Konstruktiomateriaalit Luennot / syksy 2012

Transkriptio

1 Konstruktiomateriaalit Luennot / syksy 2012 TkT Harri Eskelinen LUENTO 6 Konstruktiokeraamit 2012

2 Osaamistavoitteet Tämän luennon jälkeen opiskelija osaa: kuvailla konstruktiokeraamien käyttöä puoltavat materiaaliominaisuudet. valita sopivan konstruktiokeraamin ainakin ko. keraamin pääryhmän tärkeimmän materiaaliominaisuuden perusteella jauhemetallurgisen valmistusprosessin päävaiheet

3 Powder metallurgy / All Vuosi

4 Powder metallurgy / Dokument Type / All Erratum (5) Letter (10) Article in Press (11) Short Survey (19) Note (34) Conference Review (44) Editorial (60) Review (290) Conference Paper (2,927) Article (7,733)

5 Powder metallurgy/ Review Cost effectiveness Ceramic materials Steel Injection molding Compaction Microstructure Metallurgy Powder metals Sintering Powder metallurgy

6 1 Keraamien yleiset ominaisuudet TIHEYS Pääsääntöisesti keraamit ovat tiheydeltään metallien ja polymeerimateriaalien välimaastossa. Keveitä keraamisia materiaaleja ovat booriyhdisteet (boorikarbidi, boorinitridi) sekä piiyhdisteet (piikarbidi, piioksidi, piinitridi).

7 TIHEYS (jatkoa ) Huomattavaa on että käytännössä keraamien tiheys ei ole sama kuin teoreettinen tiheys vaan konstruktiokeraameihin jää aina huokoisuutta. Normaalisti huokoisuus on välillä 0,1-15 til-%, mutta esim. suodatinsovellutuksissa (tarkoitukselleinen) huokoisuus on välillä til-%. Huokoisuudella on suuri vaikutus keraamien ominaisuuksiin. Huokoisuus johtuu siitä, että konstruktiokeraamit valmistetaan ensin puristamalla ne muotoonsa pulverista ja sen jälkeen sintraamalla. Huokoset ovat siis jäljelle jääneitä pulveripartikkelien välisiä onkaloita.

8 SULAMISLÄMPÖTILA Keraameille on tyypillistä hyvin korkea sulamispiste metalleihin verrattuna. Oksidikeraamit ovat myös kemiallisesti hyvin stabiileja korkeissakin lämpötiloissa. Muilla kuin oksidikeraameilla hapettuminen saattaa tulla ongelmaksi korkeissa lämpötiloissa

9 LÄMMÖNJOHTAVUUS Erot eri materiaaliryhmien lämmön- ja sähkönjohtavuuksissa aiheutuvat pääasiassa materiaalia koossa pitävän sidoksen luonteesta: Metallinen sidos Runsaasti vapaita elektroneja Hyvä lämmön- ja sähkönjohtavuus Kovalenttiset sidokset polymeeriketjuissa Elektronit sitoutuneita Heikommat sähkön- ja lämmönjohtavuudet Keraameilla on sekä ioni- että kovalenttisia sidoksia Elektronit osittain sitoutuneina Keraamien lämmönjohtavuudet ovat metallien ja polymeerien välimaastossa

10 Seostuksella on suuri vaikutus keraamien lämmönjohtavuuteen Eri konstruktiokeraamien lämmönjohtavuuksia

11 LÄMPÖLAAJENEMINEN Tiiviisti pakatuissa rakenteissa lämpölaajeneminen kertautuu koko rakenteen läpi, kuten esim. metalleilla Voimakas lämpölaajeneminen Myös ionisidoskeraameissa esiintyy voimakasta lämpölaajenemista Harvemmin pakatuissa rakenteissa (kovalenttiset keraamit) osa värähtelystä absorboituu tyhjään tilaan Pienempi lämpölaajeneminen Keraameilla lämpölaajeneminen on usein anisotrooppista Räätälöinti monikiteisessä materiaalissa mahdollista

