: dε =0 dt

σ = σ 0e

−

t T

(1.11)

Azonos érték deformáció fenntartásához id ben exponenciálisan csökken feszültség szükséges. Ezt a jelenséget a reológiában relaxációnak nevezik.

1.7. ábra: A Maxwell modell A valóságos anyagokban visszamaradó deformáció hosszabb id után is tapasztalható, ez azonban a Maxwell modellb l nem következik. További hibának tekinthet , hogy

13

állandó feszültség (

dσ = 0) mellett a modell az anyagot newtoni, ideális anyagként dt

kezeli. Boltzman arra mutatott rá, hogy a testre t id ben m köd

σ feszültséget

nemcsak a t id höz tartozó alakváltozás befolyásolja, hanem az esetleges korábbi alakváltozások is; így bevezette az „utóhatás” függvényét. A reológiai viselkedés viszonylagos. Ez azt jelenti, hogy minden reológiai anyag vizsgálata esetén szükséges az észlelési id helyes megválasztása. A relaxációs mérések során ezt mutatja meg a Deborah-szám, amely a relaxációs (tr), és a megfigyelési id (tm) hányadosa: (1.12)

DN = trelaxációs / tmegfigyelés DN

0 folyadék; DN

szilárd

Ez az érték nagyon anyagfügg , mert még a k zetek is folynak geológiai id tartam alatt. A Voigt – Kelvin modell egy rugó és egy csillapító elem párhuzamos kapcsolatából áll el (1.8. ábra). A terhelésként ható er következtében a rugalmas és a viszkózus elem együtt mozog. A viszkózus elem a deformációtól függetlenül állandó er t vesz fel, míg a rugó által felvett er nulláról lineárisan növekszik. Ekkor a modell alakváltozása (ε), a rugalmas elem (εr) és a viszkózus elem (εc) alakváltozása azonos kell legyen, tehát

ε = εr = εc

(1.13)

és a küls terhel feszültség (σ) egyenl a rugóelem (σr) és a csillapító elem (σc) bels feszültségeinek összegével, azaz

σ = σr +σc

σ = Eε + η

σ E

=ε +

η dε E dt

(1.14)

dε dt

= ε +T

(1.15)

dε dt

(1.16)

14

Id ben állandó feszültség (

T

dσ = 0) esetén: dt

d 2 ε dε + =0 dt 2 dt

ε = ε e − (ε e − ε 0 )e

−

t T

(1.17)

Így az alakváltozás-id függvény a:

σ0

ε (t ) =

E

(1 − e

E − t

η

(1.18)

1.8. ábra: A Voigt-Kelvin modell A Voigt-Kelvin modellben a rugalmas deformáció hosszabb id után asszimptótikusan közelíti meg a maximális deformációt. A deformáció megsz nése után a relaxációhoz hasonló jelenség tapasztalható. A Voigt-Kelvin modell sem írja le megfelel en az összes (

terhelési

módra

az

anyagok

viselkedését,

pl.

konstans

alakváltozás

dσ = 0) esetén elasztikusként azaz ideálisan rugalmas testként kezeli az anyagot. dt

Napjainkban – különösen a kerámiák és a szilikátipari alapanyagok és termékek mechanikai viselkedésének kutatásában [36] – kett nél több alkotó elemb l álló reológiai modelleket használnak. A többelemes modellek az egy vagy kételemes modellek kombinálásával, ezek egyenleteinek és görbéinek, mint görbeszakaszoknak az összeillesztésével írhatók le. Ezért az elemek számának növelésével a görbéket leíró egyenletek egyre bonyolultabbak lesznek. A legpontosabb leírást akkor kapnánk, ha minden pont pár esetét végig vizsgálnánk, de ez matematikailag lehetetlen. Ezért az anyag, mérési görbéjét szakaszokra bontjuk, majd a szakaszokat modellezzük és ezek modelljeit, illetve egyenleteit kapcsoljuk össze modell és egyenlet-rendszerekké. Általánosságban a kételemes rendszerek soros vagy párhuzamos kombinációit alkalmazzák, de esetenként egy elemes, alapmodelleket is bekapcsolnak a rendszerekbe. 15

A soros modell rendszereknél a feszültségek összeadódnak, míg a párhuzamosoknál eloszlanak a modellágakra, és a deformációk adódnak össze. A valóságos anyagok nagy része (pl. üvegszer anyagok, polimerek) csak nem-lineáris anyagként írhatók le. Ez azt jelenti, hogy valamilyen eltérést mindig tapasztalunk az eredeti, lineáris, illetve lineárisra visszavezethet

modellekt l. Ez az eltérés csökkenthet , újabb és újabb

modell-elemek beépítésével, de ez egyre bonyolultabb összefüggéseket eredményez, és egy bizonyos határ után már nem javít lényegesen a közelítés pontosságán. A másik lehet ség egy kísérleti úton meghatározható konstans hatványkitev bevezetése, ami az eredeti modellt l való eltérést mutatja. Ez a konstans valószín leg anyagfügg . Az −t

irodalom ezt a konstanst -nak nevezi, és az e T tartalmú tag(ok) hatványkitev jeként javasolja bevezetni. Így például a Maxwell modell eredeti egyenlete (1.10) a következ képpen módosul: (Kohlrausch fractional stretched exponent formula = szakaszosan nyújtott exponenciális egyenlet):

σ =σ0 e

A

−

t T

β

(1.19)

konstans kísérleti úton kimérhet konstans. A Maxwell modell esetén lecsengési

tényez nek nevezzük. Általános rugó modell esetén szilárdulási vagy keményedési tényez ként találkozunk vele. Értéke nagy általánosságban 0,3

0,8 . A

fizikai

értelme, hogy a számított relaxációs id , egy aggregátumonkénti átlag. Vagyis molekuláris szinten több relaxációs id

is elképzelhet , és ezek spektrumának

szélességét jelenti a . Ha ez az érték 1, vagyis a függvény exponenciális, csak egyféle relaxációs id létezik (Maxwell modell szerint viselked anyag). Minél közelebb van ez az érték 0-hoz, annál szélesebb a spektrum. 0 esetén mindenféle relaxációs id elképzelhet lenne (ilyen nincs).[35,36,37,38]

16

1.4.

Magas Al2O3 tartalmú kerámiák alakadása száraz porsajtolással Közismert, hogy a formázás mechanikája nagymértékben függ a formázandó

anyag (por) reológiai tulajdonságaitól, valamint konzisztenciájától. Alumínium-oxid kerámia porok sajtolása történhet egy- vagy kétoldali egytengely többtengely

sajtolással,

uniaxiális és izostatikus sajtolással. Valamennyi esetben ugyanakkor

porlasztva szárításos – atomizer – technológiával el állított eltér szemcseszerkezet granulált port alkalmaznak [28]. 1.4.1. Az alumínium-oxid porok sajtolásának legelterjedtebb módjai

Az

alumínium-oxid

porok

tömörítését

leggyakrabban

egytengely

sajtológépeken végzik, ahol egy kényszerpálya (vezérpálya) mentén mozog a szerszám, amely rendszerint a fels bélyeg. A port felülr l egy tölt kocsi segítségével töltik be a szerszámüregbe vagy présszerszámba. A fels

bélyeg az alsó bélyeggel szemben

kifejtett er vel tömöríti a port. Az egyoldali sajtolást rendszerint az egyszer , síkfelület

termékek nagy mennyiségben történ

el állítására használják. [39]

Bonyolultabb felület vagy geometriájú termékek el állítására kétoldali sajtológépeket használnak, ahol egyidej leg mozgatható a fels és az alsó bélyeg, illetve a két bélyeg közül az egyik valamint a szerszámüreg vagy présforma. [39] A m szaki kerámiák gyártásánál rendszerint mozgó présformát (matricát) használnak, melynek egy tipikus megoldását az 1.9. ábra ismerteti. [39]

1.9. ábra: A mozgó szerszámüreges sajtológép elvi m ködésének lépései

(Átvéve: R.L.K. Matsumoto: ASM International Handbook Comitee – Vol. 4, 142. oldal)

17

Egyidej , párhuzamos uniaxiális sajtoláshoz rendszerint hidraulikus és mechanikus sajtológépeket alkalmaznak. Ezzel a berendezéssel már több párhuzamos síkok is mozgathatóak

egyidej leg.

Mindhárom

esetben

nagyon

fontos

a

sajtolópor

szemcseméretének és szemcseszerkezetének helyes eloszlása a présformában, valamint a megfelel sajtolónyomás el állítása [39]. Kerámiaporok sajtolásánál mindhárom esetre jellemz az alábbi m veletsor: töltés, el sajtolás, kileveg ztetés, végsajtolás, kitolás vagy présszerszám lehúzás, és a sajtolt termék eltávolítása. Kileveg ztetésre azért van szükség, hogy az el sajtolt sajtolópor pórusai közül a leveg ,

illetve a bezárt gázok eltávozhassanak. Ellenkez esetben a bent maradt (és összesajtolt) leveg , gáz a sajtolóer megsz nése után a terméket szétfeszíti. A forró egytengely sajtolást, vagy más néven nyomás alatti szinterelést az alumínium-oxid porok feldolgozása során csak a high-tech kerámia termékek el állításhoz alkalmaznak. Ebben az esetben a gyártandó termékre az alakadás során termikus és a mechanikai energiák id ben egyszerre hatnak. Érdemes megjegyezni, hogy forró sajtolás közben technológiailag három f szakasz különböztethet meg:

•

1. szakasz: részecske újrarendez dés;

•

2. szakasz: viszkózus és plasztikus folyás;

•

3. szakasz: diffúzió irányította folyamatok.

A forró sajtolás el nye, hogy a termékben finom szemcseszerkezet alakul ki, a tests r ség közelít az elméletihez, míg a mechanikai tulajdonságok extrém körülmények között is közel optimálisak. [40] Bonyolult geometriájú alumínium-oxid kerámiák megfelel tömörségben csak

izostatikus sajtolással állíthatók el . Az izostatikus sajtolás történhet hidegen vagy egyidej leg hevítve. Az izostatikus sajtolás lényege, hogy a sajtolóport rugalmas falú formába – ami rendszerint gumi vagy szilikon - töltik, majd alul és felül rugalmas lappal lezárják. Az így el készített munkadarabot furatos acélcs be helyezik és az alsó, illetve fels részt bilinccsel er sítik a cs höz. Az így el készített formát folyadékba helyezik, majd a forma bels terének légtelenítése után a folyadékot nyomás alá helyezik. Ekkor a formát a folyadék nyomása egyenletesen körbeveszi és a kívánt méretre sajtolja a rugalmas formában lév port. Az izostatikus sajtolás következtében a zárt formában sajtoláskor fellép súrlódási veszteségek hiányában, teljes keresztmetszetében azonos szilárdságú, illetve tömörség re sajtolt terméket kapunk. [16] Az alkalmazott nyomás rendszerint nagy, 2000 – 6000MPa. Követelmény a nyomás megszüntetésekor, hogy 18

lassan, fokozatosan csökkenjen, különösen a 100MPa alatti érték elérésekor. Gyors nyomásmegszüntetés a termék roncsolódását okozza. A termék szobah mérsékleten, 80-100°C-on melegen, vagy 1000-1600°C-on égetés közben sajtolható. Az utóbbi esetben a sajtolásit végz közeg semleges gáz (argon, hélium). Az alumínium-oxid porok forró izostatikus sajtolása közben hasonló szemcseszerkezetet kapunk, mint a forró egytengely

sajtoláskor közben, azzal a

különbséggel, hogy itt már a termékek izostatikusan vannak sajtolva, ezért az minden irányban homogén. Ez a technológia fokozza a részecskék közötti kötést, és a szinterel dés mértékét, vagyis az így gyártott termékek s r sége és szemcseszerkezet egyenletesebb, mint forrósajtolás esetén [40]. 1.4.2. A porsajtolási elméletek fejl dése

Porsajtoláson azt a m veletet értjük, melynek következtében nyomással az ömlesztett porból önhordó, aránylag jó szilárdságú testet - nyers, munkadarabot kapunk, melynek alakja és mérete a zsugorodási ráhagyás figyelembevételével megfelel a késztermék méretének és alakjának. Ezért fontos a nyomás és a nyers termék s r sége közötti kapcsolat ismerete, mivel az összes befolyásoló tényez közül a nyomás az, amelyt l a legnagyobb mértékben függ a sajtolt termék porozitása, szilárdsága, s r sége, és felületi egyenletessége. [39] A porok szárazsajtolásakor az alábbi folyamatok játszódnak le: a szemcsék átmeneti újrarendez dése, szemcsék roncsolódása, szilánkosodása és térfogats r ség növekedés.

A szemcsék átmeneti újrarendez dése megkezd dik, amint a szerszámzárás megtörténik, és elindul a térfogatváltozás. A szerszámmozgások majdnem fele ebben a szakaszban történik. Általában kevesebb, mint 100 MPa az alkalmazott nyomás. A részecskék kitöltik a hézagokat, maximalizálják a kitöltést. A leveg

eltávolítása a

szerszámfelek között a még t résen belüli résen keresztül történik meg. A tömörítés ezen szakaszában az alkalmazott nyomás hatására a részecskék elcsúsznak egymáson, és így újrarendez dnek, de még a szemcsék nem deformálódnak jelent s mértékben. A szerszámok további mozgása során a termék ellenállása növekszik, ezáltal deformáció, tömörítés, nagymérték

összeprésel dés és a szemcsék roncsolódása,

szilánkosodása megy végbe. A szemcsék között még így is hézagok vannak, de a jelent s mérték szilánkosodás hatására kitöltik az üres helyeket. Ezen lépés során a 19

még ép részecskék összes rítik a már szilánkokra tört szemcséket. A termékben a részecskék között kapcsolat alakul ki. A részecskék további szilánkosodását, továbborientálódását, vagy a további szerszámmozgást befolyásolja a szemcsék morfológiája, keménysége, kémiai tulajdonsága és a tömörítést segít adalékok hiánya vagy jelenléte. Ebben a szakaszban a szerszám mozgás 50%-a történik meg. Az alkalmazott nyomás 50-100MPa között van. Az alakadás során legfontosabb szakasz a sajtolás. A szemcsék szilánkosodása tovább folytatódik. A nyomás eléri a csúcspontot, ami Al2O3 sajtolóporok esetén általában 50-200MPa közötti érték a gyártott termék vastagságától és geometriai alakjától függ en. A nyomás növekedésével a látszólagos s r ség fokozatosan megközelíti az elméleti (maximális) értéket. Mivel ebben a szakaszban a nyomás magas, ezért dönt szerepet játszik abban, hogy a termék a kívánt s r séget elérje. A sajtolóbélyegek visszahúzódásával a termékben maradt nyomás fokozatosan relaxálódik. A présszerszám lehúzása vagy termék kitolása után a munkadarab térfogatának megnövekedése figyelhet meg. Ennek a geometriai méret-növekedésnek a mértéke

nagyban

függ

a

használt

préspor

tulajdonságaitól,

az

alkalmazott

adalékanyagtól, és a sajtolónyomástól. Ezért ha nagyobb er vel sajtolunk egy terméket, akkor azt nagyobb er vel lehet csak a szerszámból kitolni. A kisapkázódás, törés, és a rétegz dés arányának csökkentése érdekében az utóbbi id ben a kitolás helyett a szerszám visszahúzás vagy szerszámlehúzás terjedt el. 1.4.3. Porsajtolás mechanikai méretezési modelljei

A sajtolt termékek s r ségének meghatározására a sajtolónyomás függvényében különböz elméleti és gyakorlati, mechanikai számítási modellek léteznek. A nyomás és a sajtolt termék relatív s r sége közötti függvénykapcsolatot Matsumoto nyomán az 1.10. ábra mutatja.

20

1.10. ábra: A relatív nyomás függvényében a relatív s r ség

(Átvéve: R.L.K. Matsumoto: ASM international Handbook Comitee – Vol. 4, 143. oldal)

A Seeling és Smidth által párhuzamosan kifejlesztett empirikus modell szerint a sajtoló porokból tömörített nyers termék porozitása a sajtolónyomástól exponenciálisan, míg s r sége hatványfüggvényszer en változik.

Φ / Φ 0 = exp[− ( Pa / R )]

(1.20)

2 a

D g − D0 = S ⋅ P

(1.21)

1 3

(1.22)

D g − D0 = T ⋅ Pa A fenti összefüggésekben: : 0:

porozitás, kezdeti porozitás,

D0:

kezdeti s r ség,

Dg:

a nyers termék s r sége,

P a:

az alkalmazott nyomás,

R, S, T: empirikus állandók (függnek az anyag keménységét l, a részecskék geometriájától, illetve a vizsgálati módszert l). A fenti leírt összefüggéseket még ma is sok helyen alkalmazzák annak ellenére, hogy ezek a modellek nem foglalkoznak a por tulajdonságai és a tömörítés közbeni viselkedés közti kapcsolattal. A félmennyiségi modellt Kawakita, Niesz és Lukasiewicz fejlesztették ki, amelyek közül Lukasiewicz sajtolt nyers termék s r sége és a sajtolónyomás közötti kapcsolatot az alábbi logaritmikus egyenlettel írta le: D g = D f + m ⋅ ln( Pa / Py )

(1.23)

21

ahol: Dg:

a tömörített termék s r sége az alkalmazott nyomásnál,

Df:

a por töltési s r sége,

m:

a tömörítési állandó (ami függ a por alakíthatóságától),

Py:

a látszólagos szemcsére ható nyomás.

A különböz ásványi és kémiai összetétel sajtolóporok sajtolószerszámban történ tömörödését jelent s mértékben befolyásolja a szemcseméret és szemcseszerkezet, valamint a betöltés során tanúsított folyási tulajdonságok. Az agglomerált porok rendszerint jó folyási tulajdonságuknak köszönhet en már a betöltéskor is nagyobb s r séget érnek el, mint a nem agglomeráltak. Ezt a jelenséget jól szemlélteti az 1.11. ábra.

1.11. ábra: Nem agglomerált és gömb alakú kerámia porok tömörítési modellje

(Átvéve: R.L.k. Matsumoto: ASM International Handbook Comitee – Vol. 4., 144. oldal)

A tömörítés kezdeti szakaszában a nem agglomerált por nagymértékben elkezd tömörödni, és viszonylag alacsony nyomásnál (Pa) elér egy töréspontot (A). Ez a töréspont alapvet

változásokat mutat a sajtolópor deformációs – reológiai -

tulajdonságaiban a tömörítés során. Ennél a pontnál a nem agglomerált porok esetében az egymáson való csúszás és az újrarendez dési hajlam jelent sen csökken, mert már a szemcsék közti rések megteltek, és további tömörödés a szemcseroncsolódás eredménye. A (PC) pont azt a nyomást jelöli, ahol a szemcséken belüli és a szemcsék közti porozitás megegyezik és ezáltal a mikroszerkezeti inhomogenitás kiküszöbölhet . Ez a modell nagyban befolyásolható a por el készítésével. 22

A mennyiségi modellt Cooper és Eaton fejlesztette ki az alábbi összefüggés megadásával V ∗ = (V0 − V ) /(V0 − V∞ ) = A1 ⋅ exp(− k1 / P ) + A2 ⋅ exp(− k 2 / P )

(1.24)

ahol: A1, A2, k1, k2: a tömörítés mechanizmusától függ konstansok, P:

az alkalmazott nyomás,

V*:

a tömörítés térfogat hányada,

V0:

a tömörített termék kezdeti térfogata,

V:

a tömörített termék térfogata nyomás alatt,

V :

az elméleti s r ség termék térfogata.

A mennyiségi modell szerint a termék térfogata exponenciálisan csökken a nyomás növekedésével, és exponenciálisan növekszik a tömörítés mechanizmusától függ

k1 és k2 konstansokkal. A Cooper és Eaton-féle mennyiségi modellnél a

tömörödési szakaszok a következ k: els lépésben a betöltött por szerkezete tömörítés el tt laza. A modellt jól igazolja az 1.12. ábra folytonos görbéje, amely a betöltött por pórusméretének alakulását mutatja.

1.12. ábra: A pórusméret függvényében a porozitás mennyisége


23

Ezt a jelleget a 10 MPa-os sajtolónyomás követi, de már 70MPa-os sajtolónyomásnál ez a jelenség elt nik. 70MPa-os sajtolónyomás esetén a szemcsék közti pórusok beragadnak, a szemcsék egymásba présel dnek. Ekkor már a lágy agglomerátumok teljesen elveszítik gömb alakjukat, és a szemcsék közötti porozitás jelent s mértékben lecsökken. Amennyiben az alapanyag szemcséi kemények és mechanikailag nagy szilárdságúak, akkor a pórus megszüntetéséhez 70MPa-nál nagyobb sajtolónyomásra van szükség. Kerámiaporok – különösen alumínium-oxid porok – sajtolásakor gyakori, hogy a por és a présforma fala közötti súrlódás hatására egyenetlen lesz a s r ség eloszlás (1.12. ábra) és a por a présszerszám felületére feltapad, míg a sajtolt nyers termékben a sajtolópor rétegez dése és kisapkázódása figyelhet meg. Az ilyen jelleg hibák el fordulásnak valószín sége lényegesen nagyobb egytengely , egyoldalú sajtolás esetén, mint kéttengely , valamint egytengely kétoldali sajtolás esetén.

1.13. ábra: S r ség és nyomás viszonyok az egyoldalú sajtolás esetén


Az 1.13. ábra jól szemlélteti, hogy a sajtolt nyers termékben a legnagyobb s r ség a sajtolószerszám széleinél (A) alakul ki. Ennek következtében a szerszámfal közelében nagymérték nyírás hat az anyagra, amelyet a sajtoló bélyeg elmozdulásra kényszerít a sajtolószerszám fala mentén. [39] 1.4.4. Sajtolóporban sajtolás közben kialakuló nyomásviszonyok, nyomáseloszlások elemzése Egyoldalú sajtolás esetében csak a szerszám egyik bélyege mozog. A bélyegt l távolodva a növekv falsúrlódás miatt a csökken nyomásértékek (1.14. ábra) hatására inhomogén lesz a termék.

24

F1 - sajtolóer Fr - reakcióer

1.14. ábra: Nyomásviszonyok egyoldalú sajtolás esetén Egytengely

kétoldali sajtolás esetében az alsó és fels

sajtolóbélyeg

egyidej leg egymással szemben, vagy csak az egyik bélyeg és vele együtt a matrica mozog, a másik sajtolóbélyeg áll. Ebben az esetben a sajtolóporban ébred mechanikai nyomófeszültségek csökkenése lényegesen kisebb, mint az egyoldalú sajtolás esetén (1.15. ábra). F1 = F2, ha D konstans

1.15. ábra: Nyomásviszonyok kétoldalú sajtolás esetén Hengeres testek – tárcsák – egytengely

kétoldali sajtolása esetén a

présszerszám (forma) falain fellép súrlódási veszteség miatt a sajtoló nyomásnak csak egy része jut el a sajtolópor teljes keresztmetszetéhez. Álló alsó és mozgó fels bélyeg esetén az alsóbélyegnél csak a súrlódással csökkentett értéke észlelhet . Ennek megértésére és a présporban sajtolás közben ébred nyomófeszültségek levezetésére szolgál az 1.16. ábra, ahol az A keresztmetszet dH elemi vastagságú térfogatra ható küls er rendszert mutatjuk be.

25

1.16. ábra: Nyomásviszonyok hengeres test egytengely sajtolása esetén Magát a sajtolás folyamatát kvázistatikusnak tételezzük fel, ezért a tehetetlenségi er ket elhanyagolhatjuk. Ebben az esetben a dH elemi vastagságú rétegre ható a függ leges irányú er k egyensúlyi feltétele: pdA − ( p + dp )dA + dFs = 0

(1.25)

Ebben az egyenletben p, illetve p+dp a réteg két oldalán ható nyomás, dFs a réteget D 2π határoló palástfelületre ható elemi súrlódási er , A = a keresztmetszet területe. 4 Eredményül az Adp = dFs

(1.26)

egyensúlyi egyenletet kapjuk. A dFs súrlódási er t a dFn normális irányú er b l számíthatjuk. Mint az ismeretes, a szemcsés, vagy porszer anyagoknál a p tangenciális és a ph horizontális irányú nyomás nem állandó (mint a folyadékokban és gázokban), hanem közöttük a p h = νp

(1.27)

összefüggés áll fenn, amelyben a ν az ún. Rankine-tényez , amely az anyagmin ség és szemcsenagyság függvénye. Mivel a fels bélyeg lefelé halad, ezért a súrlódási er a Coulomb-féle hipotézis alapján: dFs = µdFn

(1.28)

dFn = p h dA p = p h KdH

(1.29)

ahol

26

a normál irányú er , dA p a dH vastagságú henger palástjának felszíne és K = Dπ a kerülete. Ezek után az egyensúlyi egyenlet Adp = µνKpdH

(1.30)

alakot ölti. Ez egy közönséges, lineáris els rend differenciálegyenlet H és p között. A változókat szétválasztva kapjuk, hogy dp K = µν dH p A

(1.31)

A H vastagságra történ sajtoláskor a fels illetve az alsó bélyeg felületére ható p1 , ill.

p 2 nyomás meghatározható, ha a fenti differenciálegyenletet a megfelel határok között integráljuk: p1

H

dp K = µν dH p A0 p2

ln

p1 K = µν H p2 A

(1.32) (1.33)

K

µν H p1 =e A p2

(1.34)

vagy végs formájában:

p1 = p 2 e

µν

K H A

(1.35)

A kapott összefüggésb l kiolvasható, hogy p 2 < p1 és adott H esetén a K K 4 nyomásviszony a hányadostól függ. Hengeres test sajtolásakor = , így A A D

p1 = p 2 e

4 µν

H D

(1.36)

A nyomásváltozásra az 1.36 összefüggésben kapott exponenciális függvényünk nagyon jól igazolja az Illjevits által kísérleti úton kapott (1.15. ábra) nyomásváltozási görbéket [41].

27

1.5. Az alumínium-oxid kerámiák szinterelésekor lejátszódó átalakulások, jelenségek Szinterelés során a részecskék között kötések alakulnak ki a magas h mérséklet hatására fellép atommozgásnak köszönhet en. A folyamat során a diffúziónak nagy jelent sége van. A szinterel dés sebességét több változó befolyásolja, ezek a kezdeti s r ség, a részecske méret, a szinterelési közeg, h mérséklet, id és hevítési sebesség. A szinterel désnek három szakasza van: kezdeti, közép és végs . A kezdeti szakaszban a részecskék között kötések alakulnak ki az érintkezési pontoknál. A szinterel dés el rehaladtával a kapcsolódási pontoknál kialakult kötések növekednek. Ezért a mikroszerkezetben különbségek lesznek, a kialakult kapcsolatoknak megfelel en. A folyamat során a pórusszerkezet egyenletesebb lesz, ekkor lép be a második szakasz. A második szakaszban a szinterel dés sebessége folyamatosan csökken, a szemcse-pórus határ morfológiája nagymértékben befolyásolja ezt a sebességet. A szemcsék növekedése a kés bbi szinterel dés során következik be, ami alatt a pórusok elszigetel dnek egymástól, és törekednek gömb alakot felvenni. A szinterel dés ezen pontjánál nehéz az elszigetelt pórusok eltávolítása, a szemcsehatáron végbemen

diffúzió hatására. Ugyanez figyelhet

meg a különböz

tisztaságú és

szemcseszerkezet alumínium-oxid kerámiák szinterelése során is.

1.5.1. A szinterelés alaptételei A szinterelés els

szakaszában kohéziós kötés alakul ki. A kötés terjedése

befolyásolja a szinterel dés során kialakult tulajdonságokat. A szinterel dés hatására a részecskék összerendez dnek, és a még nem szinterel dött porra jellemz nagy felületi energiát az atomi mozgások csökkentik. Az egységnyi térfogatra es felületi energia nagysága fordítottan arányos a részecskék átmér jével. Ezért a kisebb részecskék nagyobb energiával rendelkeznek, gyorsabban szinterel dnek, mint a nagyobb szemcsék. Szinterel dési hajtóer t a részecskék között létrejött kapcsolat növekedése okozza azzal, hogy csökkenti a részecskék felületét, és ezzel együtt a felületi energiájukat is. A szinterel dés során fellép diffúzió termikusan aktivált folyamat, aminek a meginduláshoz szükséges egy minimális energia.

