Keraamien ominaisuudet ja valmistus

Transkriptio

1 Prof. Erkki Levänen Keraamimateriaalit Materiaaliopin laboratorio Teknisten tieteiden tdk Välkky-työpaja Keraamien ominaisuudet ja valmistus

2 SISÄLTÖ: Konstruktiokeraamit Oksidikeraamit Ei-oksidikeraamit Yleistä keraamien ominaisuuksista lujuus, sitkeys Keraamien ja keraamikomposiittien valmistuksen periaatteet Työstö Liittäminen 2

3 Konstruktiokeraamit ovat erikoiskeraamien alaryhmä. Englanninkielisessä terminologiassa konstruktiokeraameista käytetään nimityksiä "engineering ceramics" ja "structural ceramics". Konstruktiokeraamien tyypillisiä hyödynnettäviä materiaaliominaisuuksia ovat: - korkea sulamispiste, - hyvä terminen ja kemiallinen stabiilisuus, - kovuus ja siitä aiheutuva hyvä kulumiskestävyys, - suuri jäykkyys ja puristuslujuus - alhainen tiheys Keraamien käyttöä rajoittavia tekijöitä ovat: - hauraus, - lujuusominaisuuksien suuri hajonta - korkea hinta - vaikea työstö - valmistusmenetelmiin liittyvät muoto- ja kokorajoitukset

4 4

5 Esimerkkejä konstruktiokeraameista; huomaa niiden käyttö yhdessä metallien kanssa 5

6 Konstruktiokeraamit: Oksidit 6

7 Konstruktiokeraamit: Muut kuin oksidit Piikeraamit 7

8 Konstruktiokeraamit: Eri materiaalit eri kuormitus lämpötilaalueisiin 8

9 Konstruktiokeraamien tärkeimpiä käyttöominaisuuksia: Kimmomoduuli Esimerkkejä tärkeimpien keraamien kimmomoduulin lämpötilariippuvuudesta -lämpölaajeneminen/lämpövärähtely kasvattaa sidosetäisyyyttä, mikä pienentää hieman kimmomoduulia 9

10 Konstruktiokeraamien tärkeimpiä käyttöominaisuuksia Hauras-sitkeä - muodonmuutoskäyttäytyminen Luennot Kevät 2010 Tapio Mäntylä 10

11 Teoreettinen lujuus (1) Teoreettinen lujuus, s th = vetojännitys, joka tarvitaan rikkomaan materiaalin atomisidokset ja vetämään atomit erilleen s th = Ł E g a O ł 1/ 2 missä s th = teoreettinen lujuus E = kimmomoduuli g = murtopintaenergia a O = atomien välinen etäisyys Keraamien teoreettinen lujuus on tyypillisesti (1/10 1/5) E 11

12 Teoreettinen lujuus (2) Käytännön materiaaleilla ei teoreettista lujuutta kuitenkaan ole saavutettu, koska materiaalit sisältävät erilaisia jännistyskeskittymiä aiheuttavia rakennevirheitä 12

13 Keraamin lujuus tasaisen yksiaksiaalisen jännityksen alaisena c = murtumaan johtava kriittinen vikakoko, Y = dimensioton kuormitusgeometriasta tuleva vakio, K Ic = materiaalin murtositkeys Lujuuden parantaminen: --> virhekoon pienentäminen --> murtositkeyden parantaminen 13

14 Luennot Kevät 2010 Tapio Mäntylä 14

15 15

16 Keraamien jauhepohjaiset valmistusmenetelmät Teknisten keraamien valmistuksen tärkeimmät vaiheet: 1. Jauheiden valmistus: partikkeliominaisuudet, koko, kokojakauma muoto ja puhtaus 2. Jauheiden käsittely: jauhatus, seostus, granulointi ja luokittelu 3. Kappaleen muotoilu eli jauheen kompaktointi 4. Sintraus 5. Jälkityöstö, liittäminen ja jälkikäsittelyt 6. Laadunvarmistus