12 KIMMOMODUULI Keraamien kimmomoduuli on sidostyypistä riippuen joko metallien luokkaa tai suurempi Lämpötilan kasvaessa kimmomoduuli lievästi laskee Kimmomoduulia voidaan kasvattaa käyttämällä komposiittikoostumusta: esim. WC+Co (kovametalli): E= 600GN/ mm 2, Al 2 O 3 +SiO 2 -partikkelit + Al: E= 200 GN/mm 2 (kun vertailun vuoksi Al: E=70 GN/mm 2 )

13 LUJUUS Keraamit poikkeavat metalleista siinä, että niillä ei yleensä esiinny pysyvää plastista muodonmuutosta, vaan materiaali murtuu jännityksen kasvaessa ilman edeltävää plastista muodonmuutosta eli keraamit ovat hauraita Keraameille ilmoitetaan vain murtolujuusarvoja (vetomurtolujuus ja/tai taivutus-murtolujuus) Lujuusarvojen on voitu osoittaa riippuvan vetojännityksen alaisena olevan materiaalitilavuuden suuruudesta (materiaalivirheiden todennäköisyys, huokoisuus)

14 LUJUUS (jatkoa ) Keraamit säilyttävät lujuutensa erittäin korkeissa lämpötiloissa Metalliseoksia parempia korkean lämpötilan materiaaleja. Keraamit kestävät puristusta paljon paremmin kuin vetoa. Lujuus puristuksessa voi olla jopa 10-kertainen vetolujuuteen verrattuna.

15 LUJUUS (jatkoa ) Keraamien lujuus heikkenee kuitenkin usein korkeissa lämpötiloissa. Lujuuden heikkeneminen johtuu valmistuksen yhteydessä lisättyjen seosaineiden muodostaman lasifaasin pehmenemisestä. Raerajafaasin esiintyminen on riippuvainen keraamin valmistusprosessista ja keraamisen raaka-aineen ominaisuuksista: Puhtaalle piinitridille kuumapuristus korkeissa lämpötiloissa ei ole mahdollista, koska piinitridi ei sula vaan hajaantuu. Riittävän lujuuden ja tiheyden aikaansaamiseksi on materiaalin lisättävä lisäaineita. Tämän vuoksi kuumapuristetulla piinitridillä lasimainen raerajafaasi esiintyy. Reaktiosintratulla piikarbidilla ei lasimaista raerajafaasia esiinny, minkä vuoksi lujuus ei laske korkeissa lämpötiloissa.

16 Vaikuttavat tekijät: - HUOKOISUUS - SEOSTUS - SINTRAUSTAPA Pelkkä keraamisen materiaalin perusvalinta ei riitä vastaukseksi materiaalin valintatehtävään, vaan on ilmoitettava myös sallittu huokoisuus ja vaadittu sintraustapa sekä mahdollinen seostus. Materiaali Al 2 O 3 (0-2% huokoisuus) Taivutuslujuus (N/mm²) Al 2 O 3 + ZrO ZrO 2 + MgO ZrO mol- %Y 2 O 3 Reaktiosintrattu SiC Sintrattu SiC Reaktiosintrattu Si 3 N Sintrattu Si 3 N Kuumapuristettu Si 3 N 4 Sialon Eri konstruktiokeraamien taivutuslujuuksia

17 KOVUUS Keraamit ovat hyvin kovia verrattuna metalleihin ja muoveihin. Keraamien kovuutta voidaan hyödyntää sekä monoliittisina (läpeensä samaa materiaalia) että pinnoitteena. Kovuus muuttuu vain vähän lämpötilan kasvaessa 1000 C. Keraamien ja keraamimateriaalien joukosta löytyvät kovimmat tunnetut materiaalit (timantti, kuutiollinen boorinitridi, piikarbidi), Keraamit saavat lopullisen kovuutensa sintrauksessa.

18 SÄHKÖISET OMINAISUUDET Yleisimmät keraamit ovat hyviä eristeitä. Erikoiskeraameilla on kuitenkin hyvin monenlaisia sähköisiä ominaisuuksia; ne voivat olla johteita, eristeitä ja puolijohteita. Keraameille voidaan tuottaa on myös esim. pietsosähköisiä ominaisuuksia. Ominaisuudet ovat laajasti muunneltavissa koostumuksen, lisäaineiden ja rakenteen kautta käyttökohteiden vaatimusten mukaan. Keraamit ovat ainoa eristemateriaaliryhmä, joka kestää myös korkeita lämpötiloja ja korrosiivisia olosuhteita.