28

Ezt a diffúziós folyamatot [42,43,44] Arrhenius írta le a következ képlettel: (1.37)

N / N 0 = exp(− E / k ⋅ T ) ahol: N/N0: igénybe vehet vakanciák aránya, E:

aktiválási energia,

k:

Boltzmann állandó,

T:

abszolút h mérséklet.

A porsajtolásnál alkalmazott alapanyag szemcséi megközelít leg gömb alakúak. Szinterel dés során a részecskék közti kötések száma növekszik (1.17. ábra).

1.17. ábra: A szemcsék közti kialakuló kötések szinterelés során


Az érintkez részecskék között lév kötés növekszik, és a részecskék összeolvadnak. Minden érintkezési pontban egy részecskehatár alakul ki a szilárd-leveg határfelületen. A szinterelés kezdeti szakasza addig tart, amíg a nyak méretaránya (X/D; ahol X a nyak átmér je és D a szemcse átmér je) kisebb, mint 0,3. Ebben a szakaszban a pórus szerkezet nyitott, és a pórusok összeérnek. A középs szakaszban a pórus szerkezet már egyenletesebb. A szinterelt termékek tulajdonságai ebben a szakaszban alakulnak ki. A szakasz végén nagymérték

szemcsenövekedés figyelhet

meg. Ennek hatására a

pórusok elkülönülnek egymástól. A nyílt pórusszerkezet geometriailag instabil, amikor a porozitás 8%-ra zsugorodott össze. Ennél a pontnál a hengeres alakú porozitások gömb alakot vesznek fel. Az izolált pórusok megjelenése az utolsó szakasz kezdetét jelzi. Ekkor a szinterel dés lelassul, a pórusokban lév gáz fogja a maximális s r séget

29

meghatározni. Következésképpen a vákuumban történ szinterelés hasznos lehet, hogy nagyobb végs s r séget érjük el. A szinterelési folyamat a kerámiaipar területén - szilikát, oxid- és nem oxidkerámia - mindent eldönt lépés a termék min ségének szempontjából. A szinterelés alatt értjük a technikai terminológia szerint a megszilárdulást és a s r södést, egy pl. por alakú alapanyagból egy komplett tömör anyaggá való összeállást, egy h mérséklet behatás következtében. A folyamat tulajdonsága, hogy nem minden komponens olvad meg, következésképpen a küls dleges forma megtartva marad. A termékek tulajdonságai egyformák és jól reprodukálhatóak. A szinterelési folyamat végbemenetelekor egy homogén anyag (általában finomkristályos szerkezet , sok esetben jelentéktelen porozitással) el áll. A szinterelés hajtóereje abból adódik, hogy a felületi és a határfelületi energiákon keresztül szemcsenagyobbodás és pórustérfogat csökkenés megy végbe. Ezen kívül sok esetben szerepet játszanak az anyagra jellemz

kémiai reakcióképességek és a kapilláris er k is. A szinterelési

folyamat a szabadentalpia minimalizálására törekszik. A tökéletes szinterelési eljárással majdnem elérhet az elméleti maximális s r ség. A szinterelésnél megkülönböztetünk kétféle folyamatot: folyadék fázis nélküli szinterelés (szilárdfázisú szinterelés) és folyadék fázison keresztüli (folyadékfázisú szinterelés). Mindenkori folyamatoknál kémiai reakciók mennek végbe, amelyek a szinterelési folyamatot és a mikrostruktúrát er sen befolyásolják. A szinterelési reakcióban egy homogén alaptest vesz részt, amely kett vagy több komponensb l áll össze. A teljes reakció következtében az égetésnél s r tömör, kötött anyag áll el . A szinterelési folyamat elemzése, vizsgálata során a hajtóer , az anyagtranszport mechanizmus, a szemcseképz déshez és póruscsökkenéshez vezet folyamat kinetikája el térbe kerül. [45] Számos elméleti modellt állítottak már fel ezek tanulmányozására. Ezen modellek szemléletes geometrikus matematikai ábrázolások, amelyek gyakran csak egyes részfolyamatokra szorítkoznak. A reális folyamatok leírására ezeket csak nagy körültekintéssel szabad alkalmazni. A szinterelési h mérséklet a szilárdfázisú szinterelésnél az összes résztvev fázis olvadáspontja alatt van. A folyamat a diffúziós folyamatok, párolgási- és lecsapódási mechanizmusok, és küls

nyomás esetén képlékeny alakváltozási

jelenségek alapján mehet végbe. A folyamat közben a felületi és határfelületi energiákon keresztül a rendszer a szabadentalpia csökkentésére törekszik. A reális rendszerek és az ideális modellek közötti ellentét a krisztallográfikus tulajdonságokból 30

adódó speciális felületi- és határfelületi energiáktól függ. A szilárdfázisú szinterelés a már említett három szakaszra osztható, mint a kezdeti stádium (kb. 5%-os zsugorodás az elméleti maximális s r séghez képest), a közép vagy f stádium (95%-ig) és a végstádium (95-100%). A szinterelés kezdeti stádiumában nyitott porozitás és a részecskék átrendez dése kap szerepet. A szemcsék érintkezési pontjain anyaghidak jönnek létre; és a pórusok legömbölyödnek. Az anyagtranszport folyamatok létrejöhetnek zsugorodás vagy zsugorodás nélkül is (1.18. ábra). A párolgás és lecsapódás nagy általánosságban jelentéktelen szerepet játszik. A kerámiaipari szinterelésben leginkább a diffúziós mechanizmusok dominálnak. A felületi-, határfelületi és térfogati diffúzió els sorban a végbemeneteli sebességükben különböznek. A vakancia koncentráció nagyon er sen befolyásolja a diffúziót. Ezek a görbültebb felületeken (kis sugarú nyakaknál) magasabb, mint a szemcsék belsejében. Ezen koncentráció különbség egy vakancia diffúziót okoz, amely együtt jár egy ellentétes irányú anyagvándorlással.

1.18. ábra: Szinterelés közbeni anyagtranszport folyamatok

Zsugorodás nélkül: 1) párolgás/lecsapódás, 2) felületi diffúzió, 3) térfogati diffúzió a felületr l Zsugorodással: 4) térfogati diffúzió a szemcsehatárokról, 5) határfelületi diffúzió a szemcsehatárok mentén, 6) képlékeny alakváltozás

A szinterel dés középs

vagy f folyamatában a kialakult nyakak növekszenek, a

szemcsék közelednek egymáshoz. Az anyagok geometriája megváltozik, a szomszédok a nyakakon keresztül egymáshoz simulnak. Kezdetben itt is jelen van még kb. 20%-nyi nyílt porozitás. A pórustérfogat-csökkenés jön létre, a pórusok száma csökken. A zárt pórusok létrejöttével párhuzamosan kezdetét veszi a kristálynövekedés, és az egyes szemcsék már nem különböztethet k meg egymástól. A szinterel dés végstádiumában befejez dik a szerkezet tömörödése, a szemcsenövekedés lecsillapodik, a pórusok és zárványok bizonyos mennyiségnél állandósulnak. A rendszerben már csak nagyon lassú térfogati diffúzió mehet végbe, ezért a szerkezeti felépítés már nem változik.

31

A folyékonyfázisú szinterelésnél a szinterelési h mérséklet az anyagrendszer szolidusz h mérséklete felett van, így egyes komponensek megolvadnak, és fellép a folyadékfázis. Az olvadt fázis létrejötte szempontjából három hasonló folyamat különböztethet meg, mint homogén anyagrendszer teljes megömlesztése, heterogén rendszerben az egyik fázis megömlesztése kémiai reakció nélkül, heterogén rendszerben kémiai reakció következtében létrejöv folyadékfázis. A tömörödést a folyadékfázis összetétele, szilárd részek oldhatósága ill. a folyadékfázis nedvesít képessége nagyban befolyásolja. A kezdeti stádiumban, a folyadékfázis jelenléténél megfigyelhet

a

részecskék átrendez dése, amely a magas tests r séghez vezet. A darabok zsugorodása annál jelent sebb, minél több a folyadékfázis mennyisége. A szinterel dés középs

vagy f folyamatában mihelyt a részecskeátrendez dés és ezzel egyidej en a zsugorodás sebessége lecsökken, bekövetkezik a szilárdfázis kiválása, ami további s r södéssel jár. A nagyobb szemcsék növekednek a kisebb szemcsék kárára, mivel ezeknél magasabb oldhatóság mutatkozik, ez kevesebb, de nagyobb szemcsék kialakulásához vezet. A szemcsék kölcsönösen közelednek egymáshoz. A szinterel dés végs szakaszában a teljes tömörség elérése el tt csak a szilárdfázisú szinterelési folyamat jöhet létre a szomszédos szemcsék között, ahol a nagyon lassú határfelületi diffúzió megy végbe [45].

1.5.2. Szinterelés nitrogén atmoszférában Szinterelés során a nitrogén bevitele - történhet gáz, illetve szilárd anyag formájában (AlN) – és reakciója a rideg, szilárd anyaggal egy olyan új anyagot eredményez, mely megtartva mechanikai tulajdonságait, szívóssá válik. A nitrogén gázban történ h kezelés eredménye, hogy az Al2O3 mellett AlN és AlON is keletkezik. Az AlN számos kiváló tulajdonsággal rendelkezik, h vezet képessége, fajlagos ellenállása nagy, dielekromos állandója mérsékelten alacsony. Az AlN a természetben nem létezik. A fém alumíniumpor direkt nitridációjával vagy az alumínium-oxid por karbotermikus reakciójával állítható el

[46]. Az AlON olyan polikristályos anyag,

melynek szerkezete éppen inverze a spinelnek. Üvegszer , pórusmentes anyag, mely nagy keménységgel, de ugyanakkor alacsony h vezet képességgel rendelkezik. Az alumínium-oxinitrid fázis el állítására alkalmazható módszerek, mint az Al2O3 egyidej

redukciója és nitridációja, a fém alumínium oxinitridációja égés során, gázfázisú reakciója AlCl3-al, direkt reakció az Al2O3 és az AlN között a legelterjedtebbek.[47] 32

A szakirodalom szerint az Al2O3 és az AlN reakciója 1650°C felett eredményez AlON fázist, amely történhet plazmaszórással, AlN hozzáadásával, nitrogén gázban szinterelve. A plazmaszórásos eljárás során el ször az Al2O3/AlN kompozitpor szinterelése történik Ar/N2 plazmában (≈10000K), mely direkt nitridációja az alumínium-oxidnak. Ezzel a módszerrel kockarácsú AlN állítható el , mely N- és O-ionokat tartalmaz. Az így készült anyag AlN és γ-Al2O3 tartalma a kiindulási anyag AlN és Al2O3 tartalmához képest növekszik. Ezért további h kezelés szükséges, mely nitrogén gázban 8001200°C-on 2h h ntartással történik. Az utólagos h kezelés hatására az AlN hexagonális rácsú lesz, az AlN mennyisége növekszik, de a γ-Al2O3 tartalom csökken.[48] Az Al2O3-hoz adott AlN mennyisége és a szinterelés h mérséklete jelent s mértékben befolyásolja az anyag mikrostruktúráját. Nitrogén gázban történ

szinterelés során

alacsonyabb (<10 mol%) AlN tartalom mellett homogén mikroszerkezetet kapunk, alumínium-oxid szemcsék érintkezési felületén AlON jelenik meg. Magasabb AlN tartalomnál a keletkezett AlON az alumínium-oxid szemcsehatára körül helyezkedik el.

1600°C-on szinterelve α-Al2O3 és AlON keletkezik. Növelve a szinterelés h mérsékletét, 1700 és 1750°C-on 1 mol% AlN esetén az α-Al2O3 és AlON mellett egy un. φ-fázis (5 Al2O3 ·AlON, monoklin) is megjelenik, azonban 20-25 mol% AlN esetén csak az α-Al2O3 és AlON van jelen.

1800°C-on történ szintereléskor 5 mol% AlN esetén α-Al2O3 és AlON mellett φ-fázis is jelen van. 10 mol% AlN esetén α-Al2O3 és AlON keletkezik. 20 mol% esetén csak AlON jön létre az AlN-Al2O3 rendszerben. Meg kell jegyezni, hogy 1600°C-on 5-25 mol%

AlON

keletkezhet,

de

az

alumínium-oxid

porozitása

növekszik

és

szemcsedurvulás is kialakulhat. 1700 és 1800°C-on az AlN mennyiségét l függ en a keletkezett AlON az alumínium-oxid szemcsehatárainak érintkezésénél illetve azok körül is lehet.[47] A mechanikai tulajdonságok javítására az AlN mellett TiN is használható. Ennek az eljárásnak a hátránya, hogy a TiN olvadáspontja 2950°C, így magas h mérsékleten történ sajtolást igényel. A sajtolást 30MPa sajtolónyomással végzik 1420-1550°C-on 30 perc h ntartással nitrogén atmoszférában.[48] Az alumínium-oxinitrid spinel (ALON), mint sok más nagytisztaságú, polikristályos

oxid

pórusmentességgel

anyag

szerkezetét

jellemezhet k.

Fizikai

tekintve

egyfázisú

tulajdonságai

kocka

nagyon

ráccsal,

hasonlóak

a

33

magnézium aluminát spineléhez, kivéve, hogy az AlON a nagyobb keménységgel (19,1 GPa) és a jóval alacsonyabb h tágulási együtthatval rendelkezik. Az AlON egy szilárd olvadék az AlN-Al2O3 bináris rendszer vonalán, mely valójában egy pszeudo bináris renszer az Al-O-N rendszerben. A következ

ábra szerint az ALON olvadék 35,7

mol%-nál 2165°C-on jelenik meg.

1.19. ábra: AlN-Al2O3 fázisdiagram

(Átvéve: Allen M. Alper: Phase Diagrams in Advanced Ceramics 29. old.[49])

McCauley és Corbin az együtt össze rölt AlN és Al2O3 porokat formázva szinterelték in

situ. Az el állítás paramétereinek többféle kombinációját is feltárták. Amint azt az 1.19. ábra is mutatja, a folyadék fázis a szilárd fázis egyik oldalának igen keskeny sávjában található magas h mérsékleten. 1975°C-on történ szinterelés eredménye a szemcsén belül létrejöv

porozitások, de a magasabb h mérséklet (2025°C) jóval kevesebb

porozitást eredményez és ALON-t. Kés bb tökéletesítették az eljárást, a kiinduló por el zetes reakciókkal alakítva 0,5 m és ez alatti szemcseméret-eloszlású ALON por. [50] A kiinduló por reakciója: Al2O3(s) + C(s) + N2(g)

ALON(s) + CO(g)

(1.38)

Tabary, Servant és Alary megfigyelték, hogy a karbon két formában van jelen. Egyszer, mint grafit, amely nem lépett reakcióba olvadáskor, a másik a kiválásokba ágyazódott

34

be, így válva Al-O-N-C kvaternér rendszerré. A négy elem kombinációi csak szilárd állapotban vannak jelen, mint Al2O3, AlN és Al4C3, mint pszeudo-ternér rendszer. Az 1.4. táblázat a rendszerben jelenlév karbont tartalmazó fázisokat ismerteti. A Fosterféle Al2O3-Al4C fázisdiagramot a 1.20. ábra mutatja be. Fontos megjegyezni, hogy 90 Al2O3 - 10 Al4C3 összetételnél Al2O3-Al4O4C eutektikum jelenik meg, ahol az Al4C3 4,2 tömeg%-ban van jelen. Az Al-C-O rendszer termodinamikáját Lihrmann figyelte meg. Megállapította, hogy az Al2OC 1710°C felett szétbomlik. Az AlN jelenléte ezen a h mérsékleten nem okoz lényeges változást. Így a Kuo által tanulmányozott AlNAl2OC rendszerben Al2OC-ben gazdag kiválás figyelhet meg 61% AlN - 39% Al2OC szilárd olvadékban 1600°C-on 500h után. Továbbá 1880°C-on 0-44mol% Al2OC, illetve 1980°C-on 0-40mol% Al2OC található az Al2OC-AlN (2H) szilárd olvadék fázisban.

1.4. táblázat A karbont tartalmazó fázisok kristálytani adatai Képlet Al4O4C Al2OC Al2OC Al4C3 Al5C3N Al6C3N2 Al7C3N3 Al8C3N4 (Al2OC)(1-x)(AlN)x Wurtzite szerkezet

Rácsszerkezet orth. hex hex hex hex hex hex hex hex hex

a (Å) 9,23 3,170 3,153 3,339 3,281 3,248 3,226 3,211 3,123

b (Å) 8,64

c (Å) 5,77 5,078 4,987 25,00 21,67 40,03 31,70 55,08 4,994

Az Al2O3-AlN-Al4C3 ternér diagramot Henry, Zambétakis és Lihrmann tanulmányozta. Az els két szerz az Al2OC(1-x)AlNx szilárd oldat jelenlétét mutatta ki 50-60 mol% AlN tartalom mellett.

35

1.20. ábra: Al2O3-Al4C4 pszeudo-bináris rendszer

(Átvéve: Tabary, Servant, Alary: Journal of the European Ceramic Society, p.1916)

A 1.21. ábra az „AlONC” fázis összetétele olvasható le a P1 (25% Al2O3 – 75% AlN) és P2 (60% Al2O3-20% AlN – 20% Al4C3) pontokat összeköt vonalak mentén mólnyi mennyiségben. Az Al2O3-Al4C3 szakasz metszéspontja lehet a 26,5mol% Al4C3, amely nem az irodalmi értékeket követi. Így Al4O4C található a 20 mol%-nyi Al4C3-nál és Al2OC-nál, illetve az 50 mol%-nyi Al4C3-nál is. Három domináns AlN alapú összetételt különböztethetünk meg. Általános formája az AlN-Al2O3 pszeudo-bináris rendszerben az AlnO3N(n-2). Az Al2O3-Al4C3 pszeudo-bináris szakaszban ez a formula Al(x+4)O(1.5x)C3-á válik. Ahol az x = 8; 6; 5; 4,4 és 4; és az M/X = n/n+1 arány azonos 4/5, 5/6, 6/7, 7/8, és 8/9, ahol M =(nAl) és X = (nO+nC). [51]

1.21. ábra: Az „AlONC” fázis összetétele az Al4O6-Al4N4-Al4C3 pszeudo-ternér rendszerben (Átvéve: Tabary, Servant, Alary: Journal of the European Ceramic Society p.1918)

36

1.6.

Összegzés A szakirodalmi áttekintés során foglalkoztunk a sajtolóporok tulajdonságaival,

befolyásolási módszereivel.

A reológiai tulajdonságok vizsgálatával foglalkozik

Carneim és Messing, akik a száraz porsajtolás reológiai jellemz it vizsgálták. Kutatásuk során

foglalkoztak

az

adalékanyaggal

meghatározásával, a sajtolás f

„bevont”

sajtolóporok

viszkozitásának

szakaszainak (Reed szerint) figyelembevételével

vizsgálták a sajtolt, nyers termék s r ségének változását a sajtolónyomás és az id függvényében. A száraz porsajtolás területén számos szakirodalom foglalkozik a szemcseméret-eloszlás, a sajtolónyomás és a szinterelés hatásaival. Az alumínium-oxid kerámiák nitrogén véd gázban történ

szinterelésével kevés kutató foglalkozik, így

számunkra is számos kérdést nyújt a portechnológia ezen területe. Az értekezésben ezért feladatunk választ keresni a fent említett területek még megválaszolatlan kérdéseire.

Az értekezés feladatai: a) A

különböz

tisztaságú

alumínium-oxid

atomizer

porok

reológiai

tulajdonságainak feltárására a deformáció-id , nyírófeszültség-nyomófeszültség függvénykapcsolatok,

Coulomb-egyenes

meghatározása,

reológiai

modell

megalkotása és anyagegyenletek megfogalmazása által. b) Másodfokú

rotációs

kísérlettervek

(matematikai-statisztikai

módszerek)

alkalmazásával a termék mikro- és makroszerkezetének, valamint mechanikai tulajdonságai szempontjából optimális – vagy közel optimális - sajtolónyomás értékek meghatározása különböz sajtolási módok esetében; ahol figyelembe kell venni az alkalmazott sajtolónyomást, annak hatásidejét, a sajtolópor adalékanyagtartalmát; illetve annak szemcseméret-eloszlását. Meg kell határozni a kiégetett minták porozitását, s r ségét, hajlítószilárdságát. c) Nitrogén véd gáz alkalmazása nyers termékek zsengélése (el égetése) során. Ekkor meg kell vizsgálni a nitrogén véd gázban történ égetés hatására kialakuló anyagszerkezetet pásztázó elekronmikroszkóppal (SEM), röntgen diffraktométerrel. d) A

kialakuló

s r ség,

porozitás,

hajlítószilárdság,

kopásállóság

és

mikrokeménység vizsgálata, összehasonlítása a normál módon, illetve nitrogén véd gázban zsengélt, majd kiégetett kerámiák tulajdonságainak vizsgálata.

37

2. Kísérleti módszerek, elvégzett vizsgálatok A célkit zésekben megfogalmazott hatásmechanizmusok feltárásához ismerni kell az alumínium-oxid elvárt tulajdonságait, a tulajdonságok kialakítási lehet ségeit, az egyes paraméterek hatásait, melynek eddig elért eredményeit igyekeztünk feltárni és összefoglalni az átfogó irodalomkutatás során. A porok el készítésére, rlési tulajdonságokra vonatkozóan az utóbbi id ben számos szakirodalom[52,53,54,55] jelent meg a különböz

rlési metódusokra. A

kutatók leginkább a mechanokémiai folyamatok[56,57,58,59] feltárását, nanoszemcsék el állítását[60,33,61,62] ismertetik, míg más szerz k a sajtolás jellegzetességeivel, azok mikroszerkezeti hatásával foglalkoznak. Ezek többnyire a forró izostatikus sajtolás problémakörét tárják fel[63,64,65]. Azonban számos kutató továbbra is az uniaxiális és hideg izostatikus sajtolás[14] kérdéseit, és azok hatásait, mint mikroszerkezetbeni anizotrópiát ismertetik[9,10,13]. A szinterelésre vonatkozóan a kutatók többnyire a forró izostatikus sajtolás tulajdonságait tanulmányozzák. Néhányan vizsgálják a nitrogén-atmoszféra hatását is. Az irodalomkutatással párhuzamosan, elméleti és gyakorlati összefüggéseket kerestünk a sajtolónyomás, a szinterelési atmoszféra és a késztermék s r sége, illetve hajlítószilárdsága között. Kísérleteinket hagyományos módon, illetve ún. kísérlettervezés módszerével végeztük. A matematikai statisztikai alapokra épül

kísérlettervezést esetünkben teljes faktoriális és másodfokú rotációs

kísérlettervekkel valósítottuk meg, amelyek célzottan a sajtolási tulajdonságokra és a szinterelés

hatásainak

feltárására

irányultak.

A

kísérlettervek

végrehajtásával

meghatároztuk az egyes faktorok (sajtolónyomás, maximális rátartási id , szinterelés h mérséklete, adalékanyag mennyisége, tölt tömeg) és a vizsgált tulajdonságok közötti összefüggéseket. A klasszikus portechnológiával készült alumínium-oxid m szaki kerámiák tulajdonságait nagymértékben befolyásolják a következ paraméterek (faktorok): a) Porok összetétele

•

Szemcseszerkezet;

•

Szemcseméret-eloszlás;

•

Oxidos összetétel;

38

b) Alakadási technológia (egy-, kétoldali sajtolás és izostatikus préselés)

•

Alkalmazott sajtolónyomás, (MPa);

•

A maximális sajtolónyomás hatásideje, (s);

•

Adalékanyag fajtája, mennyiségének aránya, (%);

c) Égetés módja

•

H ntartási id ;

•

Égetés h mérséklete;

•

A kemence atmoszférája.

Kísérleteink többségét a Miskolci Egyetem Kerámia- és Szilikátmérnöki Tanszék Portechnológiai, illetve Szilikáttechnológiai laboratóriumaiban végeztük. Vizsgálatainkhoz a kereskedelemben is kapható magas alumínium-oxid tartalmú présporokat (2.1. táblázat), továbbá a Bakony Ipari Kerámia Kft. által gyártott 96% tisztaságú présport alkalmaztunk. A doktoranduszi tevékenység során alakadási technológiák jellemzésére egy-, kétoldali sajtolással, illetve izostatikus préseléssel készítettünk gy r -, tárcsa és hasáb alakú próbatesteket. A vizsgálati mintákat 1640°Con szintereltük a Mikeron Kft Nabel HT128 típusú kemencéjében. Összehasonlítás céljából megvizsgáltuk az egyes présporból készült darabok égetési tulajdonságait alacsonyabb h mérsékleten (1460°C, 1550°C) égetve is. A vizsgált minták egyrészét nitrogén

atmoszférában

el égettük

tartományban, más-más h ntartási id

(zsengéltük)

1250-1420°C

h mérsékleti

mellett. Majd az így zsengélt próbatesteket

1640°C-on történ szinterelésnek is alávetettük.

2.1. táblázat: Alkalmazott présporok kémiai összetétele ÖSSZETÉTEL

MARTOXID KMS-92

KREUTZ SPG 95

Al2O3

≈ 92%

≈ 95%

ALCOA CT 3000 SDP 99,7%

SiO2

≈ 3,6%

2,2%

0,02%

MgO

≈ 1,5%

1,40%

0,1%

CaO

≈ 2,5%

1,10%

0,03%

Na2O

-

< 0,2%

0,08%

Fe2O3

-

< 0,3%

0,02%

39

2.1.

Az alkalmazott kísérlettervezési módszer bemutatása Kísérleteinkhez a valószín ségszámítás és matematikai statisztikai alapokra

épül kísérlettervezési módszert alkalmaztunk. Egy kutatási objektum leírására a 2.1. ábrán látható ún. ”fekete doboz” alkalmazható. A jobb oldali nyíl a vizsgálat céljának numerikus jellemz jét reprezentálja, Yi - vel jelöljük, és függ változónak nevezzük. A kísérlet során az Yi függ változókat befolyásoljuk az xi független változók vagy faktorok révén. A kísérlet célja az Yi függ változók és az xi független változók közötti függvény kapcsolat megállapítása és adekvát módon történ matematikai leírása. A feltüntetett

zi

értékek

a

kísérlet

során

fellép

zavarótényez k.[66]

Az

Yi = Ψ[x1 , x 2 ,..., xi ] függvényt válaszfüggvénynek nevezzük.

z1

zi

x1 „FEKETE DOBOZ”,

xi

Yi

KUTATÁSI „OBJEKTUM”

2.1. ábra: A kutatási objektum vázlata;

(Átvéve Dr. Fridrik László: Válogatott fejezetek a gépgyártás-technológiai kísérletek tervezése témaköréb l[67])

A kísérletekben mindegyik független változó (faktor) több értéket vehet fel. Ezeket az értékeket szinteknek nevezzük. Az xi faktorok szintjeinek rögzített szintkombinációja egy lehetséges kísérleti beállítás, ami Yi függ változó egy adott értékét eredményezi. Az adott rendszer bonyolultságát a különböz lehetséges beállítások száma határozza meg. A lehetséges, egymástól független kísérleti beállítások száma:

n= pf ,

(2.1)

ahol p a szintek száma és f a faktorok száma. Kísérleteink tervezésekor szem el tt tartottuk, hogy milyen tulajdonságai vannak a kutatási objektumnak. Lényeges kérdés, hogy reprodukálhatóak-e az objektumon a kísérlet eredményei. Minden faktorra bizonyos szinteket kiválasztva és

40

ezek kombinációira elvégezve a kísérletet több alkalommal megvizsgáltuk az optimalizációs paraméterre adott értékeket. Ezek szórása jellemzi az eredmények reprodukálhatóságát. Ha a szórás nem haladta meg valamely el zetesen megadott mennyiséget, akkor az objektum eleget tett a reprodukálhatóság követelményének. A kísérleteink során biztosítottuk a folyamatba való aktív beavatkozást; vagyis annak lehet ségét, hogy a faktorok szintjeit id közben a kívánt szintre beállíthassuk. Az ilyen kísérleteket aktív kísérletnek nevezzük, az objektumot pedig, amelyen az aktív kísérlet elvégezhet , irányíthatónak.[66,67,68,69] Bizonyos esetekben az egyik faktor értékét szintenként változtatva, a többit pedig állandó értéken tartva, mértük a függ változót. Könnyen belátható, hogy így az összes lehetséges kísérleti beállítások száma nagyon nagy lehet, melyek megvalósítását a kísérleti költségek, és a rendelkezésre álló id korlátozták, vagy lehetetlenné tették. Ez az ún. passzív kísérleti módszer, amely azon túl, hogy sok kísérleti beállítást feltételez, az eredmények kiértékelése is nagyon nehéz, esetleg még hamis következtetések levonásához is vezethet. Ezzel szemben az általunk többségében alkalmazott aktív kísérletekben az összes vizsgálandó faktor értékeit el re meghatározott sorrendben variáltuk, a függ változó alakulását pedig mérési adatoknak matematikai statisztikai módszerekkel történ feldolgozása útján határoztuk meg. A beállítási szintek azok az értékek, amelyeket a faktorok a kísérletek során felvettek. A kísérleteinkben a vizsgálatokat általában 5 szinten végeztük el, és ezeket a szinteket úgy választottuk meg, hogy szimmetrikusak legyenek egy alkalmasan választott középszintre. Ezt a középszintet nullszintnek vagy alapszintnek szokás nevezni. A kísérleti feltételek leírásának és a kísérleti adatok egyszer sítésére a faktorok szintjeit ún. kódolt értékekkel adtuk meg. Ez a gyakorlatban azt jelenti, hogy a középszinthez, pl. a „0” értéket, a felette lév beállítási szintekhez a „+1” és „+2”, az alatta lév khöz pedig a „-1” és „-2” értékeket rendeltük hozzá. A faktornak a két szomszédos szintje közötti különbség a variációs intervalluma. A variációs intervallum minden egyes faktorra nézve egy olyan érték, amely az alapszinthez hozzáadva a „+1”es, az alapszintb l levonva a „-1”-es, kétszeres értékét hozzáadva, illetve levonva a „+2”-es illetve a „-2”-es szintet adja meg. A variációs intervallumokat úgy választottuk meg, hogy többszöröse legyen annak a hibának, amellyel az adott faktor szintjét beállítottuk. Ugyanakkor ügyeltünk arra,

41

hogy ne lehessen olyan nagy, hogy a fels vagy az alsó szint az optimális paraméter értelmezési tartományának határán legyen vagy azon kívülre kerüljön.