17

18 Jauheiden valmistus Hyvältä jauheelta eli ns. ideaaliselta jauheelta edellytetään seuraavia ominaisuuksia: 1. Pieni partikkelikoko, esim < 1 mm 2. Kapea partikkelikokojakauma 3. Moniaksiaalinen raemuoto, mieluummin pyöreä 4. Vähäinen taipumus agglomeroitumiseen eli useampien partikkeleiden muodostamien ryhmien muodostamiseen 5. Tarkasti säädelty rakenteellinen (esim. kidemuoto) ja kemiallinen puhtaus

19 Jauhe ja sen ominaisuudet heijastuvat lopputuotteen ominaisuuksiin eikä niissä esiintyviä virheitä tai negatiivisia ominaisuuksia pystytä prosessoinnin myöhemmässä vaiheessa eliminoimaan.

20 Jauheiden valmistus Perinteisen keramiikan raaka-aineet ovat pääsääntöisesti erilaisia luonnon mineraaleja, kuten pallosavi, maasälpä, jne. Tekniset keraamit valmistetaan erikseen valmistetuista puhtaista yhdisteistä kuten, Al 2 O 3, ZrO 2, Si 3 N 4, SiC, AlN jne.

21 Jauhatus: - kuulamyllyt -suihkujauhatus

22 Attriittorit helmimyllyt Suihkujauhatus

23 Ominaispinta-ala Partikkelikoon ja ominaispinta-alan välinen suhde Jauheiden ominaisuuksia Ominaispinta-ala: Kuutiosentti materiaalia, jonka tiheys r = 1 g/cm 3, pinta-ala on 6 cm 2 Jos kuutio jaetaan pienempiin kuutioihin, joiden särmä on 1 mm, niin näiden partikkelien kokonaispinta-ala on cm 2 (10000x) eli samalla tiheydellä ominaispinta-ala on 6 m 2 /g

24

25 Keraamien jauhepohjaiset valmistusmenetelmät Teknisten keraamien valmistuksen tärkeimmät vaiheet: 1. Jauheiden valmistus: partikkeliominaisuudet, koko, kokojakauma muoto ja puhtaus, jauhatus 2. Jauheiden käsittely: seostus, granulointi ja luokittelu 3. Kappaleen muotoilu eli jauheen kompaktointi 4. Kuivaus ja sintraus 5. Jälkityöstö, liittäminen ja jälkikäsittelyt 6. Laadunvarmistus

26 JAUHEIDEN KÄSITTELYT Jauheisiin lisätään eri muodonantomenetelmien ja sintrauksen edellyttämät lisäaineet, - dispergointiaineet (lietepohjainen prosessointi) - sideaineet (joilla pidetään muotoiltu komponentti koossa ennen sintrausta vihreässä tilassa) - plastisointi- eli pehmitinaineet (helpottaa muodonantoa plastisen muovauksen yhteydessä) - voiteluaineet (edesauttavat homogeenisen tiheysjakauman saavuttamista puristuksessa ja vähentävät muotin kulumista) - sintrauslisäaineet (edistävät rakenteen tiivistymistä, spesifisiä kullekin materiaalille)

27 Kolloidinen prosessointi, partikkelien väliset voimat elektrostaattinen Steerinen solvataatio ja depleetiovoimat (liuoksesta riippuvat)

28 Keraamien jauhepohjaiset valmistusmenetelmät Teknisten keraamien valmistuksen tärkeimmät vaiheet: 1. Jauheiden valmistus: partikkeliominaisuudet, koko, kokojakauma muoto ja puhtaus, jauhatus 2. Jauheiden käsittely: seostus, granulointi ja luokittelu 3. Kappaleen muotoilu eli jauheen kompaktointi 4. Sintraus 5. Jälkityöstö, liittäminen ja jälkikäsittelyt 6. Laadunvarmistus