19 MAGNEETTISET OMINAISUUDET Kestomagneettisia ominaisuuksia voidaan tuottaa metallien lisäksi myös keraamisilla materiaaleilla. Keraamisia magneettimateriaaleja kutsutaan yhteisnimellä ferriitit. (HUOM! Ei tarkoita samaa kuin raudan ferriitti!) Ferriitit jaetaan eri ryhmiin niiden kiderakenteen perusteella. Heksagonaaliset ferriitit (barium-, strontium- ja lyijyheksaferriitit), kestomagneetteja, edullinen hinta Kuutiolliset ferriitit, magneettiset muistiyksiköt, muuntajien ja induktorien sydänmateriaalit

20 2 Tärkeimmät konstruktiokeraamit Konstruktiiviset keraamit jaetaan kolmeen pääryhmään: oksidikeraamit, piipohjaiset keraamit ja muut keraamit. Oksidikeraameista yleisimmin käytettyjä ovat alumiinioksidi ja zirkoniumoksidi. Piipohjaisista tärkeimmät ovat piikarbidi, piinitridi ja sialon. Muista keraameista tärkein on alumiininitridi.

21 2.1 Alumiinioksidit Al 2 O 3 Tällä hetkellä käytetyin konstruktiokeraami on alumiinioksidi. Sen markkinaosuus kaikista konstruktiokeraameista on yli 50% ja sen sovellutusalueet ovat hyvin laajat. Alumiinioksidia käytetään paljon sen hyvän kemiallisen ja sähköisen eristyskyvyn vuoksi. Myös lujuuden säilyminen erittäin korkeissa lämpötiloissa on yksi alumiinioksidin hyvistä ominaisuuksista. Alumiinioksidi on pääsääntöisesti muita konstruktiokeraameja edullisempaa. Kuten konstruktiokeraameilla yleensäkään, ei alumiinioksidillekaan ole olemassa materiaalistandardeja, vaan materiaalien ominaisuudet ovat valmistajakohtaisia.

22 Alumiinioksideja valmistetaan ja käytetään eri puhtausasteisina käyttökohteen vaatimuksista riippuen. Nimitystä alumiinioksidi käytetään keraameista joiden alumiinioksidipitoisuus on suurempi kuin 80%. Alumiinioksidien rakenne ja ominaisuudet riippuvat voimakkaasti valmistusmenetelmän ja prosessiparametrien lisäksi lähtöaineiden puhtaudesta ja valmistuksessa käytetyistä lisäaineista.

23 Puhtaan alumiinioksidin sintraaminen on hyvin vaikeaa ja kallista. Siksi alumiinioksidiin lisätään esimerkiksi piidioksidia (SiO 2 ). Seostuksella saadaan aikaan lasimainen raerajafaasi, joka helpottaa tiivistymistä ja alumiinioksidin sintraamista, mutta samalla tämä raerajalla olevan lasimaisen faasin pehmeneminen ja osittainen sulaminen korkeissa lämpötiloissa heikentää tällaisen alumiinioksidin korkean lämpötilan lujuutta, kovuutta ja kimmomoduulia. Eri alumiinioksidilaatujen ominaisuuksien voimakas riippuvuus puhtaudesta ja huokoisuudesta on keskeisessä asemassa oikeaa materiaalia valittaessa. Kun esimerkiksi teräksillä voidaan kimmomodulia pitää lähes vakiona, vaihtelee alumiinioksidin kimmomoduuli arvo välillä GPa.