2.2.

Reológiai tulajdonságok vizsgálatára végzett kísérletek Reológiai vizsgálatunkhoz a Miskolci Egyetem Kerámia- és Szilikátmérnöki

Tanszék munkatársai által kifejlesztett kombinált reo- és tribométert [70] használtuk. A témában ismert szakirodalom szerint a száraz sajtolópor reológiai tulajdonságait nyírócella segítségével jellemzik. Az általunk végzett módszerrel az Al2O3 porokra eddig még nem jelent meg publikáció. A 2.2. ábrán bemutatott kombinált reo- és tribométer berendezés (16) asztalra van telepítve, melyhez rögzített a (9) hajtóm ves villamos motor tengelyén a (10) kötéldobbal. A (15) kiskocsi mozgatása a kötéldobon átvetett és a (17) görg kön megvezetett (13) végtelenített drótkötéllel valósul meg. A kocsi elmozdulási sebessége fokozatmentesen állítható a (11) inverteres fordulatszám szabályzó berendezés segítségével. A (14) állványon elhelyezett (5) pneumatikus léghenger hozza létre a normálirányú terhelést, melynek értéke az (1) nyomásszabályozó szeleppel állítható be, hiszen a dugattyú átmér és a dugattyútérben kialakuló nyomás szorzata adja az 2.2. ábrán jelölt Fn-t. A nyomás értéke a (19) nyomásmér r l olvasható le. Az állványhoz van rögzítve a (2) mintatartó gy r , melybe a vizsgálandó anyag, esetünkben alumínium-oxid sajtolópor helyezhet el. A (15) kiskocsi fels részére helyezhet el az (4) aktuálisan vizsgálandó felület, amely lehet akár sík (eltér felületmin séggel) a küls , mozgó súrlódási együttható méréséhez, akár recézett felület, az anyagok bels súrlódásának vizsgálatához. A kötélben ébred Ft húzóer t a (8) er mér cella, a kocsi elmozdulását (18) elmozdulásmér

cella méri, és e szenzorok által szolgáltatott

mér jeleket a (7) mér adatgy jt egység fogadja, és továbbítja a (6) számítógép felé, ahol megtörténik azok feldolgozása. A súrlódási tényez a kötélben ébred er és a pneumatikus henger által létrehozott leszorító normál irányú er

hányadosából

számítható. Vizsgálataink során a 2.1. táblázatban ismertetett különböz

tisztaságú

alumínium-oxid sajtolóporok és a Bakony Ipari Kerámia Kft által gyártott 96% Al2O3 granulátum reológiai tulajdonságait határoztuk meg a Kerámia és Szilikátmérnöki Tanszéken kifejlesztett kombinált reo- és tribométerrel (2.2. ábra). A mintatartó gy r be minden mérési sorozat esetében azonos mennyiség (m = 300g) sajtolóport töltöttünk.

42

A küls és bels súrlódási együttható meghatározásához sík acéllapot használtunk. A töltött térfogatot állandó Fn er vel terheltük, és eközben a kötéldob (10) és a kötélpálya (13) közötti kapcsolat oldásával alkalmassá téve a deformáció-id görbe felvételére a kombinált reo- és tribométert, majd állandó er vel terheltük a rendszert. 5 p

1 19 12 14

6

2

8

7

3 4 15

Fn

Ft

17

18

9 10 11

13

16

2.2. ábra: Kombinált reo- és tribométer[70] A készüléket a 2.3. ábrán bemutatott elvi vázlat szerinti módon átalakítva, lehet vé vált felvenni a különböz tisztaságú alumínium-oxid porok deformáció-id görbéit változó Fn nyomóer k mellett. A kapott eredmények alapján számíthatóvá vált a súrlódási együttható, a nyírófeszültség; és így meghatározható a Coulomb-egyenes is.

2.3. ábra: Az átalakított készüléken végzett reológiai vizsgálat elvi vázlata

43

A Bakony Ipari Kerámia Kft által el állított porok esetében lehet ség nyílott azonos tisztaságú, ám eltér litersúlyú, így eltér szemcseméret-eloszlással rendelkez porok vizsgálatára is. A mintatartó gy r be minden mérési sorozat esetében azonos mennyiség (m = 300g) sajtolóport töltöttünk. A töltött térfogatot állandó Fn er vel terhelve állandó elmozdulási sebesség mellett felvettük a nyíróer -id és elmozdulásid diagramokat. Ezt követ en megismételtük a vizsgálatot az elmozdulási sebesség egyenletes növelése mellett, így meghatározva a maximális nyíróer ket. Majd újra megismételtük a vizsgálatot a következ feltételek mellett: a töltött térfogatot állandó Fn er vel terheltük, és eközben a kötéldob (10) és a kötélpálya (13) közötti kapcsolat oldásával alkalmassá tettük a deformáció-id görbe felvételére a kombinált reo- és tribométert, így állandó er vel terheljük a rendszert. A készüléket újra átalakítva a 2.3. ábrán bemutatott elvi vázlat szerint, lehet vé vált felvenni a különböz

szemcseméret

és szemcseszerkezet

alumínium-oxid porok

deformáció-id görbéit változó Fn nyomóer k mellett. A kapott eredmények alapján számítható lett a súrlódási együttható, a nyírófeszültség; és így meghatározható a Coulomb-egyenes is. A szemcseméret-eloszlás meghatározására a Quantimet 570C képelemz berendezést alkalmaztuk. A vizsgálat során több látótérben is mértük a szemcsék területét, majd az így kapott adatokból kiszámítottuk azok átmér jét. Az elemzéshez[71] pedig a szemcsék átmér jének számtani közepét vettük figyelembe. A sajtolópor alapanyagául a MAL RT által gyártott ALO - GB 1 típusú timföld szolgált, melyet adalékanyagok hozzáadásával a gyár számunkra tovább

rölt és

porlasztva szárított. A timföld összetételét és jellemz it az 1. Melléklet tartalmazza. Adalékolásnál talkumot, kalcitot, bentonitet és kaolint, mint ömleszt

anyagot

használtunk.

2.2. táblázat: Sajtolóporok szemcseátmér értékei SZEMCSEÁTMÉR Átlag, µm Maximum, µm Minimum, µm Szórás, µm Relatív szórás, %

L-2 L-0 L+2 S r ség (Litersúly), kg/l 1,208 1,231 1,2518 86,3 74 97,4 191,6 193,4 215,1 17 16,4 17,2 34,3 37,5 49,7 39,7 50,7 51

44

A fentieken túl reológiai vizsgálatainkhoz három különböz litersúlyú alumínium-oxid port alkalmaztunk. A sajtolóporok szemcseméret-eloszlását képelemz berendezéssel határoztuk meg, az így mért szemcseátmér ket a 2.2. táblázat tartalmazza. A kísérletekben felhasznált sajtolóporok szemcseméret-eloszlását az 1. Melléklet tartalmazza.

2.3.

Alakadási és szinterelési tulajdonságok vizsgálatára végzett kísérletek Alakadási és szinterelési tulajdonságok jellemzésére több kísérletsorozatot

végeztünk. Kísérleteink során az egyes sorozatokban egyrészt vizsgáltuk a formázás hatásait, másrészt a hagyományosan és nitrogén atmoszférában el égetett (zsengélt), majd

szinterelési

h mérsékleten

kiégetett

minták

mikroszerkezetében

történt

változásokat; a jellemz mikroszerkezeti és mechanikai tulajdonságokat. Az els kísérletsorozatban a 2.1. táblázatban ismertetett Kreutz SPG 95 és Alcoa CT 3000 SDP alumínium-oxid présporból kétoldali sajtolással készítettünk körgy r alakú próbatesteket a Mikeron Kft mechanikus présgépén a 2.3. és 2.4. táblázatban ismertetett módon, ahol a sajtolószerszám tüskéjének átmér je 34,6 mm, a ház átmér je 47,7 mm. Táblázatos alakban ábrázolhatók a kísérleti feltételek is, ez a táblázat a kísérleti mátrix, amelynek sorai a különböz

kísérleti beállításoknak, oszlopai pedig a

faktorértékeknek felelnek meg. A 2.4. táblázat a matematikai modell megalkotásához szükséges 16 kísérleti beállítást tartalmazza. A mérési eredmények az „y i ” oszlopvektorba kerülnek beírásra. Az alkalmazott szerszám edzett acélból készült, felülete polírozott. Sajtolást követ en a nyers, körgy r alakú termékek küls átmér je 47mm, bels átmér je 36,7 mm. Továbbá hideg izostatikus sajtolással 50 és 100MPa sajtolónyomással is készítettünk korong alakú próbatesteket. Izostatikus sajtolás esetében a sajtolónyomást a rendszerbe töltött olaj nyomása biztosítja a gumizsákba töltött sajtolóporra. Az így kapott hengeres formájú nyers terméket a kívánt formára kell esztergálni.

2.3. táblázat: Faktorok és faktorszintek Faktorok

Jele

Mért. egys.

Var. Int.

Sajtoló nyomás Max. rátartási id

x1 x2

MPa s

30 3

-2 25 3

Faktorszintek -1 0 +1 60 90 120 6 9 12

+2 150 15

45

A nyers minták egy részét normál módon 1250°C-on (2.4. ábra), a maradék mennyiséget pedig nitrogén véd gázban 1420°C-on zsengéltük (2.5. ábra) szilitrudas kemencében. Majd a zsengélt félkész termékeket 1640°C-on szintereltük a Mikeron Kft Nabel HT128 típusú kemencéjében. Minden kísérleti beállítás esetében 10 mintadarabot készítettünk, a vizsgálatokhoz a kapott értékek átlagát vesszük alapul. Továbbá, mivel kétféle anyagmin ségre vonatkozik a vizsgálat, így 2x10x18, azaz 360 darab körgy r

alakú próbatestet

készítettünk. A kapott eredmények alapján regressziós egyenletekkel írjuk le a függvénykapcsolatot az alkalmazott faktorok és vizsgált tulajdonságok között. 1600

1600

1400 1200

1200 1000

1000

T, °C

T,°C

1400

800 600 400 200

800 600 400 200

0 0

5

10

15

20

25

0 0

t, h

2.4. ábra: Zsengélés hagyományos módon

5

10

15

t, h

20

25

30

2.5. ábra: Zsengélés nitrogén véd gázban

1800 1600 1400

T, °C

1200 1000 800 600 400 200 0 0

5

10

15

t, h

20

25

30

35

2.6. ábra: Magas Al2O3 tartalmú kerámiák szinterelése 95% és 99,7% Al2O3 tartalmú kerámiák esetén normál és nitrogén atmoszférában el égetve, szinterelve az alábbi kutatási objektumokat vizsgáltuk: 1.

Sajtolási tömörödés

y11; y21; yN11; yN21;

2.

Zsengélési zsugorodás

y12; y22; yN12; yN22;

3.

Égetési zsugorodás

y13; y23; yN13; yN23;

4.

Zsengélési veszteség

y14; y24; yN14; yN24;

46

5.

Égetési veszteség

y15; y25; yN15; yN25;

6.

Égetett termék látszólagos porozitása

y16; y26; yN16; yN26;

7.

Égetett termék tests r sége

y17; y27; yN17; yN27;

8.

Égetett termék hajlítószilárdsága

y18; y28; yN18; yN28;

Az yij illetve yNij válaszfüggvények esetében az általunk alkalmazott jelölések szerint az

i a kerámiapor Al2O3-tartalmát (1: 95%; 2: 99,7%), j a vizsgált tulajdonság sorszámát, N a nitrogén véd gázban el égetett mintákat jelöli.

2.4. táblázat: Tervezési mátrix Sorszám

x0

x1

x2

x1x2

x12

x22

Sorszám

x0

x1

x2

x1x2

x12

x22

1

+

-

-

+

+

+

9

+

-2

0

0

0

0

2

+

+

-

-

+

+

10

+

+2

0

0

0

0

3

+

-

+

-

+

+

11

+

0

-2

0

0

0

4

+

+

+

+

+

+

12

+

0

+2

0

0

0

5

+

-

0

0

0

0

13

+

0

0

0

0

0

6

+

+

0

0

0

0

14

+

0

0

0

0

0

7

+

0

-

0

0

0

15

+

0

0

0

0

0

8

+

0

+

0

0

0

16

+

0

0

0

0

0

yi

yi

A második kísérletsorozatban Kreutz SPG 95 és Alcoa CT 3000SDP alumínium-oxid kerámiaport alkalmaztunk, amib l körgy r és korong alakú próbatesteket készítettünk izostatikus és egyoldali sajtolással. A hideg izostatikus sajtolást a MIKERON Kft. berendezésén végeztük. A szilikonzsákba tömörített Al2O3 hengerb l a próbatesteket méretre vágták, az így kapott korong alakú próbatestek mérete: ∅50mm és 10mm vastagságúak. Az egyoldali sajtolással készült próbatesteket a Kerámia- és Szilikátmérnöki Tanszék 100kN mechanikai berendezésén készítettük, a próbatesteket

∅25mm sajtolószerszámba préseltük, és a tölt tömeg 10g volt. Mindegyik alakadási eljárás során 50, 75 és 100 MPa sajtolónyomást alkalmaztunk. A sajtolást követ en a nyers próbatestek egyik részét elektromos kemencében 1360°Con zsengéltük 5 óra h ntartás mellett nitrogén atmoszférában (2.7. ábra). Másik részét 1250°C-on zsengéltük úgy, hogy 500 és 800°C között nitrogén gázt áramoltattunk a kemencébe (2.8. ábra). Majd a darabokat a Mikeron Kft NABER HT128 típusú kemencéjében 1640°C-on égettük ki (2.6. ábra).

47

1600

1400

1400

1200

1200

1000

1000

T, °C

T, °C

1600

800 600

800 600

400

400

200

200

0

0 0

0,3

1,3

3,8

8,8

9,6

12,5

22,9

0,00

0,33

1,33

t, h

3,75

4,58

7,50

17,92

t, h

2.7. ábra: Zsengélés nitrogén atmoszférában

2.8. ábra: Zsengélés normál atmoszférában

Kreutz SPG 95 és Alcoa CT 3000SDP Al2O3 tartalmú kerámiák esetén normál és

nitrogén atmoszférában el égetve, szinterelve az alábbi kutatási objektumokat vizsgáltuk: 1.

Zsengélési zsugorodás

y11; y21; yN11; yN21;

2.


y12; y22; yN12; yN22;

3.

Zsengélési veszteség

y13; y23; yN13; yN23;

4.


y14; y24; yN14; yN24;

5.


y15; y25; yN15; yN25;

6.

Égetett termék s r sége

y16; y26; yN16; yN26;

7.


y17; y27; yN17; yN27;

A harmadik kísérletsorozathoz Martoxid KMS-92, Kreutz SPG 95 és Alcoa CT 3000SDP alumínium-oxid kerámiaport alkalmaztunk (2.1. táblázat). Mindegyik típusból kétoldali sajtolással készítettünk hasáb alakú próbatesteket 66,64; 99,96; 133,28MPa sajtolónyomással a Kerox-Multipolar II. Kft-nél, ahol a próbatestek mérete 2,5x2,5x50mm. A sajtolt próbatestek egy részét el ször nitrogén atmoszférában 1360°C-on zsengéltük (2.9. ábra), majd 1460°C-on, illetve 1550°C-on és 1640°C-on szintereltük azokat a Miskolci Egyetem Polimermérnöki Tanszék nagyh mérséklet

T, °C

EK-01 típusú elektromos kemencéjében (2.10. ábra). 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0,0

0,3

1,3

3,8

8,8

9,6 12,5 22,9

t, h

2.9. ábra: Zsengélés nitrogén véd gázban 48

Égetés h mérséklete, °C

1800 1600 1400 1200

1640

1000

1550

800

1460

600 400 200 45

42

39

36

33

30

19

16

13

10

7

4

1

0 Ége té s ide je , h

2.10. ábra: Magas Al2O3 tartalmú kerámiák szinterelési h görbéi Martoxid KMS-92, Kreutz SPG 95 és Alcoa CT 3000SDP alumínium-oxid kerámiák esetén normál és nitrogén atmoszférában el égetve, szinterelve az alábbi kutatási

objektumokat vizsgáltuk: 1.


y11; y21; yN11; yN21;

2.

Égetett termék s r sége

y12; y22; yN12; yN22;

3.


y13; y23; yN13; yN23;

A negyedik kísérletsorozatban a Bakony Ipari Kerámia Kft. által a már említett módon el állított alumínium-oxid kerámiaport alkalmaztuk. DORST TPA 50/2 típusú kétoldali hidraulikus sajtoló berendezéssel készítettünk hasáb alakú próbatesteket (24x24x10mm) a 2.5. táblázatban foglaltak szerint. A sajtolt mintákat három különböz h mérsékleten – 1460, 1550 és 1640°C-on - szintereltük (2.10. ábra). A három különböz h mérsékleten történ égetést egy kemencében – a Bakony Ipari Kerámia Kft üzemszer en használt alagútkemencéjében - nem tudtuk megoldani. 1640°C-on hagyományos módon alagútkemencében égettünk ki egy minta sorozatot. A többi mintát a Miskolci Egyetem Polimermérnöki Tanszék nagyh mérséklet EK-01 típusú elektromos kemencéjében égettük. Továbbá egy mintasorozatot 1360°C-on nitrogén véd gázban zsengéltük (2.9. ábra) a Kerámia- és Szilikátmérnöki Tanszéken, majd 1640°C-on szintereltük a Mikeron Kft Naber HT128 típusú kemencéjében. A regressziós vizsgálatokat kétféle módon végeztünk. Az egyik módszernek az Excel táblázatkezel programot használtuk, ahol a szükséges közbens számítási lépéseket egymás után végeztük el. A másik módszer a Minitab statisztikai program volt. A disszertációban összehasonlítottuk a két módszerrel kapott eredményeket.

49

2.5. táblázat. Faktorok és faktorszintek Faktorok

Jele

Sajtoló er Adalékanyag-arány

x1 x2

Mért. egység kN %

Var. Int. 10 0,06

-2 40 0

Faktorszintek -1 0 +1 50 60 70 0,06 0,12 0,18

+2 80 0,24

Bakony Ipari Kerámia Kft kerámiák esetén normál és nitrogén atmoszférában szinterelve az alábbi kutatási objektumokat vizsgáltuk:

2.4.

1.

Sajtolási tömörödés

y11; y21; yN11; yN21;

2.


y12; y22; yN12; yN22;

3.


y13; y23; yN13; yN23;

4.


y14; y24; yN14; yN24;

5.

Égetett termék tests r sége

y15; y25; yN15; yN25;

6.


y16; y26; yN16; yN26;

Zsengélt és égetett kerámiák vizsgálata

Kutatómunkánk során az általunk legyártott, zsengélt (el égetett) és égetett kerámia próbadarabokon számos vizsgálatot végeztünk. A zsengélési zsugorodás a zsengélés utáni magasság és a sajtolt próbatest magasságának viszonyszáma.

S zs = (1 −

H zs ) ⋅ 100% H0

(2.2)

ahol S zs

a zsengélési zsugorodás, (%);

H zs a zsengélés utáni magasság , (mm); H 0 a kiindulási magasság , (mm). A zsengélési veszteség a zsengélés után mért tömeg és a sajtolt próbatest tömegének viszonyszáma.

G zs = (1 −

m zs ) ⋅ 100% m0

(2.3)

ahol G zs

a zsengélési veszteség , (%);

m zs a zsengélés utáni tömeg , ( g ); m 0 a kiindulási tömeg , ( g ).

50

Az égetési zsugorodás a zsugorító h kezelés után mért magasság és a sajtolt próbatest magasságának viszonyszáma.

S e = (1 −

He ) ⋅ 100% H0

(2.4)

ahol Se

az égetési zsugorodás, (%);

H e az égetés utáni magasság , (mm); H 0 a kiindulási magasság , (mm). Az égetési veszteség a zsugorító h kezelés után mért tömeg és a sajtolt próbatest tömegének viszonyszáma.

Ge = (1 −

me ) ⋅ 100% m0

(2.5)

ahol Ge

az égetési veszteség , (%);

m zs az égetés utáni tömeg , ( g ); m 0 a kiindulási tömeg , ( g ). A hajlítószilárdság meghatározásához szükséges méréseket hárompontos

hajlítóvizsgálattal, a 100kN mechanikus berendezésen és Instron 1112 modellen végeztük. A sajtológépen a hárompontos hajlítást a 2.11. ábra szerint modelleztük: a különböz méret körgy r , korong és hasáb alakú próbatesteket az alátámasztásokra helyeztük, majd fokozatos, növekv er vel terheltük, amikor ennek hatására a darab eltört, a törést okozó er értékét leolvastuk a mér óráról. F

1 – gy r , korong vagy hasáb 3 alakú próbatest 2 – alátámasztó henger 3 – tör fej 1 D – hengeres tör átmér je, (mm) 2 L – alátámasztó hengerek közötti távolság, (mm) F – hajlítóer , (N)

D=10mm

L

2.11. ábra Hajlítószilárdság mérésének vázlata 100kN mechanikus berendezésen

51

Hasáb alakú próbatestek hajlítószilárdságának (σh) meghatározására [72] a következ egyenletet használtuk:

σh =

[N / mm ] ;

(2.6)

F ⋅l , [ N ⋅ mm] ; 8

(2.7)

M hx , Kx

Mh =

2

ahol Mh az F hajlítóer nyomatéka, Kx arányossági tényez , mely a test alakjától és méreteit l függ ún. keresztmetszeti tényez és l az alátámasztás távolsága. Téglalap keresztmetszeti tényez je:

Kx =

ab 2 , 6

[mm ]. 3

(2.8)

Korong és körgy r alakú próbatestek esetében a hajlítószilárdság meghatározását a fenti módszert l eltér en kell végezni. A szabványos vizsgálattól eltér

módszerrel

végeztük a vizsgálatokat, így az alábbi módon számított szilárdsági értékek csak összehasonlításra alkalmasak. A körgy r re és a korongra csak a hajlítóer hat, ezért tiszta hajlításról beszélünk. Figyelembe kell vennünk a tárcsák és korongok méretbeni különbségét: Ha

D > L, akkor l = L,

ha

D < L, akkor l = D,

ahol D a próbatest küls átmér je, L az alátámasztó hengerek közötti távolság, és l az alátámasztás távolsága. Tekintve, hogy a vizsgálat során a terhelt keresztmetszet téglalap alakú, ezért a keresztmetszeti tényez

meghatározására a következ

egyenletet használjuk korong

esetében:

Dh 2 Kx = , 6

[mm ]. 3

(2.9)

Körgy r esetében: ( D − d )h 2 Kx = , 6

[mm ]; 3

(2.10)

52

ahol D a próbatest küls átmér je, és d a próbatest bels átmér je, így D, illetve (D-d) esetünkben a próbatest szélessége és h a próbatest magassága. A már kész darabok üzemelés során ki vannak téve a tönkremenetelhez vezet károsodási folyamatoknak, amelyet okozhat kémiai, mechanikai hatás, illetve ezek együttese. Szerkezeti kerámiák esetében a felhasználás szempontjából tekintve, a kopás az egyik legfontosabb tényez , mivel ennek gazdasági hatása is jelent s. A kopás összetett folyamat, amit képlékeny alakváltozás, kifáradás, törés, korróziós és diffúziós folyamatok is kísérhetnek. A Kerámia és Szilikátmérnöki Tanszék laboratóriumában található koptatógépen (2.12. ábra) végeztük a kopási vizsgálatokat. A koptatáshoz vizet és 170 µm szemcseméret SiC port használtunk. A vizsgálat során minden próbatestet 10 percig koptattunk. Majd ezt követ en minden darabot szárítószekrényben szárítottunk 50°C h mérsékleten, 5 órán keresztül. A már nedvességt l mentes próbatesteknek mértük a tömegét.[73,74]

2.12. ábra: Koptatógép A rideg, keramikus anyagok egyik mechanikai jellemz je lehet a Vickerslenyomatos törési szívósság, illetve a HV keménység. Vizsgálatokat a Miskolci Egyetem Mechanikai Technológiai Tanszék Mitutoyo keménységmér berendezésén végeztük. A legtöbb rideg kerámiára – mint az alumínium-oxid kerámiákra is - a félpenny geometriájú lenyomat a jellemz . Az ilyen geometriájú lenyomatok esetén a törési szívósság meghatározására különböz , már jól ismert matematikai modellek (2.

Melléklet) állnak a rendelkezésünkre. A törési szívósság meghatározásához figyelembe vettük a lenyomatkészítés el tti feszültségállapot, valamint az anyag mikroszerkezetét (pórusok, szemcsehatárok, a szemcse- és lenyomat méretének arányát).