29 Jauheiden käsittely: Spray-kuivaus Valmistetaan sopivan kokoisia (esim. d= 50 mm) pallomaisia partikkeleita. (agglomeraatteja, jotka muodostuvat pienistä primääripartikkeleista, ja ovat ns. pehmeitä agglomeraatteja, jotka rikkoutuvat helposti muodonannon yhteydessä)

30 Esimerkkejä teollisten spray-kuivattujen jauheiden tyypillisistä ominaisuuksista

31

32 Keraamikomponenttien muodonanto

33 1) 4) 2) 3) Muodonantomenetelmät Yleisimpiä muodonantomenelmiä ovat: 1) puristus - aksiaalinen (kuiva tai märkä) - isostaattinen kylmäpuristus (- aksiaalinen kuumapuristus) (- isostattinen kuumapuristus) 2) lietevalu 3) ruiskuvalu 4) suulakepuristus sekä lukuisia erikoismenetelmiä Muotoiltua kappaletta ennen sintrausta kutsutaan vihreän tilan kappaleeksi Nämä eri menelmät edellyttävät erilaista lisäaineistusta.

34 Aksiaalipuristus; kuivapuristus Tyypillisesti 0,5 5% orgaanista sideainetta Kuivapuristus (0 4% kosteutta jauheessa) - granuloitu jauhe (esim. spraykuivaus) - korkea puristuspaine J etuja - nopeus - helppo automatisoitavuus - mittatarkkuus L haittoja - korkeus/halkaisijasuhde rajoitettu - sopii vain yksinkertaisille muodoille - kappaleen tiheys ei ole tasainen - sopii vain pienille kappaleille - muotin kuluminen

35 Aksiaalipuristus; märkäpuristus Märkäpuristus (10 15% kosteutta jauheessa) - savimainen plastinen koostumus - puristuksen jälkeiset muutokset mahdollisia (plastisuus) - vaikeasti automatisoitavissa - huono mittatarkkuus

36 Rakenteen muuttuminen puristuksen yhteydessä bimodaalisella huokoskokojakaumalla

37 Tyypillisiä ongelmia puristetun kappaleen poistossa muotista: Laminaattisäröt: - suuri kitka muotin ja kappaleen välillä - tahmautumista muotin seinämään - kappaleeseen varastoituu kimmoenergiaa puristuksessa - kappaleen lujuus alhainen Päädyn irtoaminen: - kimmoinen energia suuri - kappaleen lujuus alhainen - kimmoinen energia eri suuri eri osissa kappaletta Seurausta muotin ja puristeen välisestä kitkasta sekä kimmoenergian varastoitumisesta kappaleeseen; ns. springback-ilmiö

38 Muodonanto: Kylmä isostaattinen puristus (Cold Isostatic Pressing, CIP) Menetelmässä paine tuodaan esim. kumisen muotin avulla muotoiltavan kappaleen ympärille siten, että se tiivistää kappaletta isostaattisesti. Kaksi eri perustekniikkaa: - märkämuottimenetelmä (märkäpussi, wet bag) - kuivamuottimenetelmä (kuivapussi, dry bag)

39 3) Muodonantomenetelmät 2) Lietevalu: 1) - keraaminen jauhe on suspensiona lietteessä, joka kaadetaan kipsimuottiin - muotin huokoset imevät lietteestä nestettä, jolloin jauhe kerrostuu muotin seinämille. - yksinkertainen; sopii hyvin myös laboratorioja pilot-mittakaavaan. 4) 2) - Vaatii lietteen hallintaa; reologia, stabiilisuus, jne. Vaiheet: jauheen dispergointi, sideaineistus, muiden lisäaineiden lisäys,ilmanpoisto, valu muottiin, ylimääräisen lietteen poisto, kuivaus ja kappaleen irroitus muotista