24 Alumiinioksidit Alumiinioksidin sovellutusalueita: Kulumiskestävyys, kovuus ja lujuus, kemiallinen kestävyys: Työstöterät, hioma-aineet Laakeri- ja liukupinnat Palloventtiilien liukupinnat Happopumppujen osat Sähköneristävyys: piirilevyjen alustat, diodien ja transistorien kotelot

25 Alumiinioksidit Materiaalin valinnassa Alumiinioksidi ei olevielä riittävä vastaus

26 2.2 Alumiininitridi AlN Alumiininitridi AlN on esimerkki materiaalista, jonka kehitystyön perustana on selvä tilaus tiettyjen materiaaliominaisuuksien yhdistelmälle: Tehoelektroniikan ja mikroaaltoputkien alustalevynä tarvitaan materiaalia, joka johtaa hyvin lämpöä, mutta on samalla hyvä sähköneriste. (Alumiininitridillä on metallien luokkaa oleva lämmönjohtavuus, mutta se on sähköisesti hyvä eriste) Vertailun vuoksi Metallit ovat hyviä sähkön- ja lämmönjohteita Keraameista alumiinioksidi on hyvä sähkön- ja lämmöneriste. Keraameista zirkoniumoksidi on hyvä lämmön eriste, mutta johtaa sähköä.

27

28 2.3 Piikarbidi SiC Piikarbidia käytetään erityisen kuumissa käyttöolosuhteissa (esim. kaasuturbiinisovellukset) sekä hiontamateriaalina. Piikarbidilla on piinitridiä parempi hapettumiskestävyys ja korkean lämpötilan lujuus. Sen sijaan huoneen lämpötilan lujuusominaisuudet ovat heikompia. Vaikka piikarbidi onkin kemiallisesti suhteellisen stabiili, se reagoi hyvin voimakkaasti sulien metallien kanssa (Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co ja Ni). Piikarbidia valmistetaan monella eri tavalla: sintrattu piikarbidi (SSC) kuumapuristettu piikarbidi (HPSC) reaktiosintrattu piikarbidi (RSSC = reaction sintered silicon carbide, SiSiC).

29 Piikarbidi SiC Piikarbidin ominaisuudet tyypillistä sovelluskohdett varten (kuumat käyttöolosuhteet) Ominaisuus Kovuus Tiheys Kimmomoduli Hyvä lämpöshokin kestävyys 3000 HV 3,3 g/cm³ >400 GPa Korkea hajaantumislämpötila 2830 C Korkea käyttölämpötila hapettavissa olosuhteissa aina 1400 C asti Huom! Pieni lämpölaajenemiskerroin ja hyvä lämmönjohtavuus

30 Materiaali Lujuus Raekoko Raekoko Tiheys Kimmomoduli MPa min μm max μm g/cm³ GPa Huomaa: 1. Kaupalliset nimikeet 2. Sintraustavan ja raekoon vaikutus ominaisuuksiin Kuumapuristettu piikarbidi Norton NC ,4 10 3, Ceradyne 146A 413 4,1 30 3, Ceradyne 146I , Sintrattu piikarbidi General Electric β-sic 439 0, , Carborundum α-sic , Kyocera α-sic 386 1, , Materiaalin valinnassa SiC ei ole vielä riittävä vastaus Reaktiosintrattu piikarbidi Norton NC , Norton NC ,10 UKAEA BNF Refel 232 0, , Coors SC , , Piikarbidin kaupallisia nimikkeitä

31 Piikarbidien käyttökohteita ovat: Lämmitysvastukset (piikarbidi johtaa sähköä) Lämmönvaihtimet Polttouunien vuoraukset Metalliteollisuuden upokasmateriaalina (huomaa rajoitukset eräille metallisulille) Sulan metallin kaatorännit (huomaa rajoitukset eräille metallisulille)

32

33 2.4 Piinitridi Si 3 N 4 Piinitridit kehitettiin samoihin käyttökohteisiin kuin piikarbidit (kaasuturbiinikäyttösovellukset) Suuri kimmomoduuli, kovuus ja lujuus korkeissa lämpötiloissa. Materiaalin etuna on myös verraten pieni tiheys (noin 3,2 g/cm³). Lisäksi piinitridillä on parempi lämpöshokin kestävyys piikarbidiin verrattuna. Piinitrideihin muodostuva SiO 2 -kalvo suojaa materiaalia hidastaen hapettumista ja mahdollistaen käytön korkeassa lämpötilassa.