53

A tests r séget Archimedes-módszerével határoztuk meg, amelyhez bemerül közegnek vizet használtunk. A tests r ség meghatározásához a következ adatokra volt szükség: A száraz próbatest tömege (msz), A folyadékkal telített próbatest tömege leveg n mérve (mn) A folyadékba lógatott próbatest tömege (mv) A folyadék s r ségének (ρf) ismeretében az anyag tests r ségét következ

képlet

alapján számíthatjuk ki:

ρt =

msz ⋅ρf , m n − mv

[g / cm ]. 3

(2.11)

A porozitás, illetve a vízfelvev képesség és a szilárdság között egyértelm összefüggés van: minél kisebb a vízfelvev

képesség, annál nagyobb a termék

szilárdsága.[74]

Látszólagos porozitásnak nevezzük az anyagban lév

nyitott pórusok térfogat

százalékos mennyiségét. A valódi porozitást a zárt és a nyitott pórusok együttes térfogata adja. A valódi porozitás (Pv) a tests r ség és a valódi s r ség ismeretében a következ összefüggés alapján számolható:

Pv =

ρ − ρt ⋅ 100% . ρ

(2.12)

A látszólagos porozitást (Pl) a folyadékkal telített próbatest tömegének (mn) és a száraz állapotban mért tömegnek (msz) tests r ségének és a folyadék s r ségének az ismeretében számolhatjuk:

Pl =

ρ t ⋅ (mn − m sz ) ⋅ 100% . ρ f ⋅ m sz

(2.13)

A nyitott pórusok térfogat százalékos mennyisége Pny=Pl. A zárt pórusok térfogat százalékos mennyisége Pz=Pv-Pl. Az alumínium-oxid sajtolóporban lév adalékanyagok a zsengélés, szinterelés során g zök, gázok formájában távoznak el, melynek h mérsékleteit termoanalitikai 54

vizsgálatokkal határoztuk meg. A sajtolóporok termoanalitikai vizsgálatát a Földtani Intézet által üzemeltetett MOM Derivatograph C-típusú termoanalitikai berendezéssel végeztük. A felf tés 25°C-tól 1100°C-ig történt, 10°C/perc-es sebességgel. A derivatográf el nye, hogy segítségével egyidej leg lehet mérni és rögzíteni a vizsgált anyagban kialakuló h mérsékletváltozás (T-görbe) függvényében a tömeg-változást (TG-görbe), a tömegváltozás deriváltját (DTG-görbe), az etalon anyaghoz viszonyított h mérséklet eltérést; vagyis az entalpiaváltozás jellegét és mértékét (DTA-görbe). Így állapítható meg az, hogy a vizsgált szilárd anyagban h közlés hatására endoterm (h elvonó) vagy exoterm (h termel ) reakciók jönnek-e létre. A mikroszerkezet feltárására AMRAY 1801 pásztázó elektronmikroszkópos (SEM) felvételeket készíttettünk, illetve EDX analízist végeztünk. Számunkra lényeges információkat a gerjesztett térfogatból visszaszóródó elektronok hordozzák. EDX üzemmódban a DX 4.51 szoftver segítségével a készülék ezeket a jeleket feldolgozva a térfogatban lév

atomokat, molekulákat térfogathányaduk szerinti mennyiségben

ismerteti. A normál és nitrogén gázban szinterelt próbatestek röntgendiffrakciós vizsgálatát a Miskolci Egyetem Ásványtani- Földtani Intézetében elhelyezett BRUKER D8 ADVANCE-típusú röntgen diffraktométerrel készült. A vizsgálathoz a próbatesteket porítani kellett. A minta felület kémiai jellemz it XPS módszerrel végeztük az MTA Kémiai Kutatóközpont Anyag- és Környezetkémiai Intézetében.

2.5.

Összegzés

A kutatás során vizsgálatainkhoz minden esetben igyekeztünk korszer módszereket és jól bevált megbízható eszközöket igénybe venni. A kit zött feladatok elvégzése – végrehajtása - során törekedtünk a számítógépes adatfelvételre és adatrögzítésre; valamint a matematikai statisztikai alapokra épül

kísérlettervezési módszerek

alkalmazására.

55

3. Alumínium-oxid kerámiák sajtolási, tömörödési vizsgálata A szakirodalomból [11,75,76,77,78] ismert, hogy a porsajtolással el állított különböz kerámia termékek mechanikai szilárdságát, tömörségét és anyagszerkezetét jelent s mértékben befolyásolja az alkalmazott kompaktálási technológia, a sajtolónyomás nagysága, és a sajtolt termék geometriája. Különösen nagy jelent séggel bír a mechanikai tulajdonságokra a sajtolónyomás tömörítés közbeni eloszlása és csökkenésének mértéke a sajtolóporban [79,80]. Ezért az optimális sajtolási feltételek csak a sajtolópor reológiai tulajdonságainak ismeretében határozhatók meg. [76]

3.1.

Alumínium-oxid sajtolóporok reológiai vizsgálata

Az eltér tisztaságú sajtolóporok reológiai vizsgálata, reológiai jellemz inek ismerete fontos az alakadási technológia kiválasztásakor, mivel az alakadás során az anyag tömörödését meghatározza annak bels - és küls

súrlódási együtthatója, melynek

meghatározását az IGREX Kft. tulajdonát képez , a Miskolci Egyetem Kerámia- és Szilikátmérnöki Tanszék laboratóriumában található kombinált reo- és tribométerrel végeztük. A kombinált reo- és tribométer m ködési elvét a 2. fejezet ismerteti. Vizsgálataink során 4 különböz

tisztaságú alumínium-oxid granulátumot

használtunk. A kombinált reo-tribométert átalakítva, felvettük az egyes sajtolóporok reológiai jelleggörbéjét (1. Melléklet). A 3.1. ábra a vizsgált porok nyírófeszültség-id kapcsolatát ismerteti. A vizsgálat során felvett adatokból (er , elmozdulás, id ) kiszámítható a súrlódási együttható és a nyírófeszültség. Megállapítható, hogy 92% feletti

Al2O3-tartalmú

sajtolóporok

nyírófeszültség-id

görbéje

közel

azonos,

függetlenül a sajtolóporban található egyéb ásványok és oxidok típusától és mennyiségi arányától.

56

Nyírófeszültség, MPa

0,040 0,035 0,030 92%

0,025

95%

0,020

96%

0,015

99,70%

0,010 0,005 0,000 1

146 291 436 581 726 871 1016 1161 1306 id , s

3.1 ábra: Nyírófeszültség – id jelleggörbe A 3.2. ábra ismerteti a kapott vizsgálati eredmények alapján számított súrlódási együttható és az alkalmazott nyomás közötti összefüggéseket. A méréseink során megfigyeltük, hogy az FN terhel

er

növelésével a küls

súrlódási együttható

növekszik. A 3.2. ábra szerint arra következtethetünk, hogy 0,16MPa-ig terhelve a sajtolóport, a szemcsék kitöltik a vizsgálatokhoz használt fémlemez teljes (6,3µm érdesség ) felületét és ekkor a szemcsék már nem tudnak egymáson átgördülni és kialakul a tökéletes csúszás.

Súrlódási együttható

0,29 0,27 0,25

92%

0,23

95% 96%

0,21

99,70%

0,19 0,17 0,15 0,08

0,12

0,16

0,2

0,24

0,28

Sajtolónyomás, MPa

3.2. ábra: Súrlódási együttható a sajtolónyomás függvényében eltér tisztaságú Al2O3 kerámiák esetén

Szemcseméret-eloszlás hatásának vizsgálata során a Bakony Ipari Kerámia Kft által el készített

sajtolóporokat

használtuk

(1.

Melléklet).

A

sajtolópor

reológiai 57

tulajdonságait befolyásolja az adalékanyag-tartalom, illetve a szemcseméret-eloszlás. A sajtolópor adalékanyag-tartalmának meghatározásához termoanalitikai vizsgálatot végeztünk, mely alapján megállapítottuk, hogy az általunk használt sajtolóporok adalékanyag-tartalmában nincs jelent s mennyiségi különbség. A termoanalitikai

100

Id , s

23,8

21

22,4

19,6

18,2

16,8

14

Id , s

a) 0,08MPa terhelés esetén

b) 0,28MPa terhelés esetén

3.3. ábra: L – 0 szemcseméret-eloszlású sajtolópor jelleggörbéi A kombinált reo-tribométeren a töltött térfogatot állandó FN er vel terhelve, állandó

elmozdulási sebesség mellett felvettük a nyíróer -id és elmozdulás-id diagramokat (3.3. ábra) is. A maximális nyírófeszültség meghatározásával ábrázolni tudjuk a Coulomb-egyenest is a 3.4. ábra szerint. A felvett egyenesek egyenleteit meghatároztuk.

Kapott egyenletek a különböz szemcseméret-eloszlású porok esetében: L – 0 jel minta esetén:

τ = 0,1136σ + 0,004

(3.2)

L – 2 jel minta esetén:

τ = 0,1235σ + 0,0015

(3.3)

L + 2 jel minta esetén:

τ = 0,1165σ + 0,0037

(3.4)

58

23,1

21,8

20,4

19

17,7

16,3

15

13,6

12,2

10,9

9,52

8,16

12,2

11,4

10,6

9,88

9,12

8,36

7,6

6,84

6,08

5,32

4,56

3,8

0 3,04

0 2,28

20

6,8

40

20

1,52

15,4

60

5,44

40

80

4,08

60

2,72

80

1,36

Elmozdulás, mm

120

100

0

12,6

9,8

Id ,s

120

0,76

Elmozdulás, mm

Id , s

11,2

7

8,4

5,6

4,2

1,4

2,8

500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0

12,2

11,4

10,6

9,88

9,12

7,6

8,36

6,84

6,08

5,32

3,8

4,56

3,04

2,28

1,52

0

Er , N

500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0,76

Er , N

vizsgálat és a reológiai vizsgálat eredményeit a 1. Melléklet tartalmazza.

Nyirófeszültség, MPa

0,04 0,035 0,03 0,025

L-0

0,02

L-2

0,015

L+2

0,01 0,005 0 0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

Nyomófeszültség, MPa

3.4. ábra: Coulomb-egyenes felvétele Ezt követ en megismételtük a vizsgálatot az FN terhel er t különböz állandó értéken tartva miközben az elmozdulási sebesség egyenletesen növeltük, így meghatározva a maximális nyíróer ket. A kapott vizsgálati eredmények közül a 3.5. ábrán azt a két esetet mutatjuk be, amikor az Fn terhel er az alumínium-oxid sajtolóporban 0,08MPa, illetve 0,28MPa nyomófeszültséget generált. Az ábrából jól látható, hogy nagyobb tömörít nyomás esetén lényegesen nagyobb er képes csak a rendszer megmozdítására, és ezáltal elmozdulást el idézni.

700

700 600

500

500

400

400

Er , N

300

100

100

81,9

71

76,4

65,5

54,6

60,1

43,7

49,1

32,8

38,2

21,8

27,3

10,9

0 40,6

43,3

40

43,1

35,2

37,9

29,8

32,5

24,4

27,1

18,9

21,7

16,2

10,8

13,5

5,41

8,12

0

2,71

Id , s

16,4

0

0

Id , s

37

33,9

30,8

27,7

24,6

21,6

18,5

15,4

12,3

9,24

6,16

0

45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 3,08

Elmozdulás, mm

300 200

200

5,46

Er , N

600

Id , s

a) 0,08MPa terhelés esetén

b) 0,28MPa terhelés esetén

3.5. ábra: L – 0 szemcseméret-eloszlású sajtolópor jelleggörbéi 59

A Coulomb-egyenes felvételével (3.6. ábra) megállapítható, hogy egyenletesen növelve a rendszer sebességét a nyírófeszültség-nyomófeszültség diagrammon a legnagyobb meredekséggel és így bels súrlódási együtthatóval az L + 2 jel sajtolópor rendelkezik.

0,045

Nyírófeszültség, MPa

0,04 0,035 0,03 0,025

L-2

0,02 0,015

L-0

0,01

L+2

0,005 0 0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

Nyom ófeszültség, MPa

3.6. ábra: Coulomb-egyenes felvétele Kapott egyenletek a különböz szemcseméret-eloszlású porok esetében: L – 0 jel minta esetén:

τ = 0,1147σ + 0,0025

(3.5)

L – 2 jel minta esetén:

τ = 0,1236σ + 0,0014

(3.6)

L + 2 jel minta esetén:

τ = 0,1298σ + 0,0025

(3.7)

Az általunk alkalmazott módszerek szerint a vizsgált porok eltér

szemcseméret-

eloszlása, illetve halmazs r sége esetünkben nincs hatással a sajtolóporok bels súrlódási együtthatóira. Ezt követ en a töltött térfogatot állandó FN er vel terheltük, és eközben a kötéldob és a kötélpálya közötti kapcsolat oldásával alkalmassá tettük a deformáció-id görbe felvételére a kombinált reo- és tribométert. A 3.7. ábra az alumínium-oxid sajtolópor alakváltozás-id , valamint a 3.8. ábra az elmozdulás-id

jelleggörbét adja meg FN tömörít

er

által el idézett 0,08MPa

sajtolónyomás esetén.

60

0,7

Alakváltozás

0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 96,9

91,2

85,5

79,8

74,1

68,4

62,7

57

51,3

45,6

39,9

34,2

28,5

22,8

17,1

11,4

0

5,7

0 Id , s

3.7. ábra: Alumínium-oxid sajtolópor reológiai jelleggörbéje 120

Elmozdulás, mm

100 80 60 40 20

98,6

92,8

87

81,2

75,4

69,6

63,8

58

52,2

46,4

40,6

34,8

29

23,2

17,4

5,8

11,6

0

0 Id , s

3.8. ábra: Alumínium-oxid sajtolópor elmozdulás-id függvénye Reológiai vizsgálataink során megfigyeltük néhány sajtolási jellegzetesség megjelenési formáját is (1. Melléklet). Az 1. fejezetben már ismertettük a félmennyiség modellt. Reed a sajtolás folyamatát 3 f szakaszra osztja, melyek a sajtoló nyomás és a töltési s r ség közötti kapcsolatot veszi figyelembe. A hengeres, tárcsalakú alumínium-oxid nyerstermékek sajtolásakor a 3.9 ábrán bemutatott s r ség-sajtolási id diagrammot kaptuk, miközben a sajtolónyomást az id függvényében lineárisan növeltük. Ezt a görbét els ként Matsumoto és szerz társai írták le. [29]

61

3.9. ábra: Sajtolás f bb szakaszai (Átvéve: R.D. Carneim, G.L. Messing: Powder Technology 115(2001)131–138)

N = 20X

N =1500X

3.10. ábra: A sajtolás I. szakasza

N = 8X

N = 10000X

3.11. ábra: A sajtolás II. szakasza Ezek szerint az id

függvényében lineárisan növekv

sajtolónyomás esetén a

s r ségváltozás folyamata 6 f szakaszra bontható, ahol az I. szakaszban a sajtolópor

62

betöltésével megindul a szemcsék rendez dése és a szerszámbélyeg zárásával a rendez dés meg is sz nik. A II. szakaszban a szerszámbélyeg zárásakor kifejtett terhel er k hatnak a granulátumokra. A III. részben a növekv terhel er hatására megindul a sajtolás folyamata, a szemcsék deformálódnak. A IV. szakaszban a szemcsék deformációjával, szilánkosodásával elérjük a maximális tömörödés mértékét. Az V. szakasz kezdete a szerszámbélyeg kitolásával kezd dik, amikor is megindul a visszarugózás folyamata és a relaxáció. Az utolsó szakaszban éri el a termék végleges tömörségét, s r ségét. Vizsgálataink során az I. szakaszban a betöltött granulátum csekély mérték tömörödése figyelhet meg, ekkor a granulátumok egymáson és a szerszám falán elcsúszva rendez dnek. A granulátumok közötti hézagok sokkal nagyobbak, mint a granulátum átlagos pórusai (3.10. ábra). A II. szakaszban a granulátumok a sajtolónyomás hatására deformálódnak (3.11. ábra), töredeznek és a relatíve nagy rések térfogata lecsökken. A tömörödés itt leírható a következ egyenlettel:

DC = D f + m ln( Pa / Py )

(3.8)

ahol DC sajtolt termék s r sége Pa alkalmazott nyomásnál; és m a sajtolási konstans, amely függ az alakíthatóságtól és a granulátumok méreteloszlásától. Az adalékanyagot tartalmazó granulátum terhel nyomása Py, ami kevesebb, mint 1MPa; Df a töltési s r ség. Az egyenletes s r ség eléréséhez annál nagyobb nyomás szükséges, minél nagyobb az adalék- illetve köt anyag tartalma a granulátumnak. A III. szakasz akkor kezd dik, amikor a granulátumok közötti nagy pórusok elt nnek a deformáció során és a tovább növelt sajtoló nyomás hatására a szemcsék elcsúsznak, újrarendez dnek vagy összetöredeznek (3.12. ábra).

N =8X

N = 5000X

3.12. ábra: A sajtolás III. szakasza 63

Megállapíthatjuk

tehát,

hogy

kismérték

–

0,08-0,28MPa

-

sajtolónyomás

alkalmazásakor a sajtolópor már a sajtolási folyamat I., II. és a kezdeti III. szakasza szerint viselkedik. Ekkor az általunk kapott reológiai modellt 3.13. a) ábra szerint írhatjuk le. Mivel a szemcsék itt már rendez dnek, további sajtolónyomás hatására deformálódni fognak. Az így kialakult állapot visszarendez déséhez végtelen id szükséges.

a) Al2O3 sajtolóporok viselkedése az I.-II.

b) Szemcsék egymáshoz tapadása III. szakasz

sajtolási szakaszban

kezdetén

c) Szemcseroncsolódás a IV. szakaszban

d) Visszarugózás és relaxáció az V. – VI. szakaszban

3.13. ábra Alumínium-oxid sajtolóporok reológiai modelljei a sajtolás f szakaszaiban A sajtolóporok felületén lév nedvesít anyagok (adalékanyagok) el segítik a szemcsék egymáson és a szerszámfalán való elcsúszást, ugyanakkor a szemcsék egymáshoz való tapadását is a sajtolónyomás hatására. Az adalékanyagokat reológiai viselkedésük szempontjából viszkózus vagy viszkoelasztikus modellel írhatjuk le [29]. Így felírhatjuk 3.13. b) ábra szerinti modellt. A szemcseroncsolódás során a vizsgált rendszerünk kettéválik, így ez a reológiai modellben is megjelenik (3.13. c) ábra). A visszarugózás jelensége a terhelés megsz nésével a porszer , keramikus anyagoknál jól ismert. A sajtolás során a rendszerben ébred feszültségek egy része a terhelés megsz nésével visszahat a rendszerre, a szemcsék visszarugóznak, ezáltal a termék

64

térfogata növekszik és a sajtolt termék s r sége csökken. A visszarugózás jelenségét egy, az eddigi modellünkhöz sorba kapcsolt rugalmas tag biztosítja.(3.13.d) ábra) Az Al2O3 sajtolópor reológiai modellje tulajdonképpen megfelel a már ismert azbesztcement reológia modelljével. Az így leírt modell jelleggörbéit láthatjuk a 3.14. ábrán. Látható, hogy ez a modell nem csak az alumínium-oxid porok, hanem más, egyéb porszer anyagok reológiai modelljével is azonos. A két modell (3.13.d) ábra és 3.14. ábra) azonossága azt jelenti, hogy az alumínium-oxid porokra is felírhatók a Gömze-féle anyag és deformációs reológiai egyenletek. [81] Gömze-féle reomechanikai egyenlet szerint:

τ = τ 0 + η1 ⋅ a + η1 ⋅ a ⋅ t a − tτ − t a ⋅ 1 +

η2 η1

⋅τ − tτ ⋅ t a ⋅τ

(3.9)

A deformáció leírására a Gömze-féle deformációs függvény szolgál:

at = C ⋅

1 1 C E + ⋅ H (t ) + τ 0 + 1 − exp − 2 t E1 η1 E2 η2

⋅ H (t )

(3.10)

3.14. ábra: Azbesztcement tipikus deformáció-id függvénye és reológiai modellje

(Átvéve: Gömze A. László: Vybor osnovnih parametrov shnekovnik pressov dlya formovaniya ctroitel’nih izdelij iz asbestotzementnih mass, Avtoreferat, Moscow, 1985. UDK 666 961 033 022)

65

3.2.

Az alumínium-oxid porok sajtolási, tömörödési vizsgálata

Az alumínium-oxid porok sajtolási, tömörödési vizsgálathoz a 2. fejezetben részletezett alábbi három tömörítési eljárást alkalmaztuk:

•

egyoldalú, egytengely hideg sajtolás;

•

kétoldalú, egytengely hideg sajtolás;

•

hideg izostatikus sajtolás.

Vizsgálataink során jellemz en az alábbi technológiai paramétereket változtattuk az

els kísérletsorozatban: x1 – sajtolónyomást létrehozó sajtoló er , [N]; x2 – a maximális sajtolónyomás hatásideje, [s]. Ett l eltért a negyedik kísérletsorozat, ahol a sajtolást el segít folyósító adalékanyag (Ca-sztearát) mennyiségének sajtolást – tömörödést – el segít

hatását kívántuk

megismerni, feltárni. Ennél a kísérletsorozatnál az alábbi jelölést használtuk: x1 – sajtolónyomást létrehozó sajtolóer , [N]; x2 – a bekevert folyósító adalékanyag mennyisége, [%]. Miután az adott kísérletsorozaton belül azonos sajtolószerszámot használtunk a sajtolóer értékének változtatásával azonos mértékben változott a sajtoló porra ható (küls ) sajtolónyomás. Miután a tömörített termék keresztmetszetét mm2-ben fejeztük ki, így a sajtolóer

által gerjesztett sajtolónyomás értékét MPa-ban kaptuk meg.

Vizsgálataink során a hengeres szerszámüregbe minden esetben azonos tömeg

és

granulometriájú sajtolóport töltöttünk és mértük a sajtolt termék magasságát az x1 és x2 független változó függvényében. A sajtolási vizsgálatok kísérletterveit és a kapott mérési eredményekb l számított és adekvátságra ellen rzött regressziós egyenleteket a 2. Melléklet tartalmazza. Itt csupán az els és a negyedik kísérleti sorozat eredményeit és regressziós egyenleteit kívánjuk bemutatni, mivel ezek jól szemléltetik, hogy az azonos tömeg

és granulometriájú

porból sajtolt próbatestek magassága csak a sajtolónyomástól függ és közel lineárisan csökken a sajtolónyomás növekedésével [78].

Y tömörödés

− 99 , 7 % Al 2 O 3

= 9 , 22 − 0 ,121 ⋅ p

(3.11)

Y tömörödés

− 95 % Al 2 O 3

= 9 , 43 − 0 , 287 ⋅ p

(3.12)

66

Az els kísérletsorozat eredményei azért érdemelnek megkülönböztetett figyelmet, mert a 99,7% Al2O3 tartalmú porok esetén a maximális sajtolónyomás hatásideje gyakorlatilag nem befolyásolta a tömörödés mértékét. Ugyanakkor a kapott (3.11) regressziós egyenlet nem bizonyult adekvátnak, amit a mért adatok alapján készített 3.15. ábra is jól szemléltet.

Sajtolt magasság, mm

10 9,8 9,6 9,4 9,2 9 8,8

95% Al2O3

8,6

99,7% Al2O3

8,4 25

60

90

120

150


3.15. ábra: Sajtolt, nyers termék tömörödése kétoldali sajtolás esetén A negyedik kísérletsorozatban szitálatlan és szitált 99,7% Al2O3 sajtolóport használtunk, és a sajtolást el segít feltárni különböz

folyósító adalékanyag-tartam hatását kívántuk

sajtolónyomások mellett [83]. Bár a vizsgálati eredmények

kiértékelésekor kapott (3.13) és (3.14) regressziós egyenletek adekvátak voltak, gyakorlatilag azt mutatták, hogy ezeknél a viszonylag jelent s sajtolónyomásoknál az alumínium-oxid porok tömörödése esetünkben független a bekevert folyósítószer mennyiségét l.

Y tömörödés

− szitálatla n

Y tömörödés

− szitált

= 9 , 638 − 0 ,149 ⋅ p

= 9 , 693 − 0 ,138 ⋅ p

(3.13) (3.14)

Ezekb l a regressziós egyenletekb l is jól kit nik, hogy a folyósítószer mindenek el tt a töltéskor és a szerszámüreg egyenletes kitöltésénél játszik szerepet. Ott a présporban való jelenléte és homogén eloszlása viszont elengedhetetlen.

67

3.3.

Sajtolási paraméterek hatása a kiégetett Al2O3 kerámiák tulajdonságaira

Az alakadás hatása a késztermék tulajdonságaira - mint tests r ség, látszólagos porozitás, hajlítószilárdság - jól megfigyelhet azok alakulása az égetési h mérséklett l, atmoszférától függetlenül. A következ kben vizsgáljuk normál, illetve viszonylag alacsony h mérsékleten (1460°C) égetett termékek tulajdonságaira tett hatását. Az els kísérletsorozat eredményei alapján (hagyományos módon h kezelve) kétoldali sajtolással készített minták tests r ségének alakulását ismerteti a 3.16. és 3.17. ábra a sajtolónyomás függvényében. Jól látható, hogy a nagy tisztaságú 99,7% Al2O3-tartalmú kerámia tests r sége már 100MPa sajtolónyomás mellett is eléri az elvárt tests r séget. A sajtolónyomás további növelésével már nem érünk el további javulást, ezért ez nem is indokolt. Mindkét ábra szerint a sajtolónyomás maximális hatásidejének növelésével sem érhet el további javulás. 4 Tests r ség, g/cm3

3,95 3,9 3,85 3,8 3,75 3,7

max. rátartási id 3 sec

3,65



3,6 29,52

70,85

106,28

141,71

177,14


3.16. ábra: Tests r ség a sajtolónyomás függvényében 95% Al2O3-tartalom esetén

Tests r ség, g/cm3

4 3,95 3,9 3,85 3,8 3,75




3,7 29,52

70,85

106,28

141,71

177,14


3.17. ábra: Tests r ség a sajtolónyomás függvényében 99,7% Al2O3-tartalom esetén

68

Lényeges különbség a két sajtolópor között a látszólagos, nyílt porozitás esetében mutatkozik. Az eredmények szerint a 95% Al2O3-tartalmú sajtolópor alkalmazásakor a megfelel

gáz és víztömör szerkezet kialakításához 100MPa sajtolónyomást kell

alkalmazni. Ugyanakkor, a 99,7% Al2O3-tartalmú kerámiák esetében a kapott eredmények függetleníthet k a sajtolónyomás mértékét l.

Látszólagos porozitás, %

0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 max. rátartási id 3 sec max. rátartási id 9 sec max. rátartási id 15 sec

0,05 0 29,52

70,85

106,28

141,71

177,14


3.18. ábra: Látszólagos porozitás a sajtolónyomás függvényében 95% Al2O3-tartalom esetén


0,3 0,25 0,2 0,15 max. rátartási id 3 sec

0,1


0,05


0 29,52

70,85

106,28

141,71

177,14


3.19. ábra: Látszólagos porozitás a sajtolónyomás függvényében 99,7% Al2O3-tartalom esetén Az elvárt mechanikai tulajdonságok, mint például a maximális hajlítószilárdság eléréséhez figyelembe kell venni a sajtolónyomás hatását is. Kísérleteink szerint kétoldalú sajtolás esetén 150MPa sajtolónyomás mellett érhet

el optimális

69

hajlítószilárdság, ugyanakkor a termék tests r ségének és látszólagos porozitásának értéke sem romlik[83,84].

Hajlítószilárdság, MPa

260 240 220 200 180 160

95% Al2O3 99,7% Al2O3

140 120 100 29,52

70,85

106,28

141,71

177,14


3.20. ábra: Hajlítószilárdság a sajtolónyomás függvényében A harmadik kísérletsorozat vizsgálja az alakadás hatását viszonylag alacsony

4

4

3,9

3,9

3,8 92% Al2O3

3,7

95% Al2O3

3,6

99,7% Al2O3

3,5 3,4

Tests r ség, g/cm3

Tests r ség, g/cm3

h mérsékleten szinterelt (1460°C) termékek esetében is.

3,8 92% Al2O3

3,7

95% Al2O3

3,6

99,7% Al2O3

3,5 3,4 3,3

3,3 66,64

99,96

66,64

133,28

99,96

133,28



3.21. ábra: Normál és nitrogén atmoszférában égetett darabok s r sége Hagyományos úton szinterelt darabok esetén, növelve a sajtolónyomást, láthatjuk,

hogy

a

92%

tisztaságú

alumínium-oxid

s r sége

nem

változik

nagymértékben. A 95% tisztaságú Al2O3-ot tekintve a sajtolónyomás növelésével ezen a h mérsékleten a s r ség csökken. A 99,7% tisztaságú por növekv

sajtolónyomás

mellett növekv s r séget ad. A nitrogén véd gázban zsengélt és égetett darabok tulajdonságai (tests r ség) hasonlóak a hagyományos módon égetett darabokéval. A 92% tisztaságú alumíniumoxid tests r sége a h kezelés után nem változott. A 95%-os alumínium-oxid tests r sége ellentétes módon változik a hagyományos módon el állított minták

70

tests r ségével szemben, azaz növekv sajtolónyomás mellett a s r ségi értékek is növekednek. A 92% tisztaságú alumínium-oxid már alacsony sajtolónyomás esetén is eléri az elvárt s r ségi értékeket (1.1. táblázat). Porozitást tekintve a nitrogén atmoszférában zsengélt darabok tulajdonságai kismértékben javultak. A nitrogén atmoszférában is zsengélt darabok hajlítószilárdsága jelent s mértékben javult, ezen a h mérsékleten (1360°C) a 92% tisztaságú alumínium-oxid hajlítószilárdsága a legmagasabb.