40

41 Lietevalu

42 Lietevalu

43

44 3) Muodonantomenetelmät 3) Ruiskuvalu 1) Keraamisen jauheen ja termoplastisen polymeerin (25 50%) muodostama kuumennettu massa puristetaan metallimuottiin. Ennen sintrausta polymeeri poistetaan kuumentamalla. 4) Soveltuu monimutkaisten, muulla tavalla vaikeasti muotoiltavien kappaleiden valmistamiseen, esim. turboahtimen roottorit ja kaasuturbiinien siivet. 2)

45 Ruiskuvalu J etuja: - halpa (kun sarjakoot ovat suuria) - soveltuu monimutkaisille kappaleille - kappaleet sintrauksen jälkeen lopullisissa mitoissa; sinrauskutistuma huomioitu muotin mitoissa - kappaleen tasainen tiheys hallittavissa - sintrauksessa tapahtuva kutistuma pystytään ennakoimaan tarkasti L haittoja - sideaineen (polymeeri) poisto hidas ja vaikea vaihe - suuret pääomakustannukset (kone ja muotit) - ei sovellu pienille sarjoille - muutokset kalliita (muotin muutos)

46 3) Muodonantomenetelmät 4) Suulakepuristus (ekstruusio) 1) Periaatteeltaan samanlainen kuin ruiskuvalu Plastinen massa puristetaan suulakkeen läpi, jolloin voidaan valmistaa poikkipinnaltaan vakiona pysyviä kappaleita. Poikkipinta voi olla hyvinkin monimutkainen 4) 2)

47

48 Keraamien jauhepohjaiset valmistusmenetelmät Teknisten keraamien valmistuksen tärkeimmät vaiheet: 1. Jauheiden valmistus: partikkeliominaisuudet, koko, kokojakauma muoto ja puhtaus, jauhatus 2. Jauheiden käsittely: seostus, granulointi ja luokittelu 3. Kappaleen muotoilu eli jauheen kompaktointi 4. Kuivaus ja sintraus 5. Jälkityöstö, liittäminen ja jälkikäsittelyt 6. Laadunvarmistus

49 Lämpökäsittelyn eri vaiheet Kuivaus - Nesteen poisto kappaleesta hallitusti ympäristöön. - Yleensä höyrystämällä, harvemmin nesteenä. - Kuivuminen aiheuttaa kapillaarivoimien kautta jännityksiä ja kappaleen kutistumisen. - Jäännöskosteus sintrauksessa aiheuttaa helposti kappaleen rikkoutumisen Hallittu, yleensä hidas, nesteen höyrystäminen Apuaineiden poisto - Apuaineiden hapettaminen ja muodostuvan reaktiotuotteen poisto huokosten kautta. - Sideaineiden määrä riippuu voimakkaasti muodonantomenetelmästä - Hidas lämmitys tai pito kriittisillä alueilla (n o C), kaasujen poisto! - Reaktiot loppuun ennen tiivistymistä Sintraus Poltto/pyrolyysi ilman suuria jäämiä - Jauhekompaktin tiivistäminen (pintoihin sitoutuneen energian avulla) - Kutistuminen, huokosten poisto, rakeiden kasvu - Lämpötila tyypillisesti 0,5 0,8 sulamislämpötilasta Tiivis rakenne mahdollisimman matalassa lämpötilassa

50 Structural changes in manufacturing of a sintered ceramics DV ~ 10-15% Forming Sintering Raw powder Formed product Sintered product d= 45-70% d» 100% Sintering T =high Al 2 O 3 ~ o C Si 3 N 4 ~ o C SiC ~ o C

51 Huomaa sintrauskutistuma

52 Sintrauksen alkuvaihe (initial stage) Syksy 08 52

53 Sintrauksen toinen vaihe (second stage, intermediate stage)

54 Sintrauksen loppuvaihe (final stage)

55 Sintraus Muodonanto ja sintraus yhdistetty kuumapuristuksessa ja isostaattisessa kuumapuristuksessa

56 Keraamikomponenttien työstö

57

58

59

60

61

62

63

64

65