34 Piinitridin kimmomoduuli vaihtelee välillä GPa. Konstruktiokäyttöön soveltuvien piinitridien perustyyppejä ovat valmistusmenetelmien mukaan jaoteltuna useita eri lajeja: Kuumapuristettu piinitridi (Hot Pressed Silicon Nitride, HPSN), Isostaattisesti kuumapuristettu piinitridi (Hot Isostatic Pressed Silicon Nitride, HIPSN), Sintrattu piinitridi (Sintered Silicon Nitride, SSN) ja Reaktiosintrattu piinitridi (Reaction Bonded Silicon Nitride, RBSN).

35 Piinitridi Piinitridin sintraamista vaikeuttaa se, että piinitridi hajoaa sintrauksen kannalta alhaisissa lämpötiloissa ( C). Lisäämällä piinitridiin raerajoilla lasifaasin muodostavia yhdisteitä voidaan sintraamista helpottaa. Lisäaineina käytetään tyypillisesti yli 10% metallioksideja MgO, Y 2 O 3 ja CeO 2. Lisäaineiden käytön haittapuolena on lasimaisen raerajafaasin heikentävä vaikutus korkean lämpötilan ominaisuuksiin.

36 Materiaali Kimmomoduli GPa Huomaa: 1. Kaupalliset nimikeet 2. Sintraustavan ja seostuksen ominaisuuksiin Materiaalin valinnassa Si 3 N 4 ei ole vielä riittävä vastaus Kuumapuristettu piinitridi Norton NC-132 HPSN (1% MgO) 325 Norton NCX-34 HPSN (8% Y 2 O 3 ) 335 Kyocera SN-3 HPSN 252 Harbison-Walker HPSN (10% CeO2) 327 Toshiba HPSN (4% Y 2 O 3 + 3% Al 2 O 3 ) 305 Westinghouse HPSN (4% Y 2 O 3 + SiO 2 ) Sintrattu piinitridi 305 Kyocera SN-201 SSN 237 GTE SSN (6% Y 2 O 3 ) 290 AiResearch SSN (8% Y 2 O 3 + 4% Al 2 O 3 ) Reaktiosintrattu piinitridi 309 Norton NC-350 RBSN 190 Laatu SSN HPSN RBSN Kovuus HV HV HV AiReserch RBN-104 RBSN - Kaupallisia piinitridilaatuja

37

38

39

40 2.4.1 Sialon Sialon -nimitys tulee materiaalissa olevista alkuaineista Si-Al-O-N. Kyseessä on siis piinitridi-laji, jossa piitä on korvattu alumiinilla ja typpeä hapella. Sialonissa yhdistyvät piinitridin mekaaniset ominaisuudet ja alumiinioksidin kemiallinen kestävyys. Sialonien tärkein sovellutusalue ovat keraamiset työstöteräpalat. Muita sovellutusalueita ovat erilaiset hitsaussuuttimet, laakerit ja pienet turbiinin siivet.

41

42 2.5 Zirkonium(di)oksidi ZrO 2 Zirkoniumoksidi on mielenkiintoinen sillä esiintyvän polymorfian vuoksi.

43 Zirkoniumoksidi Puhdas stabiloimaton zirkoniumoksidi Tetragonaalinen monokliininen -muutoksen kohdalla havaitaan faasimuutokseen liittyvä voimakas epäjatkuvuuskohta pituuden ja tilavuuden muutoksessa. Tämä aiheuttaa niin suuren rasituksen materiaaliin, ettei puhdasta zirkoniumoksidia voida käyttää konstruktiotarkoituksiin.

44 Zirkoniumoksidi Täysin stabiloitu zirkoniumoksidi Ei-toivotun faasimuutoksen välttämiseksi Zirkoniumoksidia käytetäänkin stabiloidussa muodossa, jolloin sillä on laajalla lämpötila-alueella kuutiollinen kiderakenne. Zirkoniumoksidin stabilointiin käytetään esimerkiksi kalsiumoksidia (CaO). Valitettavasti täysin stabiloidulla kuutiollisella zirkoniumoksidilla on alhainen lujuus ja huono lämpöshokin kestävyys. Näin ollen se ei sovellu käytettäväksi mekaanisesti kuormitettuihin rakenteisiin.