0,25

0,2 92% Al2O3

0,15

95% Al2O3 0,1

99,7% Al2O3

0,05



0,25

0,2 92% Al2O3

0,15

95% Al2O3 0,1

99,7% Al2O3

0,05

0

0

66,64

99,96

133,28

66,64


99,96

133,28


3.22. ábra: Normál és nitrogén atmoszférában égetett darabok porozitása

250

200 92% Al2O3

150

95% Al2O3 100

99,7% Al2O3

50 0



250

200 92% Al2O3

150

95% Al2O3 100

99,7% Al2O3

50 0

66,64

99,96 Sajtolónyomás, MPa

133,28

66,64

99,96

133,28


3.23. ábra: Normál és nitrogén atmoszférában égetett darabok hajlítószilárdsága A nitrogén atmoszférában zsengélt minták felületén kialakult karbonban gazdag réteg kiváló mechanikai tulajdonságot biztosít a terméknek. A 3.24. ábra ismerteti az els kísérletsorozatban készített minták átlagos tömegveszteségét az egyes alakadási módszerek esetében. Az átlagos tömegveszteséggel jellemezhetjük a minták kopási tulajdonságait. Összehasonlítva az egyes alakadási módszerek esetében kapott jellemz értékeket, megállapíthatjuk, hogy a nitrogén atmoszférában h kezelt minták ellenállóbbak, mint a hagyományos módon zsengélt és szinterelt minták.

71

Az a) esetben látható, hogy az optimális tulajdonságok elérése vagy nagyon alacsony sajtolónyomás alkalmazásával, vagy 141,7 MPa sajtolónyomás esetében érhet

el.

Izostatikus sajtolás esetén kedvez tulajdonságokat érhetünk el alacsony sajtolónyomás alkalmazása mellett is, amennyiben a mintákat nitrogén véd gázban h kezeljük. Egyoldali (felülr l sajtolt) sajtolás esetén vizsgáltuk az alsó- és fels bélyeggel terhelt felületet. A vizsgálat beigazolta, hogy az egyoldali sajtolónyomás hatására kialakult feszültségállapot a mechanikai tulajdonságokra is hat. Így a felülr l nyomott oldal

0,25 0,2 95%

0,15

99,70% 95% N2

0,1

99,7% N2

0,05 0 29,52

70,85

106,28

141,71

Átlagos tömegveszteség, g


esetében a kopási tulajdonságok kedvez bbek[85].

0,25 0,2 95%

0,15

99,70% 95%, N2

0,1

99,7% N2

0,05 0

177,14

500


1000


a) kétoldali sajtolás

b) izostatikus sajtolás


0,25 0,2 95%

0,15

99,70% 95% N2

0,1

99,7% N2

0,05 0 alsó szerszámfél

fels szerszámfél

kétoldali

Sajtolónyomás 141,7MPa

c) egyoldali és kétoldali sajtolás 3.24. ábra: Kopási tulajdonságok alakulása A keménységi és Vickers-lenyomatos törési szívóssági vizsgálatokhoz 95% és 99,7%tartalmú Al2O3 kerámiatárcsákat állítottunk el

izostatikus sajtolással, 1640°C-on

szinterelve[86]. A kész próbatestek felületét – polírozással – megfelel

módon

el készítve mértük az alumínium-oxid HVm keménységét. Tovább terhelve a rideg anyagok lenyomata körül félpenny típusú repedések keletkeztek, ezáltal meghatároztuk a Vickers-lenyomatos törési szívósság értékét[87,88,89]. A próbatesteken a HVm keménységmérést F = 9,8N és t = 10sec feltételek mellett végeztük. A 3.1 táblázat ismerteti az általunk mért mérési adatok átlagát, mint a Vickers-féle lenyomat átlagos átmér jét, dátlag, és a teljes repedés hosszát, 2cátlag.

72

A 3.25. ábra szemlélteti a két eltér

tisztaságú alumínium-oxid kerámián készített

Vickers lenyomat felvételeit más-más mélységélességgel.

a) 95% Al2O3

b) 99,7% Al2O3

3.25. ábra: Vickers lenyomatok (N = 900x) 3.1. táblázat: Mérési eredmények Sajtolónyomás Al2O3-tartalom HVm, GPa a, µm c, µm

50MPa

95% 15,44 17,75 25,89

100MPa

99,7% 13,09 18,33 29,95

95% 12,70 19,35 *

99,7% 12,70 19,35 *

*Ezek az adatok nem meghatározhatóak (N=900x nagyítás mellett)

A törési szívósság meghatározásához szükséges E Young modulusz értékét irodalmi adatok alapján 373GPa-nak vettük [72,90,91]. Kc érték meghatározására a 2. Mellékletben ismertett tapasztalati modelleket használtuk, melyek közül az Evans és Wilshaw összefüggés, illetve Evans és Charles összefüggés adott megfelel értéket. Az így kapott Kc értékeket foglalja össze a 3.2. táblázat.

Törési szívósség megharározása Evans és Wilshaw szerint: K c = 0,079( P / a 3 / 2 ) log(4,5a / c) ahol

(3.15)

0,6 ≤ c / a < 4,5

Törési szívósség megharározása Evans és Charles szerint: K c = 0,0824 P / c 3 / 2

(3.16)

3.2. táblázat: Vickers lenyomatos törési szívósság eredményei Egyenletek

Kc, MPa·m1/2

95% Al2O3

99,7% Al2O3

Evans és Wilshaw

5,29

4,70

Evans és Charles

6,67

5,67

73

3.4.

Eredmények összegzése

Az elvégzett tömörödési és reológiai vizsgálatok alapján sikerült feltárni az alumíniumoxid présporok reológiai tulajdonságainak változását a sajtolás folyamatában, elkészíteni

a

reológiai

modellt,

valamint

megtalálni

azt

a

reo-mechanikai

anyagegyenletet, amellyel leírható a préspor viselkedése a sajtoló-szerszámban a végsajtolás pillanatában. A kombinált reo- és tribométerrel elvégzett vizsgálatok alapján sikerült meghatároznunk a különböz összetétel alumínium-oxid atomizer porok küls súrlódási együtthatóját acélfelületen, valamint bels súrlódási együtthatóinak tartományát a nyomás, a csúszási illetve deformációs sebesség, valamint a szemcseméret-eloszlás függvényében. Ezzel párhuzamosan sikerült megalkotnunk a 92%-nál nagyobb tartalmú alumínium-oxid porok reológiai anyagmodelljét és annak reomechanikai anyagegyenletét. Az általunk kapott reológai anyagmodell, illetve anyagegyenlet alapján megállapítható, hogy a magas Al2O3-tartalmú sajtolóporok képlékeny-viszkorugalmas anyagként viselkednek, ahol az alakváltozások id ben gyorsan végbemennek, ezért ezek a porok alkalmasak a dinamikus, gyors sajtolásra. Az elvégzett vizsgálatok eredményeként sikerült bebizonyítani, hogy az alumíniumoxidból készült kerámia termékek tulajdonságait jelent s mértékben befolyásolja az alakadás során alkalmazott sajtolónyomás nagysága és hatásideje. Ugyanakkor a sajtolónyomással jelent s mértékben befolyásolható a porsajtolással készült kiégetett (szinterelt) alumínium-oxid termékek mikro- és makroszerkezete is. A sajtolónyomás értékeinek megfelel megválasztásával a 2. generációs kerámiák gyártásához használt a viszonylag nem nagy tisztaságú (92-99,7% Al2O3-tartalmú) sajtolóporokból is sikerült a 4. illetve az 5. generációs nagytisztaságú kerámia termékekre jellemz

mechanikai

szilárdságú, mikrokeménység és kopásállóságú oxidkerámia termékeket el állítani. Az általunk használt, megtalált sajtolási peremfeltételek mellett a 2. generációs alumíniumoxid nyersanyagokból lehet ség nyílik az 5. generációs Al2O3-ra jellemz

nagy

mechanikai szilárdságú, mikrokeménység és kopásállóságú kerámiákat el állítani. Bebizonyosodott, hogy a sajtolt termék min ségére valamint mechanikai tulajdonságára és makroszerkezetére legnagyobb hatással az alkalmazott sajtolónyomás bír.

74

4. Az égetési (szinterelési) atmoszféra hatása a magas Al2O3 kerámiák tulajdonságaira Acélok esetében jól ismert eljárás a termokémiai h kezelés, melynek célja az acélok felületi keménységének, kopásállóságának, ismétl d

igénybevétellel szembeni

ellenállásnak, valamint korrózióállóságának fokozása. Ezzel az eljárással az acél felületi rétegébe diffúzió útján ötvöz elemeket – karbon, nitrogén, szilícium, alumínium – juttatva, annak mechanikai és kémiai tulajdonságai módosíthatóak, javíthatóak. [92, 93,94] Szakirodalmi áttekintés alapján célul t ztük ki, hogy megvizsgáljuk a nitrogén véd gáz alkalmazási lehet ségeit alumínium-oxid kerámiák esetében is. Vajon a nitrogén atmoszférában történ h kezelés javítja-e a vizsgált kerámia mechanikai szilárdságát, növeli-e kopásállóságát. Kutatásunkhoz a 2. fejezetben ismertetett kísérleti sorozatok szerint készítettük el a próbatesteket, majd nitrogén, illetve normál atmoszférában zsengéltük, és kiégettük azokat. Ezt követ en vizsgáltuk az így elkészített próbák mikroszerkezetét, illetve mechanikai tulajdonságait.

4.1.

Szinterelési atmoszféra és a h mérséklet hatása a mikroszerkezetre

Az els kísérletsorozatban Kreutz SPG 95 és Alcoa CT 3000 SDP alumínium-oxid présporból kétoldali sajtolással készítettünk körgy r

alakú próbatesteket, melyek

összetételét a 2.1. táblázat ismerteti. A sajtolt próbatesteket szillitrudas h kezel kemencében nitrogén atmoszférában h kezeltük a 2.4. ábra szerint, ekkor 500°C-tól folyamatosan áramoltattuk a nitrogén gázt a kemencébe, egészen addig, míg a leh lési szakaszban a kemence h mérséklete ismét eléri az 500°C-ot. A 95% Al2O3-tartalmú sajtolóporok a sajtolás, préselés el segítéséhez 3%-ban szerves adalékanyagot tartalmaznak. A 99,7% alumínium-oxid sajtolópor 0-5% szerves adalékanyagot tartalmaz. (3. Melléklet) Az így el állított minták mikroszerkezeti vizsgálata pásztázó elektronmikroszkóppal, röntgendiffrakciós vizsgálattal, XPS technikával történt. A következ kben a 95% Al2O3-tartalmú kerámia vizsgálati eredményeit ismertetjük. A 99,7% tartalmú kerámia esetében kapott eredményeket a vonatkozó mellékletekben ismertetjük, mivel mindkét

75

esetben azonos eredményt értünk el. A sajtolóporok termoanalitikai vizsgálata során megállapítottuk, hogy a szerves adalékanyagok 240-250°C-on eltávoznak az alapanyagból. (3. Melléklet). A kiindulási sajtolóporok összetételét megvizsgáltuk EDX által, és a kapott eredmények szerint detektálható a szerves adalékanyag karbontartalma. (3. Melléklet) A nitrogén véd gázban zsengélt, majd normál atmoszférában kiégetett minták töretfelületét (4.1. ábra) vizsgáltuk, analizáltuk.

4.1. ábra: Nitrogén atmoszférában h kezelt próbatestek töretfelületének SEM felvétele (95%-os Al2O3, sajtolónyomás: 177,1 MPa, a sajtolónyomás max. hatóideje : 15 s)

A 4.1. ábrán megfigyelhet , hogy a minta küls

rétegében egy új, jellegében – a

hagyományos módon szinterelt Al2O3 kerámiától – eltér struktúra alakult ki. A 4.2. ábra a töretfelület átlagos összetételének spektrumát mutatja. A felvételen látható, hogy az alumínium és oxigén mellett, megjelent a karbon is.

4.2. ábra Nitrogén atmoszférában h kezelt próbatestek töretfelületének EDX felvétele

76

A 4.3. ábra 95% Al2O3 kerámia töretfelületének küls rétegét ismerteti M = 10000X nagyítás mellett. Megfigyelhet ek az alumínium-oxidra jellemz szögletes szemcsék, valamint az eddig figyelmen kívül hagyott apró szemcsék sokasága! Az apró szemcsék csupán 0,1-1 µm nagyságúak. Itt a próbatest közepében kialakult új fázis nyomait fedeztük fel.

4.3. ábra: Nitrogén véd gázban el égetett 95% Al2O3 töretfelületének felvétele a felszín közelében A 4.4. és 4.6. ábra a töretfelület spektrumait ismerteti. A 4.1. táblázat 95% Al2O3tartalmú kerámia összetételét tartalmazza a spektrum alapján számítva. Els esetben a kerámiát alkotó elemek összességét vettük figyelembe, majd csak az Al, O és C elemekre vizsgáltuk a spektrumot. Meg kell jegyezni, hogy a karbon itt csak nagyon kis mennyiségben detektálható, így annak %-os mennyisége csak tájékoztató jelleggel kezelhet . Ett l függetlenül a minta belsejében mért eredményeket összevethetjük a töretfelületén detektált elemek arányaival. Itt azt tapasztaltuk, hogy a karbon tartalom jelent sen csökkent (4.2. táblázat) a minta közepe felé haladva. A 4.5. ábra a minta bels részét mutatja, ahol már az új fázis csak kismértékben van jelen. Az EDX által a nitrogéntartalom meghatározására nem volt lehet ség, mert annak mennyisége a kimutathatósági határ alatt van.

77

4.4. ábra: N2 véd gázban el égetett 95% Al2O3 kerámia küls rétegének töretfelülete (EDX) 4.1. táblázat: A vizsgált kerámia összetétele a töretfelület szélén Elem O Mg Al Si Ca Összesen

Wt% 16,14 1,58 74,75 4,47 3,06 100

At% 24,73 1,59 67,91 3,9 1,87 100

Elemek C O Al Összesen

Wt% At% 14,14 24,69 16,11 21,11 69,75 54,2 100 100

4.5. ábra: N2 véd gázban el égetett 95% Al2O3 kerámia bels részének töretfelülete

78

4.6. ábra: N2 véd gázban el égetett 95% Al2O3 bels részének töretfelülete (EDX) 4.2. táblázat: A vizsgált kerámia összetétele a töretfelület bels részén Elem O Mg Al Si Ca Összesen

Wt% 19,25 1,89 73,1 3,38 2,38 100

At% 28,85 1,87 64,97 2,88 1,42 99,99

Elemek C O Al Összesen

Wt% At% 9,85 17,6 19,51 26,19 70,64 56,21 100 100

Az XPS vizsgálatok eredményeit a 4.7. és 4.8. ábra ismerteti. Az XPS (Kratos XSAM800 XPS/Auger spektrométer) vizsgálattal a minta felületének kémiai jellemz it vizsgáltuk. A vizsgálat eredményeit a 4.3. táblázatba foglaltuk össze.

4.3. táblázat: A vizsgált kerámia összetétele (XPS által) Elem O 1s N 1s C 1s Si 2p Al 2p Ca 2p

Wt% 28,44 0,61 47,57 2,17 20,16 1,05

At% 26,80 0,65 59,72 1,16 11,27 0,40

A 4.3. táblázat adatai szerint a vizsgált kerámia minta felületi karbon-tartalma jelent s, ugyanakkor a nitrogén tartalom igen csekély, ám kimutatható!

79

Az XPS által felvettük a minták felületi rétegeinek spektrumát. Az így készült spektrumok szerint nitrogén csak nyomokban található a felületi rétegekben, míg karbonban igen dús (4.9. ábra).

4.7. ábra: Vizsgált minta töretfelületének XPS spektruma

4.8. ábra: Vizsgált minta töretfelületének XPS spektruma elemek szerint

80

A röntgendiffrakciós vizsgálat alapján meghatároztuk a nitrogén véd gázban h kezelt kerámia szerkezetét. A 4.9. ábra ismerteti ennek eredményét. Látható, hogy az Al2O3 csúcsai mellet megjelent a karbon kristályos formában, valamint az Al4N3CO (ALONC) is. Az ALON legtöbb csúcsa ugyan illeszkednek a kapott diffraktogarmhoz, ám teljes mértékben nem igazolja annak jelenlétét. Vizsgálatink eredménye jelent s, ugyanis kimutattuk, hogy már viszonylag alacsony h mérsékleten, nitrogén gázban el égetve, a hagyományos „szennyezettség ” alumínium-oxid kerámiákban létrejön, kialakul az ALONC. Az els kísérletsorozat szerint – kétoldalú és izostatikus sajtolással készített- nitrogén véd gázban el égetett és szinterelt minták röntgendiffrakciós eredményeit a 3. Melléklet tartalmazza.

4.9. ábra: A vizsgált minta röntgendiffrakciós felvétele Tabary, Servant és Alary megfigyelései alátámasztják azt, hogy a karbon két formában van jelen. Egyszer, mint grafit, amely nem lép reakcióba olvadáskor, a másik az

Al-O-N-C négyalkotós rendszer. További kísérletsorozatainkban is megvizsgáltuk az kiégetett minták összetételét EDX által (3. Melléklet). A 4.10. ábrán a 99,7% Al2O3tartalmú kerámia felületét mutatjuk be. Az EDX vizsgálat eredménye alátámasztja,

81

hogy már 1250°C-on nitrogén atmoszférában h kezelve az alumínium-oxid kerámiát, a szervesanyag-tartalommal bevitt karbon nem távozik a rendszerb l. A 4.10. ábrán a kiégetett próbatest egyoldali sajtolást (sajtolónyomás: 100MPa) követ en látható, ebben az esetben a zsengélés során a túlterhelt felületen, a sajtoláskor bevitt feszültségek miatt repedés keletkezett. Jól láthatók a felvételen a repedés belsejében lév

gömbszer

alumínium-oxid szemcsék és az azokat körülvev

finomszemcsés fázis.

4.10. ábra: 99,7% tisztaságú Al2O3 próbatest felülete A 4.10. ábrán az 1-es pont jelzi azt a pontot, illetve „térfogatot”, ahol elvégeztük a kémiai összetétel elemzését. A 4.11. ábra ennek a pontnak az összetételét ismerteti. Látható, hogy az Al és O mellett megjelenik a C, Na, Mg, Si, Cl, K, Ca és Fe. Számunkra a C megjelenése igen fontos.

4.11. ábra: 99,7% tisztaságú Al2O3 EDX felvétele Az eddigiekben bemutattuk a nitrogén véd gáz hatását a mikroszerkezetre, de nem ismertettük annak hatását a tests r ségre, illetve látszólagos porozitásra. A 4.12. ábra és

82

a 4.13. ábra ismerteti ezen tulajdonságok változását is. Átlagos összetétel alumíniumoxid elméleti tests r sége 3,4 – 3,94g/cm3 közötti értéket éri el (ld 1.1. táblázat). Els kísérletsorozatunk által alkalmazott feltételek mellett 95% Al2O3-tartalom esetében elértük, illetve meghaladtuk az elméleti tests r ség értékeit, 99,7% Al2O3-tartalom esetén ezt túlléptük[75,95,96,97,98]. Mérve a kétoldali sajtolással készült próbatestek s r ségét, láthatjuk, hogy azok értéke jelent s, extrém mértékben növekedett. 5

Tests r ség, g/cm3

4,5 4 3,5 95% Al2O3 N2

3

99,7% Al2O3 N2 95% Al2O3

2,5

99,7% Al2O3

2 29,52

70,85

106,28

141,71

177,14


4.12. ábra: Leveg n és nitrogén véd gázban zsengélt (el égetett) magas Al2O3 tartalmú kerámiák tests r sége a sajtolónyomás függvényében (Kétoldali sajtolás esetén a sajtolónyomás maximális hatásideje 3 s)


0,35 0,3 0,25 95% Al2O3 N2

0,2

99,7% Al2O3 N2

0,15

95% Al2O3 99,7% Al2O3

0,1 0,05 0 29,52

70,85

106,28

141,71

177,14


4.13. ábra: Leveg n és nitrogén véd gázban zsengélt (el égetett) magas Al2O3 tartalmú kerámiák nyílt porozitása a sajtolónyomás függvényében (Kétoldali sajtolás esetén a sajtolónyomás maximális hatásideje 3 s)

83

4.2.

A szinterelési h mérséklet és a sajtoló nyomás együttes hatása a sajtolt

alumínium-oxid kerámiák tulajdonságaira Különböz tisztaságú alumínium-oxid kerámiák alakadási és szinterelési tulajdonságait vizsgáltuk a harmadik kísérletsorozatban. A vizsgálathoz 92, 95 és 99,7% Al2O3tartalmú sajtolóport alkalmaztunk (2.5. táblázat). A 92% alumínium-oxid tartalmú m szaki kerámiák esetében a 4.14. ábra ismerteti a kapott összefüggéseket arra, hogyan befolyásolja a sajtolónyomás, a vizsgált h mérséklet és atmoszféra a tests r séget és hajlítószilárdságot. Alacsony sajtolónyomás mellett 1640°C-on égetve a próbákat a 99,7%-os Al2O3-nak a s r ségi értékeit érhetjük el. Ugyanakkor a sajtolónyomást tovább növelve fokozatosan csökken a darab tests r sége. 1550°C fölött égetve és a sajtolónyomást növelve, a nitrogén véd gázban zsengélt darab tests r sége nem változik, azaz 92% Al2O3 esetében a megfelel tests r ség eléréshez elegend

1550°C-on szinterelni a terméket. Ezt támasztja alá a hajlítószilárdsági

vizsgálatok eredménye, miszerint a sajtolónyomás növelésével, nitrogén atmoszférában zsengélve és 1550°C-on szinterelve a maximális hajlítószilárdsági értékeket éri el a termék. Az 1.1 táblázat szerint 92% Al2O3 tartalom esetén a hajlítószilárdság kb. 250MPa. Ezt az értéket, mind hagyományos módon szinterelt, mind nitrogén atmoszférában zsengélt és szinterelt minták esetében elértük (már 1460°C-nál), illetve

4,00

1460

3,90

1460 - N2

3,80

1550 - N2

3,70

1640

3,60

1640 - N2

3,50 66,64

99,96

133,28



Tests r ség, g/cm3

túlléptük.

400

1460

300

1460 - N2

200

1550 - N2

100

1640 1640 - N2

0 66,64

99,96

133,28


4.14. ábra: A sajtolónyomás hatása a normál és nitrogén véd gázban égetett darabok s r ségére és hajlítószilárdságára A 95% tisztaságú alumínium-oxid esetében a 4.15. ábrán jól látható, hogy a darabok s r sége már 1550°C-on (nitrogén gázban zsengélt) eléri az optimális s r ségi értékeket, ami az 1640°C-os égetés után sem változik. Megfigyelhetjük, hogy a hajlítószilárdsági értékek a sajtolónyomás növelésével is növelhet k, illetve 100MPa 84

sajtolónyomás mellett elegend 1550°C-on szinterelni az optimális szilárdsági értékek

4,00

1460

3,90

1460 - N2

3,80

1550 - N2

3,70

1640

3,60

1640 - N2

3,50 66,64

99,96

133,28


Tests r ség, g/cm3

eléréséhez.

400

1460

300

1460 -N2

200

1550 - N2

100

1640 1640 - N2

0 66,64

99,96

133,28



4.15. ábra: A sajtolónyomás hatása a normál és nitrogén véd gázban égetett darabok s r ségére és hajlítószilárdságára A 4.16. ábra szerint a 99,7% tisztaságú alumínium-oxid s r sége az alkalmazott h kezelési eljárásokkal sem biztosítja a 3,92 g/cm3 s r ségi értéket. Hajlítószilárdsága

4,00

1460

3,90

1460 - N2

3,80

1550 - N2

3,70

1640

3,60

1640 - N2

3,50 66,64

99,96

133,28

Sajtolónyomáss, MPa


Tests r ség, g/ cm3

azonban fokozható megfelel sajtolónyomás mellett.

400

1460

300

1460 - N2

200

1550 - N2

100

1640 1640 - N2

0 66,64

99,96

133,28


4.16. ábra: A sajtolónyomás hatása a normál és nitrogén véd gázban égetett darabok s r ségére és hajlítószilárdságára Az alakadás (sajtolónyomás) hatását vizsgáltuk 1640°C-on szinterelt darabok esetében, amikor a minták a már említett alapanyagokból készültek. A normál módon égetett darabok s r sége a sajtolónyomás növelésével csökkent, ugyanakkor a nitrogén gázban zsengélt daraboké kismértékben növekedett (4.17. ábra). A porozitási értékek a nitrogén gázban történ

zsengélést követ en nagymértékben csökkentek (4.18. ábra).

Hasonlóképpen alakultak a hajlítószilárdsági értékek (4.19. ábra) is a nitrogén véd gázban zsengélt darabok esetén, azaz a sajtolónyomást növelve a szilárdsági értékek javulnak[12].

85

4 3,9

3,8 92% Al2O3

3,7

95% Al2O3

3,6

99,7% Al2O3

3,5 3,4

Tests r ség, g/cm3

Tests r ség, g/cm3

4 3,9

3,3

3,8

92% Al2O3 95% Al2O3

3,7

99,7% Al2O3

3,6 3,5 3,4

66,64

99,96

133,28

66,64


99,96

133,28


4.17. ábra: A sajtolónyomás hatása a normál és nitrogén véd gázban égetett darabok tests r ségére

0,25

0,2 92% Al2O3

0,15

95% Al2O3 0,1

99,7% Al2O3

0,05



0,25

0,2 92% Al2O3

0,15

95% Al2O3 0,1

99,7% Al2O3

0,05

0

0 66,64

99,96

133,28

66,64


99,96

133,28


4.18. ábra: A sajtolónyomás hatása a normál és nitrogén véd gázban égetett darabok

400

400

350

350

300 250

92% Al2O3

200

95% Al2O3

150

99,7% Al2O3

100 50



látszólagos porozitására

300 250

92% Al2O3

200

95% Al2O3

150

99,7% Al2O3

100 50 0

0 66,64

99,96

133,28

66,64

99,96

133,28



4.19. ábra: A sajtolónyomás hatása a normál és nitrogén véd gázban égetett darabok hajlítószilárdságára A vizsgálatsorozatok alkalmával néhány, a sajtolás során kialakult hibát figyeltünk meg. Ilyenek például a nagy pórusok, a szemcsedurvulás végett abnormálisan nagy szemcsék, vagy a lágy és kemény agglomerátumok körüli nagy repedések. A 4.20. ábra szemlélteti ezeket.

86

4.20. ábra: sajtolási hibák a mikroszerkezetben Felülr l sajtolt alumínium oxid töretfelülete SEM-mel (95%-os alumínium-oxid, sajtolónyomás 141,7MPa, max. rátartási id : 3s)

4.3.

Egy- és kétoldali sajtolással készült alumínium oxid próba töretfelülete (99,7%-os alumínium-oxid, sajtolónyomás 35,5MPa, max. rátartási id : 12s)

Összegzés Az

elvégzett

vizsgálatok

egyértelm en

bizonyítják,

hogy

az

Al2O3

szinterelésekor a nitrogén véd gáz hasonlóan pozitív hatást fejt ki a kerámia termékek anyagszerkezetére és mechanikai tulajdonságaira, mint ahogyan ez megfigyelhet az acélötvözetek nitridálásakor, illetve karbonitridálása során. SEM felvételekkel bizonyítottuk, hogy a szinterelt test felületének közelében az anyagszerkezetben nagy mennyiségben jönnek létre és oszlanak el tizedmikronos nagyságú szemcsék, amelyek jelenlétének köszönhet en jelent sen n

az anyagrendszer víz és gáztömörsége és

mechanikai szilárdsága. Az

elvégzett

vizsgálatok

alapján

kijelenthet ,

hogy

a

megfelel

gyártástechnológia alkalmazásával (sajtolónyomás, szinterelési atmoszféra, szinterelési h mérséklet) a hagyományos „szennyezettség ” 92 – 99,7% Al2O3-tartalmú alapanyagokból el állíthatók olyan kiváló tulajdonságú termékek, amilyeneket eddig csak a 4. és 5. generációjú nagytisztaságú Al2O3-ból gyártottak.

87

Összefoglalás Az értekezés az alakítandó préspor reológiai jellemz i mellett a tömörít feszültség és szinterelési atmoszféra hatását vizsgálta a gyártott termék mikro- és makroszerkezetére, valamint fizikai, mechanikai tulajdonságaira. A célkit zésekben megfogalmazott hatások megértéséhez és befolyásolásához ismerni kell az alumínium-oxid kerámiák tulajdonságait, e tulajdonságok kialakítási lehet ségeit; melynek eddig elért eredményeit igyekeztünk feltárni és összefoglalni az átfogó irodalomkutatás során. Az irodalomkutatással párhuzamosan, elméleti és gyakorlati összefüggéseket kerestünk a sajtolónyomás, a szinterelési atmoszféra és a késztermék s r sége, illetve hajlítószilárdsága között. Kísérleteinket hagyományos módon, illetve ún. kísérlettervezés módszerével végeztük. A matematikai statisztikai alapokra épül

kísérlettervezést esetünkben teljes faktoriális és másodfokú rotációs

kísérlettervekkel valósítottuk meg, amelyek célzottan a sajtolási tulajdonságokra és a szinterelés

hatásainak

feltárására

irányultak.

A

kísérlettervek

végrehajtásával

meghatároztuk az egyes faktorok (sajtolónyomás, maximális sajtolónyomás hatásideje, szinterelés h mérséklete, adalékanyag mennyisége, tölt tömeg) és a vizsgált tulajdonságok közötti összefüggéseket. A

klasszikus

portechnológiával

készült

alumínium-oxid

m szaki

kerámiák

tulajdonságait nagymértékben befolyásolják az alábbi paraméterek (faktorok):

•

a porok összetétele (szemcseszerkezet, szemcseméret-eloszlás, oxidos összetétel),

•

az alakadási technológia (egy-, kétoldali sajtolás és izostatikus préselés), ahol az alkalmazott sajtolónyomás (MPa), a maximális sajtolónyomás hatásideje (s), az adalékanyag mennyiségének aránya (%),

•

az égetés módja, ahol meghatározó a h ntartási id , égetés h mérséklete, a kemence atmoszférája. Kísérleteink többségét a Miskolci Egyetem Kerámia- és Szilikátmérnöki

Tanszék Portechnológiai, illetve Szilikáttechnológiai laboratóriumaiban végeztük. Vizsgálatainkhoz a kereskedelemben is kapható magas alumínium-oxid tartalmú présporokat (2.1. táblázat), továbbá a Bakony Ipari Kerámia Kft. által gyártott 96% tisztaságú alumínium-oxid présport alkalmaztunk. A doktoranduszi tevékenység során alakadási technológiák jellemzésére egy-, kétoldali sajtolással, illetve izostatikus préseléssel készítettünk gy r -, tárcsa és hasáb alakú próbatesteket. A vizsgálati

88

mintákat 1640°C-on szintereltük a Mikeron Kft Nabel HT128 típusú kemencéjében. Összehasonlítás céljából megvizsgáltuk az egyes présporból készült darabok égetési tulajdonságait alacsonyabb h mérsékleten (1460°C, 1550°C) égetve is. A vizsgált minták egyrészét nitrogén atmoszférában el égettük (zsengéltük) 1250-1420°C h mérsékleti tartományban, más-más h ntartási id próbatesteket 1640°C-on történ

mellett. Majd az így zsengélt

szinterelésnek is alávetettük. Kísérleteink során

vizsgáltuk a 92%-nál nagyobb Al2O3-tartalmú présporok tömörödési és reológiai tulajdonságait, melynek alapján sikerült feltárni az Al2O3 sajtolóporok reológiai tulajdonságainak változását a sajtolás folyamatában. A kombinált reo- és tribométerrel végzett vizsgálatok alapján meghatároztuk az eltér

tisztaságú és szemcseméret-

eloszlású Al2O3 porok bels súrlódási együtthatójának tartományát a nyomás, valamint a csúszási és deformációs sebesség függvényében. Sikerült megalkotnunk a 92%-nál

nagyobb tartalmú alumínium-oxid porok reológiai anyagmodelljét és annak anyagegyenletét. Megállapítottuk, hogy a kapott modell szerint a magas Al2O3-tartalmú sajtolópor képlékeny-viszkorugalmas anyagként viselkedik, ahol az alakváltozások id ben gyorsan végbemennek, ezért a porok alkalmasak a gyors, dinamikus sajtolásra. Vizsgáltuk és meghatároztuk a termék mikro- és makroszerkezetének, valamint mechanikai tulajdonságai szempontjából optimális – vagy közel optimális sajtolónyomás értékeket, így egyoldali sajtolás esetében 50MPa, kétoldali sajtolás

esetében 100-130MPa, izostatikus sajtolás esetében 50MPa sajtolónyomás szükséges. Megállapítottuk, hogy az alakadáskor használt sajtolónyomással befolyásolhatók a kiégetett oxidkerámiák mechanikai tulajdonságai, a megfelel

alakadási feltételek

mellett a nemcsak megközelíthet k, de el is érhet k a 4 - 5. generációs nagytisztaságú alumínium-oxid

termékekre

jellemz

szilárdsági

értékek.

Megvizsgáltuk

és

bizonyítottuk, hogy az alumínium-oxid zsengélésekor alkalmazott nitrogén véd gáz és az azt követ szinterelés hatására a kerámia termékek anyagszerkezetében új fázist –

AlONC és grafit - sikerült már alacsony h mérsékleten kialakítani, és ennek hatására javítani az alumínium-oxid kerámiák mechanikai tulajdonságait. Megvizsgáltuk és feltártuk, hogy a megfelel

gyártástechnológia kialakításával – kétoldali sajtolással

100-130MPa sajtolónyomást alkalmazva, 1360°C-on nitrogén véd gázban el égetve, majd 1550°C-on szinterelve - a hagyományos tisztaságú, „szennyezettség ” 92-99,7% Al2O3-tartalmú alapanyagokból el állíthatók olyan kiváló mechanikai tulajdonságú termékek, mint amilyeneket a 4 - 5. generációs nagytisztaságú Al2O3-ból gyártanak. Az elvégzett kísérletek új, tudományos eredményeit 4 tézispontban foglaltuk össze. 89

Summary This doctoral thesis describes the compression pressure and the sintering atmosphere’s influence to the produced good’s micro-, and macrostructure as well as the physical and mechanical properties besides the rheological characteristics of forming powder. To understand the effect defined by the objects and to gain the required knowledge to control them, alumina’s properties and the methods altering its characteristics should be well-known; which’s currently achieved result we tried to explore and summarize during the overall literature research. Simultaneously we were in search of theoretical and practical relation among pressure, sintering atmosphere, bulk density and the bending strength of the fired product, as well. We carried out our experiments in the conventionaé way and the use of DoE (Design of Experiment). The DoE on the basis of mathematical statistics was realized with the use of full-factorial and quadratic rotation planning of experiments, which were intentionally intended to determine the effect of sintering and pressing characteristics. Executing DoEs we determined the individual factors (i.e. pressure, maximal effective time under pressure, sintering temperature, quantities of additives, and the filled mass), and the relations among the examined features, as well. Properties of technical alumina ceramics made by classical powder technology are influenced by the following parameters (factors) in a great extent:

•

Powder compound (structure, grain-size distribution, oxide ratio),

•

Forming technology (uniaxial and isostatical pressing), where the applied pressure (MPa), and the maximal effective time of pressure (s) and the ratio of additives (%),

•

Firing method, in which the holding time for the holding temperature, the firing temperature and the oven atmosphere are significant. Most of our experiments have been carried out in the Powder and Silicate

Technology laboratories at the University of Miskolc’s Department of Ceramics and Silicates Engineering. For our experiments we used commercial alumina powders with high Al2O3-contents (Table 2.1.), furthermore alumina powder with 96% purity degree produced by Bakony Ipari Kerámia Kft. (Bakony Technical Ceramics Ltd.). During the PhD activities we have manufactured ring, disc and cuboid samples with uniaxial and isostatic pressing to characterize forming technologies. We sintered the samples at 90

1640ºC in the Nabel HT128 type oven of Mikeon Kft. For the purpose of a comparison we examined the individual pressing powders’ firing characteristics sintered at lower temperatures (1460°C, 1550°C). Some of the samples were pre-fired in nitrogen atmosphere (so called “biscuit” firing) at the 1250°C-1420°C temperature range with different holding time. Then these pre-fired samples were sintered at 1640°C. During experiments we analyzed the compression and rheological properties of powders which have Al2O3 content over 92%, in which we succeeded to explore the alteration of rheological characteristics of Al2O3 pressing powders during the pressing process. By the use of Combined Rheo-, and Tribometer we determined the range of internal friction coefficient in the function of pressure, sliding-, and deforming velocity for the different purity levels and grain-sizes of alumina powders. We have succeeded to build-up the rheological material model and its equation

for the alumina powders having purity level of 92% or above. We have also established that according to the gained model the powders with high alumina content are featuring as plastic-viscoelastic material, where deformations are quick in time and so these powders are appropriate for fast and dynamic forming. We have analyzed and determined the optimal – or nearly optimal – forming pressure values with respect of micro-, and macrostructure of the product as well as its mechanical characteristics. Thus

50MPa is required for one-sided and isostatic pressing while 100-130MPa needed for two-sided pressing. We have observed that mechanical properties of fired alumina can be affected by the applied forming pressure. The typical mechanical strength values of the 4th and 5th generation high-purity alumina products can be not only approached but reached with the adequate forming conditions. We have proved the formation of a new phase – AlONC and graphite – in the alumina structure as a consequence of applied nitrogen inner-gas during pre-firing and the sintering. With the presence of this phase alumina’s mechanical properties can be improved. We have analyzed and proved that products with such perfect mechanical characteristics as 4th and 5th generation highpurity Al2O3 materials has can be produced from alumina with conventional purity level at around 92-99,7% by implementing the appropriate manufacturing process: two-sided

pressing at 100-130MPa, pre-firing at 1360°C with nitrogen inner-gas and then sintering at 1550°C. We have summarized the new, scientific results of our experiment in 4 theses.

91

Tudományos eredmények, az értekezés tézisei

1.

A kombinált reo- és tribométerrel elvégzett vizsgálatok alapján sikerült meghatároznunk a különböz küls

súrlódási

összetétel

együtthatóját

alumínium-oxid atomizer porok

acélfelületen,

valamint

bels

súrlódási

együtthatóinak tartományát a nyomás, a csúszási illetve deformációs sebesség, valamint a szemcseméret-eloszlás függvényében. Ezzel párhuzamosan sikerült megalkotnunk a 92%-nál nagyobb tartalmú alumínium-oxid porok reológiai anyagmodelljét és annak reomechanikai anyagegyenletét. Az általunk kapott

reológai anyagmodell, illetve anyagegyenlet alapján megállapítható, hogy a magas Al2O3-tartalmú sajtolóporok képlékeny-viszkorugalmas anyagként viselkednek, ahol az alakváltozások id ben gyorsan végbemennek, ezért ezek a porok alkalmasak a dinamikus, gyors sajtolásra. 2.

Az elvégzett vizsgálatok eredményeként sikerült bebizonyítani, hogy az alumínium-oxidból

készült

kerámia

termékek

tulajdonságait

jelent s

mértékben befolyásolja az alakadás során alkalmazott sajtolónyomás nagysága és

hatásideje.

Ugyanakkor

a

sajtolónyomással

jelent s

mértékben

befolyásolható a porsajtolással készült kiégetett (szinterelt) alumínium-oxid termékek mikro- és makroszerkezete is. A sajtolónyomás értékeinek megfelel megválasztásával a 2. generációs kerámiák gyártásához használt a viszonylag nem nagy tisztaságú (92-99,7% Al2O3-tartalmú) sajtolóporokból is sikerült a 4. illetve az 5. generációs nagytisztaságú kerámia termékekre jellemz mechanikai szilárdságú, mikrokeménység termékeket

el állítani.

Az

általunk

és kopásállóságú oxidkerámia használt,

megtalált

sajtolási

peremfeltételek mellett a 2. generációs alumínium-oxid nyersanyagokból lehet ség nyílik az 5. generációs Al2O3-ra jellemz

nagy mechanikai

szilárdságú, mikrokeménység és kopásállóságú kerámiákat el állítani. 3.

Az elvégzett vizsgálatok egyértelm en bizonyítják, hogy az Al2O3 szinterelésekor a nitrogén véd gáz hasonlóan pozitív hatást fejt ki a kerámia termékek anyagszerkezetére és mechanikai tulajdonságaira, mint ahogyan ez megfigyelhet az acélötvözetek nitridálásakor, illetve karbonitridálása során. SEM felvételekkel bizonyítottuk, hogy a szinterelt test felületének közelében

92

az anyagszerkezetben nagy mennyiségben jönnek létre és oszlanak el tizedmikronos nagyságú szemcsék, amelyek jelenlétének köszönhet en jelent sen n

az anyagrendszer víz és gáztömörsége és mechanikai

szilárdsága. 4.

Az

elvégzett

vizsgálatok

alapján

kijelenthet ,

hogy

a

megfelel

gyártástechnológia alkalmazásával (sajtolónyomás, szinterelési atmoszféra, szinterelési h mérséklet) a hagyományos „szennyezettség ” 92 – 99,7% Al2O3-tartalmú alapanyagokból el állíthatók olyan kiváló tulajdonságú

termékek, amilyeneket eddig csak a 4. és 5. generációjú nagytisztaságú Al2O3ból gyártottak.

93

Köszönetnyilvánítás Ezúton szeretném megköszönni mindazok támogatását, segítségét, akik doktori értekezésem elkészítésében, valamint tudományos tevékenységem egyengetésében tevékenyen részt vettek. •

Témavezet mnek, Dr. Gömze A. Lászlónak; valamint a Kerámia- és Szilikátmérnöki Tanszék valamennyi régi és új munkatársainak.

•

Mikeron Kft vezet inek, Werner Tamásnak és Engyel Ferencnek, akik biztosították vizsgálatainkhoz a különböz tisztaságú sajtolóporokat, és lehet vé tették, hogy a vizsgálathoz szükséges próbatesteket elkészítsem.

•

Kerox-Multipolár II Kft tudományos f mérnökének, Dr György Józsefnek, aki segítséget nyújtott vizsgálataimhoz és számos jó tanáccsal látott el.

•

Bakony Ipari Kerámia Kft vezet ségének és mérnökének, Stefán Attilának, hogy támogatták kutatásainkat, biztosították számunkra a különböz

szemcseméret-

eloszlású, eltér adalékanyag-tartalmú sajtolóporokat, valamint lehet vé tették, hogy számos próbatestet készíthessek diplomatervez hallgatókkal. •

Kovács Árpádnak, a rengeteg SEM felvételért.

•

Mádai Viktornak és Sólyom Jen tanár úrnak, hogy a röntgendiffrakciós vizsgálatokat számomra elvégezték.

•

Dr Szépvölgyi Jánosnak, és munkatársainak, hogy lehet vé tették az XPS használatát.

•

Dr Arató Péternek és Kövér Zsuzsának, hogy a hajlítóvizsgálatot elvégezhettem.

•

Dr Dúl Jen nének, a mikrokeménységmér berendezés használatáért.

•

A m helyvitára készített dolgozat és tézisfüzet bírálójának, Dr Németh Jánosnak, valamint a m helyvita résztvev inek, akik értékes hozzászólásaikkal és tanácsaikkal segítettek a dolgozat végleges kialakításában.

Miskolc, 2007.április 20. Tamásné Csányi Judit

94

Irodalomjegyzék [1]

Lan Yu, Guo Lu-Cun, Yao Zhang, Uchida Nozomu, Uematsu Keiuo, Binner Jon: Influence of adsorption on the rheological behaviour of aqueous alumina slurry with polyelectrolyte, European Ceramic Society N°6, Brighton, ROYAUME-UNI (20/01/1999) 20001984, n°61, pp. 75-81;

[2]

Deyu Kong, Hui Yang, Su Wei, Zheng Jianjun, Jiabang Wang: Hydrolysis-assisted solidification of alumina slurry dispersed in silica sol without de-airing process, Materials Science and Engineering: A, Vol. 426, Issues 1-2. 25.06.2006. pp.36-42.,

[3]

Kim J.C., Auh K. H., Schilling C.H.: Effects of polysaccharides on the rheology of alumina slurries –non-DLVO forces and their effect on colloidal processing, Journal of the European Ceramic Society, Vol. 20, Num 3. 03. 2000, pp. 259-266.,

[4]

Beyong-hwan Ryu, Suguru Suzuki: Viscosity of nonaqueous and aqueous slurry for tape casting, Journal of Rheology, Vol. 38 Issue 3 p. 756.,

[5]

Mamata Prahan, Parag Bhargava: Influence of Sucrose Addition on Rheology of Alumina Slurries Dispersed with a Polyacrylate Dispersant, Journal of the American Ceramic Society, Vol. 88 Isue 4 2005 p. 833.

[6]

Gömze, A. L., Eller, E.A., Szilenok, Sz.G.:Azbesztcement masszák extrudálhatóságának reológiai alapjai, Épít anyag, XXXVI. Évf. 1982. 1. szám pp.17-22,

[7]

Gömze, A. L., Eller, E.A.: Extrudálható azbesztcement masszák reológiai vizsgálata, Épít anyag, XXXV. évf. 1983.1.szám pp. 28-34,

[8]

Gömze, A. L.: Csigasajtóval el állított azbesztcement-termékek préselés utáni feszültség-állapotának matematikai elemzése, Épít anyag, XXXV. évf. 1983. 5.szám pp.173-176

[9]

Anze Shui, Zenji Kato, Satoshi Tanaka, Nozomu Uchida, Keizo Uematshu: Development of anisotropic microstructure in uniaxially pressed alumina compacts, Journal of the European Ceramic Society 22 (2002) pp.1217-1223,

[10]

Anze Shui, Nozomu Uchida, Keizo Uematshu: Origin of shrinkage anisotropy during sintering for uniaxially pressed alumina compacts, Powder Technology 127 (2002) pp. 9-18,

[11]

Csányi, J., Gömze, A. L.: A technológiai paraméterek hatása az Al2O3 oxidkerámiák makrostruktúrájára, valamint a kopásállóságára, Épít anyag, 53. évf. 2001. 3. szám

[12]

Csányi, J., Gömze, A. L., Kövér, Zs. I.: Néhány nagytisztaságú Al2O3 m szaki kerámia hajlítószilárdsági vizsgálata, Épít anyag, 56. évf. 2004. 3. szám pp.101-107

[13]

Anze Shui, Zenji Kato, Satoshi Tanaka, Nozomu Uchida, Keizo Uematsu: Sintering deformation caused by particle orientation in uniaxially and isostatically pressed alumina compacts, Journal of the European Ceramic Society 22 (2002) pp. 311-316,

[14]

I.Yu. Prokhorov: Arch Effect in High Isotatic Pressure Compacts, Journal of the European Ceramic Society 19 (1999) pp. 2619-2623,

95

[15]

K.N. Ramakrishnan, R. Nagarajan, G. V. RamaRao, S. Venkadesan: A compaction study on ceramic powders, Materials Letters 33 (1997) pp.191-194,

[16]

Péter Gyula: Kerámiaipari gépek 2., Átdolgozott és b vített kiadás, Budapest, M szaki Könyvkiadó, 1986.

[17]

Dr. Tamás Ferenc: Szilikátipari Kézikönyv, Budapest M szaki Könyvkiadó, 1982.

[18]

Dr Berecz Endre: Kémia m szakiaknak; Budapest Nemzeti Tankönyvkiadó, 1991.

[19]

Somiya, Shiegeyuki: Materials Science Handbook of Advanced Ceramics Vol. 1., Amsterdam, Elsever 2003

[20]

Walter H. Gitzen: Alumina as a ceramic material, The American Ceramic Society, Ohio 1970.

[21]

Dr. Bárczy Pál: Anyagszerkezettan, Miskolci Egyetem, 1998

[22]

F. Filser & L.J. Gauckler: Keramische Werkstoffe, Kapitel 4: 4 Beispiele für strukturkeramische Werkstoffe, ETH-Zürich, Departement Materials, 2006.

[23]

W.D. Kingery, H.K. Bowen, D.R. Uhlmann: Introduction to Ceramics, John Wiley & Sons, New York, 1976.

[24]

http://www.keramverband.de/brevier/eigenschaften/oxide.html

[25]

Dr Gömze A. László: Kerámia- és Kompozit technológia el adás kézirata, Miskolc 2000/2001

[26]

Grofcsik János: A kerámia elmélet alapjai, Budapest Akadémia Kiadó, 1956.

[27]

G.L. Messing, J.W. McCauley, K.S.Mazdiyasni, R.A. Haber: Advances in Ceramic, Vol. 21: Ceramic Powder Science, The American Ceramic Society, Inc. 1987.

[28]

J.S. Reed: Introcudtion of principles of ceramic processing, John Wiley & Sons Inc. 1988.

[29]

R. D. Carneim, G.. L. Messing: Response of granular powders to uniaxial loading and unloading, Powder Technology 115 (2001) pp. 131-138

[30]

A. Piccolroaz, d. Bigoni, A. Gajo: An elastoplastic framework for granular materials becoming cohesive through mechanical densification. Part I – small strain formulation, European Journal of Mechanics A/Solids 25 (2006) pp. 334-357

[31]

G. Bruni, P. Lettieri, D. Newton, D. Barletta: An investigation of the effect of the interparticle forces ont he fluidization behaviour of fine powders linked with rheological studies, Chemical Engineering Science 62 (2007) pp. 387-396

[32]

Gömze, A. L.: Agyagásványok aprítására használt sima hengerek méretezésének néhány specifikus problémája, Épít anyag, XXXII. évf. 11. szám 1980.

[33]

Gömze, A. L.: Az aprítási elmélet néhány aktuális kérdése – képlékeny viszkoelasztikus anyagok aprítása görg járaton, Épít anyag, LV. évf. 3. szám 2003.

96

[34]

Gömze, A. L., Kovács, Á.: Aszfaltkeverékek reológiai tulajdonságainak vizsgálata, Épít anyag 57. évf. 2. szám 2005.

[35]

Vígh Sándor: M szaki mechanika II/B, MEDFK Kiadói Hivatala, Dunaújváros 1996

[36]

Mózes Gyula, Vámos Endre: Reológia és reometria; Budapest M szaki Könyvkiadó, 1968.

[37]

Palotás László: Általános Anyagismeret, Akadémiai Kiadó, Budapest 1979

[38]

Zsivánovits Gábor: Pektinfilm reológiai tulajdonságai, Doktori Értekezés, Budapesti Corvinus Egyetem, Budapest, 2007.

[39]

R.L.K. Matsumoto: ASM International Handbook Comitee – Vol. 4: Ceramics and Glassis, Chapter: Powder Compaction processes, Materials Park, Ohio, USA, 1991

[40]

R. L. K. Matsumoto: ASM International Handbook Comitee – vol. 4. Ceramics and glasses, Chapter: Nontraditional densification process, Materials Park, Ohio, USA, 1991

[41]

A. P. Illjevits: Mashini i oborudovanie dlya zavodov no nroizvodstvu keramiki i ogneuporob, Moskow, 1979

[42]

Dr. Roósz András: Átalakulás elmélet I-II. el adás kézirata, Miskolc 1999/2000.

[43]

Dr. Gácsi Zoltán: Fémtan, Budapest, M szaki Könyvkiadó 2000

[44]

Ver József: Fémtan, Budapest, Tankönyvkiadó 1967.

[45]

R.L.K. Matsumoto: ASM International Handbook Comitee – Vol. 4: Ceramics and Glassis, Chapter: Densification, Materials Park, Ohio, USA, 1991

[46]

T. Okasa, M. Toriyama, S. Kanzaki: Synthesis of aluminium nitride sintered bodies using the direct nitridation of Al compacts, Journal of European Ceramic Society, Vol. 20, 2000. pp.783-787

[47]

Y.W. Kim, H.C. Park, Y.B. Lee, K.D. Oh, R. Stevens: Reaction sintering and microstructural development in the system Al2O3-AlN, Journal of European Ceramic Society, Vol. 21, 2001. pp.2383-2391

[48]

Cao, L.H., Khor, K.A., Fu, L., Boey, F.: Plasma spray processing of Al2O3/AlN composite powders, Journal of European Ceramic Society, Vol. 89-90, 1999. pp.392398

[49]

A. M. Alper: Phase Diagrams in Advanced Ceramics. Academic Press, Inc., London, 1995. pp.15-83.

[50]

Hongyu, G., Yansheng, Y., Aiju, L., Yingcai, L., Yuhua, Z., Chunsheng, L.: Reaction sintering babrication of (AlN, TiN)-Al2O3 composite, Materials Research Bulletin, Vol. 37, 2002. pp.1603-1611

[51]

P. Tabary, C. Servant, J:A: Alary: Effects of a low amount of C ont he phase transformations int he AlN-Al2O3 pseudo-binary system, Journal of European Ceramic Society, Vol. 20, 2000. pp.1915-1921

97

[52]

Stanislaw Serkowski, Marcus Müller: Vacuum granulation of ceramic powders – Device and ability; Journal of Materials processing Technology (2005)

[53]

L. F. Cotica, A. Paesano Jr. S. C. Zanatta, S.N. de Medeiros, J.B.M da Cunha: Highenergy ball-milled ( -Fe2O3) ( -Al2O3) system: A study on milling time effects, Journal of Alloys and Compound (2005)

[54]

Frank Stenger, Stefan Mende, Jörg Schwedes, Wolfgang Peukert: Nanomilling in stirred media mills, Chemical Engineering Science 60 (2005) pp. 4557-4565

[55]

Wolfgang Peukert: Material properties in fine grinding, Int. J. Miner. Process. 74S (2004) S3-S17

[56]

Carmen Vizcayno, Ricardo Castello, Irene Ranz, Benjamin Calvo: Some physicochemical alterations caused by mechanochemical treatments in kaolinites of different structural order, Thermochimica Acta 428 (2005) pp. 173-183

[57]

É. Makó, Zs. Senkár, J. Kristóf, V. Vágvölgyi: Surface modification of mechanochemically activated kaolinites by selective leaching, Journal of Colloid and Interface Science 294 (2006) pp. 362-370

[58]

Juhász, A. Z., Opoczky, L.: Mechanokémia és agglomeráció, Épít anyag 55. évf. 2003. 3.szám

[59]

Frank Stenger, Stefan Mende, Jörg Schwedes, Wolfgang Peukert: Nanomilling in stirred media mills, Chemical Engineering Science 60 (2005) pp. 4557-4565

[60]

Károly, Z., Szépvölgyi, J., Farkas, Zs.: Kerámiaszemcsék gömbösítése termikus plazmában, Épít anyag 55. évf. 2003. 2. szám

[61]

Jae-Pyoung Ahn, Jong-Ku Park, Hae-Weon Lee: Effect of compact structures on the phase transition, subsequent densification and microstructure ecolution during sintering of ultrafine alumina powder, NanoStructured Materials, Vol. 11, No. 1. pp. 133-140, 1999

[62]

G.R. Karagedov, N.Z.Lyakhov: Preparation and sintering of nanosized powder, NanoStructured Materials, Vol. 11, No 5 pp. 559-572, 1999

[63]

Zeming He, Jan Ma: Grain-growth rate constant of hot-pressed alumina ceramics, Materials Letters 44 (2000) pp.14-18

[64]

J. Echberria, J. Tarazona, J. Y. He, T. Butler, F. Castro: Sinter-HIP of -alumina powders with sub-micron grain sizes, Journal of the European Ceramic Society 22 (2002) pp.1801-1809

[65]

K. Morsi, H. Keshavan, S. Bal: Hot pressing of graded ultrafine-grained alumina bioceramics, Materials Science and Engineering A 386 2004 pp. 384-389

[66]

Ju. P. Adler, E.V. Markova, Ju. V. Granovszkij: Kísérletek tervezése optimális feltételek meghatározására, M szaki Könyvkiadó, Budapest, 1977.

[67]

Dr. Fridrik László: Válogatott fejezetek a gépgyártás-technológiai kísérletek tervezése témaköréb l, Tankönyvkiadó, Budapest, 1986.

-Al2O3

98

[68]

Kemény Sándor, Deák András: Kísérletek tervezése és értékelése, M szaki Könyvkiadó, Budapest 2000.

[69]

Reimann József: Valószín ségelmélet és matematikai statisztika mérnököknek, Tankönyvkiadó, Budapest 1992.

[70]

Gömze, A.L., Kocserha, I., Czél, Gy.: Kombinált reo- és viszkoziméter-vizsgáló berendezés szabadalom 2002, Lajstromszám:2434, U0200079 ügyszám Gácsi Zoltán: Sztereológia és képelemzés, Well-Press Kiadó Kft. Miskolc 2001.