45 Zirkoniumoksidi Osittain stabiloitu zirkoniumoksidi Osittainen stabilointi jättää osan zirkoniumoksidista tetragonaaliseksi. Osittainen stabilointi voidaan tehdä esim. seostamalla ytriumoksidia (Y 2 O 3 ) tai ceriumoksidia (CeO 2 ). On havaittu, että osittain stabiloidullka zirkoniumoksidilla hallittu faasimuutos tetragonaalisen ja monokliinisen faasin välillä sitoo aineen murtumaan tarvittavaa energiaa. Tätä kutsutaan faasimuutos-sitkistämiseksi. Osittain stabiloidusta zirkoniumoksidista käytetään englanninkielistä lyhennettä PSZ (Partially Stabilized Zirkonia).

46 Zirkoniumoksidi Zirkoniumoksidin eri faasimuunnosten pituuden muutos lämpötilan funktiona

47 Paitsi zirkoniumoksidia itseään voidaan myös muita keraameja esim. alumiini-oksidia sitkistää samalla mekanismilla lisäämällä alumiinioksidin sekaan zirkoniumoksidia. Tällöin puhutaan zirkoniumoksidin avulla sitkistetystä alumiinioksidista (Zirkonia Toughened Alumina, ZTA). Näin saadaan alumiiniumoksidin sitkeys kasvamaan jopa kolminkertaiseksi.

48 Zirkoniumoksidi Zirkoniumoksidin käyttökohteita: Zirkoniumoksidi on ionijohde; sähkönjohtavuus perustuu O 2 - ionien kulkemiseen rakenteessa. Ilmiötä voidaan hyödyntää molempiin suuntiin: sähkövirta aiheuttaa hapen liikkumisen tai hapen liikkuminen aiheuttaa sähkövirran. Autojen happianturit katalysaattorin toiminnan optimoimiseksi Happianturit teollisissa sovellutuksissa, esimerkiksi lämpökäsittelyuuneissa ja terässulan analyyseissä

49 Termiset käyttökohteet: Korkean lämpötilan uunien vuorausmateriaalina Lämmöneristepinnoitteena, esimerkiksi termiset suojakerrokset (Thermal Barrier Coatings, TBC superseosten pinnalla). Mekaanista kestävyyttä vaativat kohteet: Polttomoottorin venttiilien istukat, männän hattu, sylinterien vuoraus

50

51 ZIRCONIUM OXIDE CERAMIC FOAM FILTERS Unit porosity(percentage ): Density (g /cm 3 ): 1.0 Approximate use temperature 1700 C. Thermal shock resistance: in 1110 C above 7 times

52 2.6 Boorikarbidi B 4 C ja -nitridi BN Boorikarbidi B 4 C käytetään esimerkiksi panssaroitujen ajoneuvojen koreissa (hyökkäysvaunut, helikopterit) ydinreaktoreiden osat (neutronisuojat) vesisuihkuleikkauksen suuttimet neljänneksi kovin tunnetuista materiaaleista Boorinitridi BN eri olomuotoja (nestemäisenä grafiitin kaltainen voiteluaine ja kiteisenä abrasiivi) kolmanneksi kovin tunnetuista materiaaleista

53 Lujuus! Huomaa puristussuunta ja eri lajit BO, CA, XP! Lämpötilankesto!

54 Applications of Boron Carbide

55 3 Muita konstruktiokeraameja Sähköteknisiin sovelluksiin: Bariumtitanaatti sähkötekniset sovellukset (mekaaniset, sähköiset ja termiset ominaisuudet kytkettyjä toisiinsa) Lyijy-zirkoni-titanaatti PZT sähkötekniset sovellukset (mekaaniset, sähköiset ja termiset ominaisuudet kytkettyjä toisiinsa) Lisäksi piezosähköiset sovellukset

56 Muita konstruktiokeraameja Sähköteknisiin sovelluksiin: Magnesiumbooridi MgB 2 sähkötekniset sovellukset, superjohde Ytrium-barium-kuparioksidi (YBa 2 Cu 3 O 7-x ) sähkötekniset sovellukset, superjohde korkeissa lämpötiloissa Sinkkioksidi ZnO sähkötekniset sovellukset, puolijohdetekniikka