[71] [72]

Dr. Tóth Tamás: Mechanikai Dunaújváros, ME DFK 0997. p.185

anyagjellemz k

és

vizsgálatuk

módszerei,

[73]

Rabinowicz, Ernst: Friction and wear of materials, 2. ed. New York, John Wiley & Sons Inc. 1995.

[74]

Csányi, J., Gömze, A. L., Kós, I.: A technológiai paraméterek hatása az Al2O3 kerámiák mechanikai tulajdonságára, MicroCAD 2002. pp. 17-22

[75]

Csányi, J., Gömze, A. L.: Égetési feltételek hatása az Al2O3 kerámiák tulajdonságaira, XX. Finomkerámiai Nap konferencia kiadványa, 2001. pp. 39-44

[76]

Martinov V.D.-Turenko A.V.: Raschotglinopererabativayustsego oborudovaniya, Moscow, 1979.

[77]

Hanick, K., Pöszmet, I., Gömze, A. L.: Pressing Properties and Characteristics of Different Ceramic Powders; Competitive Materials, Technologiest and producta, International Scientific Conference; pp. 161-165 (2000)

[78]

Kató, P., Gömze, A. L., Kocserha, I.: A szerszámgeometria és az alakadási technológia paramétereinek hatása Al2O3 kerámiai termékek tulajdonságaira, Kerámia- és szilikátipari kutatások pp. 80-85 (2003)

[79]

Gömze, A. L.: Development of Ceramic Materials with extreme mechanical properties, Prague, EuroMAT 2005

[80]

Gömze, A. L.: Investigation Ceramic Materials Extremal Mechanical Properties, microCAD 2005, Miskolc

[81 ]

Gömze, A. L.: Vybor osnovnih parametrov shnekovih pressov dlya formovaniya ctroitel’nih izdelij iz asbestotzementnih mass, Avtoreferat, Moscow, 1985. UDK 666 961 033 022

[82]

Csányi, J., Gömze, A. L.:: Alumínium-oxid tartalmú kerámiaporok sajtolása és szinterelése, Kerámia és Szilikátipari Kutatások – Mérnökképzés a Miskolci Egyetemen el adás, Miskolc 2004.

[83]

Csányi, J., Gömze, A. L.: A technológiai paraméterek hatása az Al2O3 kerámiák mikrostruktúrájára és hajlítószilárdságára, Anyag- és Kohómérnöki Kar Szekciókiadványa, Doktoranduszok Fóruma, 2001. pp. 1-7.

[84]

Csányi, J., Gömze, A. L.: A technológiai paraméterek hatása az Al2O3 kerámiák mikrostruktúrájára és hajlítószilárdságára, Anyagok Világa, Volume 4 - N° 1 2003.

99

[85]

Csányi, J., Gömze, A. L.: Egyes Al2O3 m szaki kerámiák mechanikai tulajdonságai, MicroCAD 2004. International Conference, University of Miskolc p.33

[86]

Csányi, J., Gömze, A. L.: Detect of Fracture Mechanics Properties of Alumina by Micro-Hardness Testing, 4th International Conference of PhD Students, Miskolc 2003. pp.287-292.

[87]

Marosné Berkes Mária: Comparison of crack length measurement by optical and scanning electron microscopy during Vickers indentation fracture toughness measurement of ceramics, CMTP, Miskolc 2000. pp.55-62

[88]

C.B. Ponton, R.D. Rawlings: Vickers Indentation fracture toughness test Part 1., Materials Science and Technology, 1989. Vol 5. pp.865-872

[89]

C.B. Ponton, R.D. Rawlings: Vickers Indentation fracture toughness test Part 2., Materials Science and Technology, 1989. Vol 5. pp.961-976

[90]

T. Ono, m. Kaji: Fracture Toughness of Structural Cearamics Under Biaxial Stress State by Anticlastic Bending Test, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 1997. Vol. 119. pp. 7-14

[91]

G. Liu, J.K. Shang: Metallurgical and Materials Transactions A. 1996 Vol. 27A. pp.213-219

[92]

Zorkóczy B.: Metallográfia és anyagvizsgálat, Tankönyvkiadó, Budapest 1968.

[93]

Ver J., Káldor M.: Fémtan, Tankönyvkiadó, Budapest, 1977.

[94]

Dr. Tóth Tamás: Fémtan II-III. Nemzeti Tankönyvkiadó, 1993.

[95]

Csányi, J., Gömze, A. L.: H kezelési technológiák hatásmechanizmusa az alumínium-oxid kerámiák mikroszerkezetére, Anyag- és Kohómérnöki Kar Szekciókiadványa, Doktoranduszok Fóruma, 2002.

[96]

Csányi, J., Gömze, A. L.: Nitrogén atmoszféra hatása szinterelés során az Al2O3 oxidkerámiák mikro- és makroszerkezetére, MicroCAD 2003. International Conference, University of Miskolc pp. 15-20

[97]

Csányi, J., Gömze, A. L.: „Extrém” s r ség alumínium-oxid m szaki kerámiák el állítása nitrogén atmoszférában történ égetéssel, „Kerámia és szilikátipari kutatások-mérnökképzés a Miskolci Egyetemen” konferencia kiadványa 2003. pp.61-66

[98]

Csányi, J., Gömze, A. L.: Magas Al2O3 tartalmú sajtolt termékek N2 véd gázban történ zsugorításának néhány tapasztalata, Anyag- és Kohómérnöki Tudományok, Miskolc, 31. kötet. (2003) pp.25-34

100

1. sz. MELLÉKLET

1.1.

Reológiai kísérletek során alkalmazott alapanyagok jellemz i

1.2.

Reológiai vizsgálatok eredményei eltér

tisztaságú alumínium-oxid

sajtolóporok esetén 1.3.

Sajtolóporok termoanalitikai vizsgálata

1.4.

Reológiai vizsgálatok sajtolóporok esetén

1.5.

Sajtolás jellemz szakaszai sajtolópor deformációja alapján

eredményei

eltér

szemcseméret-eloszlású

101

1.1.

Melléklet:

Reológiai kísérletek során alkalmazott alapanyagok jellemz i

Bakony Ipari Kerámia Kft által felhasznált timföld jellemz i

1.1.1. táblázat:

MAL RT által gyártott ALO-GB 1 típusú timföld jellemz i

JELLEMZ K Al2O3 Na2Oösszes Fe2O3 SiO2 CaO α-Al2O3 Izzítási veszteség Fajlagos terület BET Primér kristályméret D50

MÉRTÉKEGYSÉG % % % % % % % m2/g µm µm

ALO-GB1 Min. 99,5 Max. 0,3 Max. 0,03 max. 0,03 max. 0,03 95 Max. 0,2 1,0 – 2,2 1,0 – 1,9 35 - 75

Gyakoriság, %

Bakony Ipari Kerámia Kft által gyártott sajtolópor szemcseméret-eloszlása különböz s r ségek esetén 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

0

30

60

90

120

150

180

210

240

Szemcseátmér , um

1.1.1. ábra: Az „L – 2” jel 1,208 kg/l s r ség sajtolópor szemcseméret-eloszlása

102

Gyakoriság, %

50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

0

30

60

90

120

150

180

210

240

Szemcseátmér , um

Gyakoriság, %

1.1.2. ábra: Az „L – 0” jel 1,231 kg/l s r ség sajtolópor szemcseméret-eloszlása 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

0

30

60

90

120

150

180

210

240

Szemcseátmér , um

1.1.3. ábra: Az „L + 2” jel 1,2518 kg/l s r ség sajtolópor szemcseméret-eloszlása Sajtolópor összetétele EDX analízissel Elemek C O Al Si Ca Szumma

Wt% 18,76 29,07 48,06 2,54 1,58 100

At% 29,52 34,35 33,67 1,71 0,74 100

1.1.4. ábra: Az „L – 2” jel sajtolópor spektruma (EDX)

103

Elemek C O Al Si Ca Szumma

Wt% 24,71 29,48 41,72 2,35 1,74 100

At% 36,92 33,06 27,74 1,5 0,78 100

1.1.5. ábra: Az „L – 0” jel sajtolópor spektruma (EDX)


Wt% 20,13 27,17 48,77 1,98 1,96 100

At% 31,62 32,03 34,1 1,33 0,92 100

1.1.6. ábra: Az „L + 2” jel sajtolópor spektruma (EDX)

104

1.2. Melléklet: Reológiai vizsgálatok eredményei eltér tisztaságú alumíniumoxid sajtolóporok esetén

350

500 450 400

250

350

200

300

Er , N

150

250 200 150

100

100

50

50

0

Id , s

350

300

300

250

250

200

200

6,6

6,16

5,28

5,72

4,4

4,84

3,96

14,1 22,4

15

13,2

11,4

10,6

8,8

23,8

18,2

16,8

14

15,4

12,6

11,2

9,8

8,4

7

5,6

4,2

2,8

12

12,8

11,2

10,4

9,6

8,8

8

7,2

0 6,4

0 5,6

50

4,8

100

50

1,4

150

100

4

12,3

200

150

3,2

21

250

200

2,4

19,6

300

250

Er , N

350

300

1,6

9,68

d) p = 0,20MPa esetén

350

0

7,92

Id , s

c) p = 0,16MPa esetén

0,8

7,04

6,16

4,4

5,28

3,52

0

15

13,2

14,1

11,4

12,3

10,6

8,8

9,68

7,92

6,16

7,04

4,4

5,28

3,52

0 1,76

50

0 2,64

100

50

0

100

2,64

150

1,76

150

0,88

Er , N

350

0,88

Er , N

b) p = 0,12MPa esetén

Id , s

Er , N

3,08

Id ,s

a) p = 0,08MPa esetén

Id , s

3,52

2,2

2,64

1,76

0,88

1,32

0

12

11,2

9,6

10,4

8

8,8

7,2

5,6

6,4

4

4,8

3,2

1,6

2,4

0

0,8

0 0,44

Er , N

300

Id ,s

e) p = 0,24MPa esetén d) p = 0,28MPa 1.2.1. ábra: 92% tisztaságú Al2O3 nyíróer -id diagramja

105

0

Id , s 350

300 300

250 250

200 200

100 100

50 50

0 0 10,2


9,6

Id , s

9

0

8,4

50

0

7,8

100

50

7,2

100

6,6

200

6

250

200

5,4

Id , s

4,8

300

250

4,2

350

300

3


3,6

11,4

10,6

9,88

9,12

8,36

7,6

6,84

6,08

5,32

4,56

3,8

3,04

0 2,28

50

0

2,4

100

50

1,52

100

1,8

0

200

Er , N

250

200

0,76

Er , N

300

250

1,2

150 0, 48 0, 96 1, 44 1, 92 2, 4 2, 88 3, 36 3, 84 4, 32 4, 8 5, 28 5, 76 6, 24 6, 72 7, 2 7, 68

350

Er , N

150

0

10,9

10,2

9,6

8,96

8,32

7,68

7,04

6,4

5,76

5,12

4,48

3,84

3,2

2,56

1,92

1,28

0, 72 1, 44 2, 16 2, 88 3, 6 4, 32 5, 04 5, 76 6, 48 7, 2 7, 92 8, 64 9, 36 10 ,0 8 10 ,8 11 ,5 2

0

350

300

0,6

350

Er , N

0 0,64

Er , N 150

0

15,6

14,7

13,8

12,9

12

11

10,1

9,2

8,28

7,36

6,44

5,52

4,6

3,68

2,76

1,84

0,92

Er , N 350

150

Id , s


150

Id , s


150

Id , s


106

0

Id , s

100 100

50 50

0 0 15

200

14,1

150

13,2

250

200

12,3

300

250

11,4

300

10,6

350

9,68


8,8

Id , s

7,92

10,6

9,88

9,12

8,36

7,6

6,84

6,08

5,32

4,56

3,8

3,04

2,28

1,52

12,2

150

11,4


9,6

Id , s

9

8,4

7,8

7,2

6,6

6

5,4

0 4,8

50

0

4,2

Id , s

7,04

100

50

6,16

100

3,6

200

5,28

150

3

250

200

4,4

300

250

2,4

350

300

3,52


1,8

0

1,2

50

2,64

0

100

0,76

150 Er , N 250

1,76

0

Er , N 200

0,6

350

Er , N

0, 68 1, 36 2, 04 2, 72 3, 4 4, 08 4, 76 5, 44 6, 12 6, 8 7, 48 8, 16 8, 84 9, 52 10 ,2 10 ,8 8

0

300

250

0,88

350

Er , N

9 9, 6

6 6, 6 7, 2 7, 8 8, 4

3 3, 6 4, 2 4, 8 5, 4

0, 6 1, 2 1, 8 2, 4

0

Er , N

350

300

0

10,9

10,2

9,6

8,96

8,32

7,68

7,04

6,4

5,76

5,12

4,48

3,84

3,2

2,56

1,92

1,28

0,64

Er , N 350

200

150

100 50 0

Id , s


150

Id , s


107

0

Id , s 100

50 50

0 0 10,2

100

9,6

200

9

250

200

8,4

300

250

7,8

300

7,2

350

6,6


6

Id , s 9,88

9,12

8,36

7,6

6,84

6,08

5,32

4,56

3,8

3,04

2,28

11,4

150

10,6


9,6

Id , s

9

8,4

7,8

7,2

6,6

6

5,4

4,8

0

5,4

50

0 4,2

Id , s

4,8

100

50

4,2

100

3,6

200

3

250

200

3

300

250

3,6

350

300

2,4


2,4

0 1,52

50

0

1,8

100

50

1,2

100

0,76

Er , N

200

1,8

150

0

12

11,2

10,4

9,6

8,8

8

7,2

6,4

5,6

4,8

4

3,2

250

200

1,2

1,6 2,4

300

250

0,6

350

Er , N

150

0

10,9

10,2

9,6

8,96

8,32

7,68

7,04

6,4

5,76

5,12

4,48

3,84

3,2

2,56

1,92

1,28

0 0,8

Er , N

350

300

0,6

350

Er , N

0 0,64

Er , N

150

0

15,6

14,7

13,8

12,9

12

11

10,1

9,2

8,28

7,36

6,44

5,52

4,6

3,68

2,76

1,84

0,92

Er , N

350

150

Id , s


150

Id , s

e) p = 0,24MPa esetén d) p = 0,28MPa 1.2.4. ábra: 99,7% tisztaságú Al2O3 nyíróer -id diagramja

108

1.3. Melléklet:

Sajtolóporok termoanalitikai vizsgálata

1.3.1.ábra: „L-2” sajtolópor termoanalitikai vizsgálata

1.3.2.ábra: „L-0” sajtolópor termoanalitikai vizsgálata

109

1.3.3.ábra: „L+2” sajtolópor termoanalitikai vizsgálata

110

0

21,6

0

20,4

100

19,2

200

18

300

16,8

120

15,6

400

14,4

Id , s 22,3

21,1

19,8

18,6

17,4

16,1

14,9

13,6

12,4

11,2

Id , s

12

140

500

18

17

16

15

14

13

12

11

10

9

8

7

6

5

Id , s

13,2

160

600

9,92

0 8,68

100

9,6

200

8,4

300

7,44

400

7,2

140

6,2

500

6

160

600 4

0

4,96

20

0

3,72

100

4,8

200

3

300

2

140

2,48

160

600

3,6

700

2,4

400 0

13,6

12,8

12

11,2

10,4

9,6

8,8

8

7,2

6,4

5,6

4,8

4

3,2

2,4

1,6

0

0,8

100

1

200

0

300

Elmozdulás, mm

400

0

500

Elmozdulás, mm

15,8

15

14,1

13,2

12,3

11,4

10,6

9,68

8,8

7,92

7,04

6,16

5,28

4,4

3,52

2,64

1,76

140

1,24

700

Elmozdulás, mm

17,7

16,6

15,6

14,6

13,5

12,5

11,4

10,4

9,36

8,32

7,28

6,24

5,2

4,16

3,12

2,08

0 0,88

Er , N 500

1,2

700

Elmozdulás, mm

22,3

21,1

19,8

18,6

17,4

16,1

14,9

13,6

0 1,04

Er , N

160

600

0

22

20,9

19,7

18,6

17,4

16,2

15,1

13,9

12,4

11,2

9,92

8,68

7,44

6,2

4,96

3,72

2,48

1,24

0

Er , N 700

10,8

Id , s

12,8

11,6

10,4

9,28

8,12

6,96

5,8

4,64

3,48

2,32

1,16

Er , N

1.4. Melléklet: Reológiai vizsgálatok eredményei eltér szemcseméret-eloszlású sajtolóporok esetén

„L-2” jel por esete - Elmozdulási sebesség egyenletesen növelt

p = 0,08MPa sajtolónyomás esetén 120

100 80

60

40

20 0

Id , s

p = 0,12MPa sajtolónyomás esetén

120

100 80

60

40

Id , s


120

100

80

60

40

20

0

Id , s


100

80

60

40

20

0

Id , s

111

Id , s

400

300

200

100

0

80

60

40

20

0

26,9

24,5

22

104

98,8

93,6

88,4

41,6

39,1

36,7

34,3

100

31,8

120

83,2

p = 0,12MPa sajtolónyomás esetén 29,4

Id , s

78

67,6

Id , s

72,8

140

19,6

Id , s

62,4

160

600

20 0

15,8

14,4

13

11,5

10,1

8,64

7,2

5,76

4,32

2,88

42,5

40,1

37,8

25,9

24,5

23

21,6

40

20,2

60

35,4

80

18,7

100

33

120

17,3


30,7

Id , s

28,3

26

23,6

21,2

18,9

16,5

14,2

11,8

9,44

Id , s

57,2

700

17,1

0

52

20

0

46,8

100

41,6

200

14,7

140

36,4

160

600

12,2

700

9,79

0

26

100

31,2

200

7,08

140

4,72

160

600

7,34

700

15,6

300 0

0 1,44

20

0

20,8

400

0

100

2,36

200

Elmozdulás, mm

300

4,89

500

Elmozdulás, mm

140

2,45

300

25,9

24,5

23

21,6

20,2

18,7

17,3

15,8

14,4

13

11,5

10,1

8,64

7,2

5,76

4,32

2,88

160

600

5,2

400

42,5

40,1

37,8

35,4

33

30,7

28,3

26

23,6

21,2

18,9

16,5

14,2

11,8

9,44

7,08

4,72

0 1,44

Er , N 400

0

500

Elmozdulás, mm

0 2,36

Er , N

700

10,4

500

Elmozdulás, mm

41,5

39

36,6

34,2

31,7

29,3

26,8

24,4

22

19,5

17,1

14,6

12,2

9,76

7,32

4,88

2,44

0

Er , N 500

0

104

98,8

93,6

88,4

83,2

78

72,8

67,6

62,4

57,2

52

46,8

41,6

36,4

31,2

26

20,8

15,6

10,4

5,2

0

Er , N


100 80

60

40

Id , s

„L-0” jel por esete - Elmozdulási sebesség egyenletesen növelt


120

100

80

60

40

Id , s

112

140

500

120

100

0

78,9

160

600

83,9

Id , s

74

0

69,1

200 100

80

60

40

11

27,5

24,8

22

19,3

16,5

55,2 58,9

46,8

41,3 44,1

51,5

62,6

35,8 38,5

47,8

33

20

0

59,2

300 120

30,3


44,2

Id , s

40,5

100

64,1

200

49,3

300

54,3

400

36,8

140

33,1

Id , s

44,4

160

600

29,4

700

25,8

0 13,8

Id , s

39,5

0

29,6

20

22,1

100

18,4

200

5,51

300

8,26

400

0

140

2,75

500

Elmozdulás, mm 160

600

34,5

400

49,3

700

14,7

43,8 46,6

44,6

54,5

51,3

48,1

44,9

41,7

38,5

35,3

32,1

28,9

25,7

22,4

19,2

16

12,8

9,62

6,41

3,21

0

57,4

54,2

51

47,8

0

19,7

38,4 41,1

38,2 41,4

20

0

24,7

32,9 35,6

31,9 35,1

100

11

27,4 30,1

25,5 28,7

Elmozdulás, mm

200

7,36

21,9 24,7

19,1 22,3

300

14,8

16,4 19,2

12,7 15,9

400

0

11 13,7

6,37 9,56

500

3,68

500

Elmozdulás, mm

5,48 8,22

0 3,19

Er , N

140

9,87

700

Elmozdulás, mm

65,9

62,2

58,6

54,9

51,2

47,6

43,9

40,3

36,6

32,9

29,3

25,6

22

18,3

14,6

11

7,32

0 2,74

Er , N

160

600

0

83,6

78,7

73,8

68,9

64

59

54,1

0 3,66

Er , N

700

4,93

Id , s

49,2

44,3

39,4

34,4

29,5

24,6

19,7

14,8

9,84

4,92

0

Er , N


120

100 80

60

40

Id , s


120

100 80

60

40

Id , s


100

80

60

40

20

0

Id , s

113

0

Id , s

100 20

0 0

Id , s


160

600

140

400

300

200

120

100

80

60

100

40

20

0

0 12

14,4 15,6 16,8 18 19,2 20,4

19,2

20,8

22,4

24

25,6

27,2

13,2

Id , s

17,6

700

16

200 10,4

25,2

23,7

22,2

20,7

19,2

17,8

16,3

14,8

13,3

11,8

Id , s

10,8

300

19,7

18,6

17,4

16,2

15,1

13,9

12,8

11,6

10,4

9,28

8,12

6,96

5,8

4,64

Id , s

14,4

400

9,6

140

8,4

160

600

11,2

Id , s

12,8

700 8,88

0

7,2

100

9,6

200

7,4

300

6

400

8

140

5,92

160

600

4,8

700

6,4

0 2,32

100

3,48

200

2,96

300

4,44

160

140

3,6

700

600

2,4

500

0

0

17,3

16,3

15,4

14,4

13,4

12,5

11,5

10,6

9,6

8,64

7,68

6,72

5,76

4,8

3,84

2,88

1,92

0,96

0

1,16

100

Elmozdulás, mm

200

4,8

0

400

Elmozdulás, mm

17,3

16,3

15,4

14,4

13,4

12,5

11,5

10,6

9,6

8,64

7,68

6,72

5,76

4,8

3,84

2,88

300

1,48

500

Elmozdulás, mm

19,7

18,6

17,4

16,2

15,1

13,9

12,8

11,6

10,4

9,28

8,12

6,96

5,8

4,64

1,92

400

1,2

500

Elmozdulás, mm

25,2

23,7

22,2

20,7

19,2

17,8

16,3

14,8

13,3

11,8

10,4

8,88

7,4

5,92

3,48

2,32

0 0,96

Er , N 500

0

20,9

19,7

18,6

17,4

16,2

15,1

13,9

12,8

11,6

10,4

9,28

8,12

6,96

5,8

4,64

4,44

2,96

0 1,16

Er , N

140

3,2

2,32 3,48

0 1,48

Er , N

160

600

1,6

500

Elmozdulás, mm

0 1,16

Er , N

700

0

27,2

25,6

24

22,4

20,8

19,2

17,6

16

14,4

12,8

11,2

9,6

8

6,4

4,8

3,2

1,6

Er , N

„L+2” jel por esete - Elmozdulási sebesség egyenletesen növelt p = 0,08MPa sajtolónyomás esetén

100

120 80

60

40

20 0

Id , s


100

120 80

60

40

20 0

Id , s


120

100

80

60

40

20

0

Id , s


120

100

80

60

40

Id , s

114

Id , s

350

300

250

200

150

Elmozdulás, mm

Id , s

500

400

300

250

200

150

100

50

0

Id , s

500

450

400

100

50

0

10,9

10,2

9,6

8,96

11,4

10,6

9,88

0 8,36

50

9,12

100

7,68

150

8,32

200

Id , s


450 120

100

80

60

40

20

0

7,6

250

6,84

300

6,4

400

7,04

450

5,32

500

6,08

Id , s

5,12

Id , s

5,76

0

3,8

20

4,56

40

4,48

80

3,2

100

3,84

120

2,28

39,8

59,8

56,4

53,1

49,8

46,5

43,2

39,8

36,5

33,2

29,9

26,6

23,2

19,9

16,6

13,3

9,96

6,64

3,32

0

59,8

56,4

53,1

49,8

46,5

43,2

0

3,04

33,2 36,5

20

0

1,92

26,6 29,9

100

2,56

19,9 23,2

Elmozdulás, mm

200

0,76

13,3 16,6

300

1,52

6,64 9,96

140

0,64

0 0, 72 1, 44 2, 16 2, 88 3, 6 4, 32 5, 04 5, 76 6, 48 7, 2 7, 92 8, 64 9, 36 10 ,0 8 10 ,8 11 ,5 2

60

Er , N

0 3,32

Er , N 400

0

350

Elmozdulás, mm

0 0, 72 1, 44 2, 16 2, 88 3, 6 4, 32 5, 04 5, 76 6, 48 7, 2 7, 92 8, 64 9, 36 10 ,0 8 10 ,8 11 ,5 2

Elmozdulás, mm

160

600

1,28

350

Elmozdulás, mm

11,4

10,6

9,88

9,12

8,36

7,6

6,84

6,08

5,32

4,56

3,8

3,04

2,28

1,52

0,76

0

Er , N

500

0

10,9

10,2

9,6

8,96

8,32

7,68

7,04

6,4

5,76

5,12

4,48

3,84

3,2

2,56

1,92

1,28

0,64

0

Er , N

700

0 0, 48 0, 96 1, 44 1, 92 2, 4 2, 88 3, 36 3, 84 4, 32 4, 8 5, 28 5, 76 6, 24 6, 72 7, 2 7, 68

2, 4 2, 88 3, 36 3, 84 4, 32 4, 8 5, 28 5, 76 6, 24 6, 72 7, 2 7, 68

1, 92

0, 96 1, 44

0 0, 48

Er , N


100 80

60

40

Id , s

„L-2” jel por esete - Elmozdulási sebesség állandó p = 0,08MPa sajtolónyomás esetén

500

450

400

350

300

250

200

150

100 50 0

Id , s


100 120

80

60

40

20

0

Id , s


120

100

80

60

40

20

0

Id , s

115

0

Id , s

Id ,s

500

400

300

250

200

100

150

50

0

80

60

40

20

0

5,28

6,6

100

10,9

120

5,72

450

6,16


9,6

Id , s

10,2

8,96

0

4,84

50

8,32

100

7,68

150

4,4

200

7,04

300 250

3,96

400

6,4

450

3,52

500

5,76

Id , s 4,8

120

100

80

60

40

20

0

5,4

4,8

4,2

3,6

3

12

11,2

10,4

9,6

8,8

10,2

9,6

9

8,4

7,8

7,2

6,6


8

„L-0” jel por esete - Elmozdulási sebesség állandó 6

Id , s

7,2

6,4

5,6

0

2,64

Id , s

3,08

50 2,4

Id , s

5,12

150

4,48

100

2,2

200

3,84

300

4

250

3,2

500

2,4

450

3,2

400

1,32

0

1,76

50

2,56

100

1,8

150

1,2

200

1,6

400

0,88

500

1,92

250 0

15,6

14,7

13,8

12,9

12

11

10,1

9,2

8,28

7,36

6,44

5,52

4,6

3,68

2,76

1,84

0 0,92

50

1,28

300

0

100

0,6

150

Elmozdulás, mm

200

0

350

Elmozdulás, mm

15,6

14,7

13,8

12,9

12

11

10,1

9,2

8,28

7,36

6,44

5,52

4,6

3,68

2,76

1,84

250

0,8

350

Elmozdulás, mm

10,2

9,6

9

8,4

7,8

7,2

6,6

6

5,4

4,8

4,2

3,6

3

2,4

1,8

1,2

0 0,92

Er , N 300

0,44

350

Elmozdulás, mm

12

11,2

10,4

9,6

8,8

8

7,2

6,4

5,6

4,8

4

3,2

2,4

1,6

0 0,6

Er , N

350

0

6,6

6,16

5,72

5,28

4,84

4,4

3,96

3,52

3,08

2,64

2,2

1,76

1,32

0,88

0 0,8

Er , N

400

0,64

350

Elmozdulás, mm

0

0,44

Er , N

500

0

10,9

10,2

9,6

8,96

8,32

7,68

7,04

6,4

5,76

5,12

4,48

3,84

3,2

2,56

1,92

1,28

0,64

Er , N


120

100 80

60

40

20 0

Id , s

p = 0,28MPa sajtolónyomás esetén 450 120

100 80

60

40

20 0

Id , s


120

100

80

60

40

20

0

Id , s

116

0

Id , s

Id , s

450

500

400

250

300

200

100

150

0

12,2

0

11,4

50

10,6

100

9,88

150

9,12

200

8,36

250

7,6

300

6,84

Id , s 4,2

80

60

40

20

0

Id , s

„L+2” jel por esete - Elmozdulási sebesség állandó


450

100 120

80

60

40

20

0

4,6

8,28

7,36

6,44

5,52

9

9,6

10,9

10,2

9,6

8,96

10,2

12

8,4

8,32

15,6

14,7

13,8

12,9

11

7,2 7,8

7,68

9,2

100

10,1

120

6,6

450

7,04


6

5,4

Id , s

6,4

5,76

400 4,8

Id , s

6,08

500 3,68

Id , s

5,12

0

4,48

50

5,32

100

3,6

150

3,84

200

4,56

250

3

300

3,2

400

3,8

500 2,76

0

2,4

50

2,56

100

3,04

150

1,84

200

1,2

400

1,8

500

1,92

0

1,28

50

2,28

250 0, 48 0, 96 1, 44 1, 92 2, 4 2, 88 3, 36 3, 84 4, 32 4, 8 5, 28 5, 76 6, 24 6, 72 7, 2 7, 68