57 Yhteenveto tärkeimpien keraamien ominaisuuksista Konstruktiokeraamien pääryhmä ALUMIINIOKSIDIT ALUMIININITRIDIT PIIKARBIDIT PIINITRIDIT (Si 3 N 4 ) SIALON (piinitridin yksi laji) ZIRKONIUMOKSIDI Tärkein materiaaliominaisuus, jonka vuoksi käytetään teollisissa sovelluksissa Alumiinioksidi on muita konstruktiokeraameja edullisempaa. Johtaa hyvin lämpöä, mutta on samalla hyvä sähköneriste. Piikarbidia käytetään erityisen kuumissa käyttöolosuhteissa Piinitridillä on parempi lämpöshokin kestävyys piikarbidiin verrattuna. Sialonissa yhdistyvät piinitridin mekaaniset ominaisuudet ja alumiinioksidin kemiallinen kestävyys. Keraameja voidaan sitkistää lisäämällä niihin zirkoniumoksidia. Zirkoniumoksidi on ionijohde (sähkövirta aiheuttaa hapen liikkumisen tai hapen liikkuminen aiheuttaa sähkövirran). BOORIKARBIDI BOORINITRIDI Neljänneksi kovin tunnetuista materiaaleista Kolmanneksi kovin tunnetuista materiaaleista

58 4 Keraamien valmistusprosessien asettamat vaatimukset Arvioitaessa konstruktiokeraamien sopivuutta konstruktiomateriaaliksi on tunnettava niiden materiaaliominaisuuksien lisäksi: jauhemetallurgiset valmistusprosessit rajoitteineen ja mahdollisuuksineen jauhemetallurgisesti valmistettavan tuotteen suunnitteluohjeet jauhemetallurgiseen prosessiin sopivat materiaalit ja niiden yhdistelmät

59

60

61

62

63

64

65 4.1 Geelivalu Tärkein syy menetelmän käytölle on tuottaa keraamisia komponentteja, jotka voidaan koneistaa ennen sintrausta, jolloin lastuavien terien ja työkalujen kustannukset saadaan laskemaan.. Geelivalun vaiheet: 1. Jauheen jauhatus ja sekoitus ja vesipolymeeriseoksen valmistus. 2. Tyhjökäsittely ilmakuplien poistamiseksi. 3. Polymeraatioreaktion käynnistäminen katalyytin avulla. 4. Keraamisen liuoksen valaminen metalli-, lasi-, muovitai vahamuottiin.

66 5. Geelin synnyttäminen kuumentamalla muottia. Lämmön ja katalyytin yhteisvaikutuksesta syntyy kumimainen materiaali, joka muotoutuu muotin mukaiseksi. 6. Koska nesteen valaminen ja sen jähmettäminen geeliksi tapahtuvat erikseen, voidaan välttää monia pursotuksen tai ruiskupuristuksen valmistusvirheitä, jotka johtuvat vääräaikaisesta jähmettymisestä. 7. Kappaleen irrotus muotista. 8. Kuivaus (kappale kutistuu n. 3 %). 9. Tarvittaessa koneistus. 10. Polymeerijäänteiden polttaminen +550 C ja loppusintraus C

67

68 Esimerkkejä alumiinioksidista, piikarbidista, ferriitistä ja piinitridistä geelivalulla tehdyistä koneenosista.

69

70 SHS-menetelmä SHS-menetelmä (Self Propagating High Temperature Synthesis) perustuu jauhemaisten lähtöaineiden välillä tapahtuvaan voimakkaasti lämpöä tuottavaan (eksotermiseen) reaktioon Reaktio käynnistetään kuumentamalla jauheseos paikallisesti syttymislämpötilaan, jonka jälkeen reaktio etenee palorintamana jauheseoksen läpi ilman ulkoista lämmöntuontia. Lopuksi suoritettaan jauhemassan tiivistys puristamalla. Mahdollisia materiaaleja keraamiset metallit, kovametallit ja eri metallien väliset seokset, metalliset komposiitit Sopii mm. paksujen pinnoitusten valmistamiseen