100

1,52

300

0

Elmozdulás, mm

150

0

200

0,92

350

Elmozdulás, mm

Er , N

250

0,6

350

Elmozdulás, mm

15,6

14,7

13,8

12,9

12

11

10,1

9,2

8,28

7,36

6,44

5,52

4,6

3,68

2,76

1,84

0, 48 0, 96 1, 44 1, 92 2, 4 2, 88 3, 36 3, 84 4, 32 4, 8 5, 28 5, 76 6, 24 6, 72 7, 2 7, 68

0

300

0

10,2

9,6

9

8,4

7,8

7,2

6,6

6

5,4

4,8

4,2

3,6

3

2,4

1,8

1,2

0 0,92

Er , N

350

0

350

Elmozdulás, mm

0 0,6

Er , N

400

0,64

Er , N

450

0,76

350

Elmozdulás, mm

0, 68 1, 36 2, 04 2, 72 3, 4 4, 08 4, 76 5, 44 6, 12 6, 8 7, 48 8, 16 8, 84 9, 52 10 ,2 10 ,8 8

0

500

0

12,2

11,4

10,6

9,88

9,12

8,36

7,6

6,84

6,08

5,32

4,56

3,8

3,04

2,28

1,52

0,76

Er , N


100 80

60

40

20 0

Id , s


100 80

60

40

20 0

Id , s


120

100

80

60

40

50

20

0

Id , s

117

0

Id , s

100

50

0

15

150

14,1

200

13,2

250

12,3

300

11,4

400

10,6

500

9,68

Id , s 6,4

10,9

10,2

9,6

8,96

8,32

7,68

0 7,04

50

5,76

100

8,8

150

7,92

Id , s

5,12

200

4,48

250

120

100 80

60

40

50 20

0

1,2

8,4

7,8

7,2

6,6

6

5,4

4,8

4,2

3,6

3

2,4

1,8

9

450 9,6


9,6

Id , s

9

8,4

7,8

7,2

6,6

6

5,4

4,8

4,2

3,6

3

Id , s

7,04

300

6,16

400

3,84

450

5,28

500

2,4

0

3,2

100

2,56

150

4,4

200

3,52

250

1,8

300

1,2

400

1,92

500

1,28

0

2,64

50

1,76

0

100

0,6

150

0

200

Elmozdulás, mm

300

0,6

350

Elmozdulás, mm

9 9, 6

6 6, 6 7, 2 7, 8 8, 4

3 3, 6 4, 2 4, 8 5, 4

Er , N 400

0,64

350

Elmozdulás, mm

9,6

9

8,4

7,8

7,2

6,6

6

5,4

4,8

4,2

3,6

3

2,4

1,8

1,2

0, 6 1, 2 1, 8 2, 4

0

250

0

10,9

10,2

9,6

8,96

8,32

7,68

7,04

6,4

5,76

5,12

4,48

3,84

3,2

2,56

1,92

1,28

0 0,6

Er , N

350

0,88

350

Elmozdulás, mm

0 0,64

Er , N

500

0

15

14,1

13,2

12,3

11,4

10,6

9,68

8,8

7,92

7,04

6,16

5,28

4,4

3,52

2,64

1,76

0,88

Er , N


120

80

60

40

20 0

Id , s


120

100

80

60

40

20

0

Id , s


450

120

100

80

60

40

20

0

Id , s

118

40

0,1 20

0

0

0

0,2

Id , s

Id , s

0,3 108 116 125 133

88,2

94,5

101

60

81,9

80 99,6

100

75,6

120

0,5 91,3

140

69,3

p = 0,08MPa sajtolónyomás, és Fkötél = 135N 83

Id , s

63

0,7

0,6 74,7

0,3

56,7

Id , s

66,4

100 112

104

96

88

80

72

64

56

Id ,s

50,4

120

0,5

58,1

140

44,1

0,7

0,6 48

0

49,8

20

0

37,8

40

0,1

40

0,2

32

100

24

120

0,5

16

0,3 Er , N 140

8

0

116

0,7

0,6

41,5

99, 108

83

128

120

112

104

96

88

80

72

64

56

48

40

32

24

16

8

0

125

116

108

99,

91,

0

33,2

83 91,

66, 74,

20

0

24,9

66, 74,

49, 58,

40

0,1

16,6

49, 58,

33, 41,

0,2

8,3

0,4

Er , N

33, 41,

0,4

0

131

122

113

104

95,7

87

78,3

69,6

60,9

52,2

43,5

16, 24,

Er , N

0,3

31,5

0

34,8

16, 24,

100

25,2

20

0 26,1

0 8,3

0,4

18,9

40

0,1

17,4

0 8,3

Deformáció

120

0,5

12,6

0,4

Er , N

0

0,2

8,7

Deformáció

140

0

99

92,4

85,8

79,2

72,6

66

59,4

52,8

46,2

39,6

33

26,4

19,8

13,2

6,6

Deformáció 0,7

0,6

6,3

Deformáció

„L-0” jel por esete – reológiai jelleggörbe p = 0,08MPa sajtolónyomás, és Fkötél = 110N

80

60

Id , s

p = 0,08MPa sajtolónyomás, és Fkötél = 120N

80

60

Id , s

p = 0,08MPa sajtolónyomás, és Fkötél = 130N

80

60

Id , s

119

1.5. Melléklet:

Sajtolás jellemz szakaszai sajtolópor deformációja alapján

1.5.1. ábra: Sajtolópor betöltéskor

1.5.2. ábra: Sajtolópor vizsgálat után

A sajtolás els szakasza során kialakult, deformálódott granulátumok

a) N = 1500x

b) N = 15000x

c) N = 2000x

d) N = 10000x

1.5.3. ábra: Sajtoló granulátum

120

Sajtolt, nyers minta SEM felvételei

a) N = 5000x

b) N = 10000x

c) N = 5000x

d) N = 15000x

e) N = 12500x f) N = 15000x 1.5.4. ábra: Deformálódott Al2O3 szemcsék

121

2. sz. MELLÉKLET

2.1.

Regressziós egyenletek a sajtolási tulajdonságok leírására

2.2.

Vickers-lenyomatos törési szívósság általános és módosított (tapasztalati) egyenletek

122

2.1. Melléklet:

Regressziós egyenletek a sajtolási tulajdonságok leírására

Égetési zsugorodást leíró függvény 99,7% alumínium-oxid-tartalom 2.1

S é = 7,67 + 0,013 x 2 + 0,01x12 + 0,01x 22 Tests r séget leíró függvény 99,7% alumínium-oxid-tartalom

ρ = 3,92 + 0,02 x1

2.2

Tests r séget leíró függvény 95% alumínium-oxid-tartalom 2.3

ρ = 3,78 + 0,017 x1 + 0,004 x12 + 0,003x 22 Látszólagos porozitást leíró függvény 99,7% alumínium-oxid-tartalom

2.4

Pl = 0,15 + 0,035 x1 x 2 + 0,01x12 + 0,007 x 22 Látszólagos porozitást leíró függvény 95% alumínium-oxid-tartalom

2.5

Pl = 0,139 − 0,007 x1 Hajlítószilárdságot leíró függvény 99,7% alumínium-oxid-tartalom

2.6

σ = 17184 + 397,71x12 + 965,17 x 22 Hajlítószilárdságot leíró függvény 95% alumínium-oxid-tartalom

σ = 20244,28 + 793,93x1

2.7

123

Továbbiakban ismertetjük a negyedik kísérletsorozatra kapott regressziós egyenleteket: Az 1640°C-on égetett minták vizsgált tulajdonságaira kapott regressziós egyenletek: Tests r ség A szitálatlan porból készült mintadaraboknál: 2.8

ρ = 3,675 + 0,001x1 + 0,265x 2 + 0,091x 2 2 − 0,005x1 x 2 A szitált porból készült mintadaraboknál:

2.9

ρ = 3,7526 − 0,3303x 2 + 0,5245x 22 + 0,00308x1 x 2

Égetési zsugorodást leíró függvény Az Excel programmal számítva a szitálatlan porból készült mintadaraboknál: 2.10

S é = 15,111 − 0,381x1 A Minitab program segítségéve kiszámított regressziós egyenlet: A szitálatlan porból készült mintadaraboknál:

2.11

2

S é = 15,428 + 0,009 x1 + 8,2352 x 2 − 4,029 x 2 − 0,12 x1 x 2 Égetési veszteséget leíró függvény A szitálatlan porból készült mintadaraboknál:

2.12

Gé = 1,324 + 0,032 x1 + 5,02 x 2 − 10,408x 22 − 0,027 x1 x 2 A szitált porból készült mintadaraboknál:

2.13

Gé = 2,38764 + 0,0052 x1 + 0,8479 x 2 − 1,4184 x 22 + 0,0083x1 x 2 Látszólagos porozitást leíró függvény A szitálatlan porból készült mintadaraboknál:

2.14

Pl = 0,117 − 0,002 x 2 − 0,291x 2 − 0,228x 22 + 0,005x1 x 2 A szitált porból készült mintadaraboknál:

2.15

Pl = 0,10362 − 0,9779 x 2 + 1,76637 x 22 + 0,01039x1 x 2 Hajlítószilárdságot leíró függvény A szitálatlan porból készült mintadaraboknál:

2.16

σ = 216,035 − 3,2256 x1 + 1470,23x 2 + 0,0559 x12 − 1332,05x 22 − 22,6773x1 x 2 A szitált porból készült mintadaraboknál:

2.17

σ = 216,034 − 3,2256 x1 + 1470,23x 2 + 0,5598x12 − 1332,05 x 22 − 22,6773x1 x 2

124

Az 1550°C-on égetett minták vizsgált tulajdonságaira kapott regressziós egyenletek: Tests r ség A szitálatlan porból készült mintadaraboknál: 2.18

ρ = 3,617 + 0,002 x1 + 0,545x 2 − 0,079 x 22 − 0,008x1 x 2 A szitált porból készült mintadaraboknál:

2.19

ρ = 3,6979 + 0,0015x1 − 0,1941x 2 + 0,0964 x 22 + 0,0026 x1 x 2 Zsugorodást leíró függvény A szitálatlan porból készült mintadaraboknál:

2.20

S é = 19,52 − 0,101x1 − 6,025x 2 + 8,192 x 22 + 0,063x1 x 2 A szitált porból készült mintadaraboknál:

2.21

S é = 18,044 − 0,0556 x1 − 4,3551x 2 − 0,2814 x 22 + 0,0692 x1 x 2 Égetési veszteséget leíró függvény A szitálatlan porból készült mintadaraboknál:

2.22

Gé = 2,848 − 0,008x1 + 1,107 x 2 − 0,582 x 22 − 0,003x1 x 2 A szitált porból készült mintadaraboknál:

2.23

G é = 1,7671 + 0,0169 x1 + 6,8959 x 2 + 10,5558x 22 − 0,1227 x1 x 2 Porozitást leíró függvény A szitálatlan porból készült mintadaraboknál:

2.24

Pl = 0,137 + 0,004 x1 + 0,786 x 2 − 0,228x 22 − 0,012 x1 x 2 A szitált porból készült mintadaraboknál:

2.25

Pl = 0,0866 + 0,0024 x1 + 0,6951x 2 − 0,2885x 22 − 0,0104 x1 x 2 Hajlítószilárdságot leíró függvény A szitálatlan porból készült mintadaraboknál:

2.26

σ = 543,189 − 7,198x1 − 982,516 x 2 + 0,049 x12 + 91,61x 22 + 12,228x1 x 2 A szitált porból készült mintadaraboknál:

2.27

σ = 226,7 + 15,99 x1 − 44,2261x 2 − 0,1242 x12 + 690,294 x 22 − 1,661x1 x 2

125

Az 1460°C-on égetett minták vizsgált tulajdonságaira kapott regressziós egyenletek: Tests r séget leíró függvény A szitálatlan porból készült mintadaraboknál: 2.28

ρ = 3,551 − 0,015x1 − 2,499 x 2 + 1,55x 22 + 0,04 x1 x 2 A szitált porból készült mintadaraboknál:

2.29

ρ = 3,477 − 0,0137 x1 − 1,878x 2 + 4,715x 22 + 0,0175x1 x 2 Zsugorodást leíró függvény A szitálatlan porból készült mintadaraboknál:

2.30

S é = 14,907 − 0,147 x1 − 25,652 x 2 + 18,023x 22 + 0,392 x1 x 2 A szitált porból készült mintadaraboknál:

2.31

S é = 18,1307 − 0,26 x1 − 23,801x 2 + 55,813x 22 + 0,253x1 x 2 Égetési veszteséget leíró függvény A szitálatlan porból készült mintadaraboknál:

2.32

Gé = 2,604 + 0,611x 2 − 0,794 x 22 + 0,006 x1 x 2 A szitált porból készült mintadaraboknál:

2.33

Gé = 0,568 + 0,0353x1 + 21,393x 2 + 0,464 x 22 − 0,3709 x1 x 2 Látszólagos porozitást leíró függvény A szitálatlan porból készült mintadaraboknál:

2.34

Pl = 23,101 − 0,107 x1 + 42,03x 2 + 33,75 x 22 − 0,961x1 x 2 A szitált porból készült mintadaraboknál:

2.35

Pl = 6,211 + 0,479 x1 + 45,105 x 2 − 195,35x 22 − 0,214 x1 x 2 Hajlítószilárdságot leíró függvény A szitálatlan porból készült mintadaraboknál:

2.36

σ = 291,979 − 6,53x1 − 108,158x 2 + 0,0621x12 + 1434,36 x 22 − 3,0507 x1 x 2 A szitált porból készült mintadaraboknál:

2.37

σ = 297,160 + 9,26 x1 + 1759,72 x 2 − 0,038x12 − 121,289 x 22 − 28,542 x1 x 2

126

N2 véd gázban el égetett és 1640°C-on szinterelt minták vizsgált tulajdonságaira kapott regressziós egyenletek: Tests r séget leíró függvény A szitálatlan porból készült mintadaraboknál: 2.38

ρ = 2,403 + 0,048x1 + 0,2858x 2 − 0,6124 x 22 − 0,0026 x1 x 2 A szitált porból készült mintadaraboknál:

2.39

ρ = 3,695 − 0,1372 x 2 + 0,0570 x 22 Zsugorodást leíró függvény A szitálatlan porból készült mintadaraboknál:

2.40

S é = 17,869 − 0,0814 x1 + 2,873x 2 − 2,952 x 22 − 0,033x1 x 2 A szitált porból készült mintadaraboknál:

2.41

S é = 29,669 − 0,2992 x1 − 77,753x 2 + 1,5661x 22 + 1,345x1 x 2 Égetési veszteséget leíró függvény A szitálatlan porból készült mintadaraboknál:

2.42

G é = 0,798 + 0,06 x1 + 4,154 x 2 − 12,6563x 22 A szitált porból készült mintadaraboknál:

2.43

Gé = 2,843 − 0,582 x 2 + 1,082 x 22 + 0,015x1 x 2 Porozitást leíró függvény A szitálatlan porból készült mintadaraboknál:

2.44

Pl = 0,223 − 0,003x1 − 0,637 x 2 + 0,956 x 22 + 0,005x1 x 2 A szitált porból készült mintadaraboknál:

2.45

Pl = −0,232 + 0,115x1 + 1,94 x 2 + 0,559 x 22 − 0,033x1 x 2 l Hajlítószilárdságot leíró függvény A szitálatlan porból készült mintadaraboknál:

2.46

σ = −177,811 + 10,213x1 + 108,341x 2 − 0,052 x12 + 2238,87 x 22 − 12,345x1 x 2 A szitált porból készült mintadaraboknál:

2.47

σ = 32,627 + 1,725x1 + 531,905x 2 − 608,248x 22 − 4,915x1 x 2

127

2.2. Melléklet: Vickers-lenyomatos törési szívósság általános és módosított (tapasztalati) egyenletek Módosított egyenletek Lawn és Swain egyenlet

Niihara, Morena és Hasselmann egyenlet

K c = [(1 − 2ν ) / 2π 5 / 2 ]( HP / D) 1 / 2

K c = 0,711( H v a 1 / 2 )( E / H v ) 2 / 5 (c / a ) −3 / 2

Evans és Weilshaw egyenlet

Evans és Davis egyenlet

K c = 0,079( P / a 3 / 2 ) log(4,5a / c)

K c = 0,4636( P / a 3 / 2 )( E / H v ) 2 / 5 log(8,4a / c)

ahol

0,6 ≤ c / a < 4,5

Evans és Charles egyenlet

Blendell egyenlet

K c = 0,0824 P / c 3 / 2

K c = 0,303( H v a 1 / 2 )( E / H v ) 2 / 5 log(8,4a / c)

Lawn és Fuller egyenlet

Anstis, Chantikul, Lawn és Marshall egyenlet

K c = 0,0515 P / D 3 / 2

K c = 0,016( E / H v )( P / c 3 / 2 )

Lawn, Evans, és Marsall egyenlet

Lankford egyenlet

K c = 0,0139( E / H v )( P / c 3 / 2 )

K c = 0,782( H v a 1 / 2 )( E / H v ) 2 / 5 (c / a ) −1,56

Miranzo és Moya egyenlet

Laugier egyenlet

K c = 0,05[ f ( E / H )]H v a / c 0,5

K c = 0,022( E / H v ) 2 / 5 ( P / c 3 / 2 )

ahol c / a ≤ ≈ 2,8

K c = 0,09[ f ( E / H )]H v a 1,58 / c 1,08 ahol c / a ≥ ≈ 2,8 Tanaka egyenlet

K c = 0,035( E / H v ) 1 / 4 ( P / c 3 / 2 )

ahol : Kc P D H ν a c

kritikus feszültségintenzitási tényez alkalmazott nyomás repedésmélyság kontakt Poisson tényez átlófélhossz repedéshossz

128

Általános egyenletek

K c = kP / c 3 / 2

K c = k ( P / a 3 / 2 ) log( Ja / c) ∗

K c = k ( P / a 3 / 2 )10 F ⊗

K c = kP /(ac1 / 2 ) ≡ k ( P / a 3 / 2 )(a / c)1 / 2 ≡ k ( P / c)1 / 2

K c = k ( P / a 3 / 2 )(a / c) m ≡ kP /(a ⊗5− m c m ) ≡ k ( P 0, 5+ 0, 25 / m / c) m ⊕ ∗

Ahol J tapasztalati tényez t

⊗ ⊕

Ahol F ≡ f [log(c / a )] Ahol m olyan tapasztalati tényez t melynek értéke 1 és 2 között van.

129

3. sz. MELLÉKLET

3.1.

Vizsgált sajtolóporok összetétele és adalékanyag-tartalma

3.2.

Termoanalitikai

vizsgálatok

eredményei

különböz

tisztaságú

alumínium-oxid sajtolóporok esetén 3.3.

Eltér tisztaságú sajtolóporok EDX felvétele

3.4.

Vizsgált minták röntgendiffrakciós eredményei

3.5.

Kísérletsorozatoknál alkalmazott szinterelési technológia hatása az anyagszerkezetre – SEM, EDX vizsgálatok

130

3.1. Melléklet:

Vizsgált sajtolóporok összetétele és adalékanyag-tartalma

131

132

3.2. Melléklet: Termoanalitikai vizsgálatok eredményei különböz tisztaságú alumínium-oxid sajtolóporok esetén

3.2.1. ábra: 94% Al2O3- tartalmú sajtolóporok DTG/DTA felvétele

3.2.2. ábra: 95% Al2O3- tartalmú sajtolóporok DTG/DTA felvétele

133

3.2.3. ábra: 99,7% Al2O3- tartalmú sajtolóporok DTG/DTA felvétele

134

3.3. Melléklet:

Eltér tisztaságú sajtolóporok EDX felvétele


Wt% 20,13 27,17 48,77 1,98 1,96 100

At% 31,62 32,03 34,1 1,33 0,92 100

3.3.1. ábra: „L – 2” jel por spektruma és összetétele (EDX szerint)


Wt% 24,71 29,48 41,72 2,35 1,74 100

At% 36,92 33,06 27,74 1,5 0,78 100

3.3.2. ábra: „L – 0” jel por spektruma és összetétele (EDX szerint)

135


Wt% 18,76 29,07 48,06 2,54 1,58 100

At% 29,52 34,35 33,67 1,71 0,74 100

3.3.3. ábra: „L + 2” jel por spektruma és összetétele (EDX szerint)

136

3.4. Melléklet:

Vizsgált minták röntgendiffrakciós eredményei

N2 véd gázban el égetett és normál atmoszférában szinterelt Al2O3 minták röntgendiffrakciós vizsgálata

3.4.1. ábra: 95% Al2O3 kerámia röntgendiffrakciós felvétele

(kétoldali sajtolás; p = 147,7MPa; tmax.hatásid = 6 s; N2 véd gázban zsengélve)



137



3.4.4. ábra: 99,7% Al2O3 kerámia röntgendiffrakciós felvétele (izostatikus sajtolás; p = 1000MPa; N2 véd gázban zsengélve)

138


3.4.6. ábra: 99,7% Al2O3 kerámia röntgendiffrakciós felvétele


139





140

A vizsgált minták röntgendiffrakciós felvételei C-ra nézve





141




142




143


(kétoldali sajtolás; p = 147,7MPa; tmax.hatásid =6 s; N2 véd gázban zsengélve)



144

3.5. Melléklet: Kísérletsorozatoknál alkalmazott szinterelési technológia hatása az anyagszerkezetre – SEM, EDX vizsgálatok

3.5.1. ábra: 99,7% tisztaságú Al2O3 próbatest felülete (Készítette: Kovács Árpád)

1. pont

2. pont

3.5.2. ábra: 99,7% tisztaságú Al2O3 EDAX felvétele

145


1. pont 2. pont 3.5.4. ábra: 99,7% tisztaságú Al2O3 EDAX felvétele

146


1. pont 2. pont 3.5.6. ábra: 99,7% tisztaságú Al2O3 EDAX felvétele

147

3.5.7. ábra: 99,7% tisztaságú Al2O3 próbatest töretfelületének küls kérge

3.5.8. ábra: 99,7% tisztaságú Al2O3

3.5.9. ábra: Kéreg spektruma

3.5.10. ábra: Mag spektruma

3.5.1. táblázat: Kéreg összetétele

3.5.2. táblázat: Mag összetétele

Elem O Al Ca Összesen Elemek C O Al Ca Összesen

Wt% 18,53 80,26 1,2 99,99 Wt% 11,4 18,57 68,91 1,11 99,99

At% 27,83 71,45 0,72 100 At% 20,23 24,74 54,43 0,59 99,99

próbatest töretfelületének bels része

Elem O Al Ca Összesen Elemek C O Al Ca Összesen

Wt% 25,12 74,39 0,49 100 Wt% 4,72 24,76 70,06 0,46 100

At% 36,18 63,54 0,28 100 At% 8,64 34,02 57,08 0,25 99,99

148







próbatest töretfelületének küls kérge

Elem O Al Összesen Elemek C O Al Ca Összesen

Wt% 15,92 84,08 100 Wt% 10,99 12,58 76,43 0 100

At% 24,21 75,79 100 At% 20,18 17,35 62,47 0 100

próbatest töretfelületének bels része

Elem O Al Összesen Elemek C O Al Ca Összesen

Wt% 17,88 82,12 100 Wt% 15,64 16,58 67,36 0,42 100

At% 26,86 73,14 100 At% 26,87 21,39 51,52 0,22 100

149

3.5.15. ábra: 99,7% tisztaságú Al2O3 próbatest töretfelületének küls kérge

3.5.16. ábra: 99,7% tisztaságú Al2O3 próbatest töretfelületének bels része





Elem O Al Összesen Elemek C O Al Összesen

Wt% 21,16 78,84 100 Wt% 7,47 19,99 72,54 100

At% 31,16 68,84 100 At% 13,63 27,41 58,96 100

Elem O Al Összesen Elemek C O Al Összesen

Wt% 23,24 76,76 100 Wt% 6,27 22,91 70,82 100

At% 33,8 66,2 100 At% 11,41 31,27 57,32 100

150

3.5.19. ábra: 95% tisztaságú Al2O3 próbatest töretfelületének küls kérge

3.5.20. ábra: 95% tisztaságú Al2O3 próbatest töretfelületének bels része





Elem O Al Si Ca Összesen Elemek C O Al Összesen

Wt% 14,03 78,36 4,63 2,98 100 Wt% 14,39 12,74 72,87 100

At% 21,81 72,23 4,1 1,85 99,99 At% 25,52 16,95 57,53 100

Elem O Al Si Ca Összesen Elemek C O Al Összesen

Wt% 17,79 75,12 4,24 2,85 100 Wt% 11,06 16,2 72,74 100

At% 27 67,61 3,66 1,73 100 At% 19,89 21,87 58,24 100

151

3.5.23. ábra: 95% tisztaságú Al2O3 próbatest






töretfelületének küls kérge

Elem O Mg Al Si Ca Összesen Elemek C O Al Összesen

Wt% 16,14 1,58 74,75 4,47 3,06 100 Wt% 14,14 16,11 69,75 100

At% 24,73 1,59 67,91 3,9 1,87 100 At% 24,69 21,11 54,2 100

töretfelületének bels része

Elem O Mg Al Si Ca Összesen Elemek C O Al Összesen

Wt% 19,25 1,89 73,1 3,38 2,38 100 Wt% 9,85 19,51 70,64 100

At% 28,85 1,87 64,97 2,88 1,42 99,99 At% 17,6 26,19 56,21 100

152







töretfelületének küls kérge

Elem O Mg Al Si K Ca Összesen Elemek C O Al Összesen

Wt% 15,43 2,49 72,06 5,06 1,21 3,75 100 Wt% 12,77 14,99 72,25 100,01

At% 23,86 2,53 66,07 4,46 0,76 2,32 100 At% 22,73 20,03 57,25 100,01

töretfelületének bels része

Elem O Mg Al Si K Ca Összesen Elemek C O Al Összesen

Wt% 15,48 1,85 76,01 4,24

At% 23,76 1,87 69,18 3,71

2,41 99,99 Wt% 11,63 15,61 72,76 100

1,48 100 At% 20,87 21,02 58,11 100

153

3.5.31. ábra: 95% tisztaságú Al2O3 próbatest töretfelületének küls kérge

3.5.32. ábra: 95% tisztaságú Al2O3 próbatest töretfelületének bels része





Elem O Al Si Összesen Elemek C O Al Összesen

Wt% 18,32 76,07 5,61 100 Wt% 12,61 18,31 69,08 100

At% 27,49 67,71 4,8 100 At% 22,08 24,07 53,85 100

Elem O Al Si Összesen Elemek C O Al Összesen

Wt% 17,25 78,22 4,53 100 Wt% 10,42 16,65 72,93 100

At% 26,05 70,05 3,9 100 At% 18,81 22,57 58,62 100

154

Miskolci Egyetem Mszaki Anyagtudományi Kar Kerámia és Szilikátmérnöki Tanszék Kerpely Antal Anyagtudományok és technológiák Doktori Iskola

Recommend Documents