1

Fémek technológiája 2003.

MECHANIKAI TECHNOLÓGIA ÉS ANYAGSZERKEZETTANI TANSZÉK

dr. Németh Árpádarpinem@eik.bme.hu

Kerámiák és Kerámiák és kompozitokkompozitok(gyakorlati el(gyakorlati elookkéészszííttoo))

Kerámiák

• A kerámia a görög (kiégetett) szóból ered. Egykor kizárólag az agyagból, (AI2O3.2SiO2.2H2O)-kaolinból (porcelánföld) kialakított, majd kiégetett cserépporcelán tárgyakat értették kerámia alatt. Az égetett anyag megjelenése az i.e. 12-11 évezredre tekint vissza

• Az ember által készített „nagyteljesítményu kerámiák” szervetlen, nem fémesen viselkedo anyagok (nincs villamos ellenállás és ridegek)

• Atomi kötésük „eros”: ionos vagy kovalens

A kerámiák osztályozása

• EgyatomosakGrafit, Gyémánt,Szilicium, germánium

egykristályok (félvezetok)

Vegyületkerámiák:

Oxidok Al2O3, ZrO2, ThO2…Karbidok SiC, TiC, ….Nitridek TiN, Si3N4, AlN, KarbonitridekHidrátok: cement, betonBoridok: BN stb

A muszaki kerámiák jellemzoikis suruség az esetek többségében nagy olvadáspont nagy rugalmassági határ nagy keménység nagy kopásállóság nagy nyomószilárdság nagyfokú kémiai stabilitás nagy melegszilárdság, nagy korrózióállóság nagy villamos ellenállás 107-1016 Ω m, jól polarizálhatók, nagy dielektromos állandó (ε =50-80)

és ugyanakkor ridegség, törékenység mikrorepedések jelenléte kis hosokkállóság nehéz gyárthatóság, viszonylag magas ár

2

Nagyteljesítményu kerámiák

Alkalmazások

Vágó-, csiszoló-, kenoanyagok, motorok,

turbinák, gépelemek, csapágyak

Elektródák, hocserélok, kemencék

Hordozók, érzékelok, beavatkozók, mágnesek

Tulajdonságok Szilárdság, merevség, kopásállóság, súrlódás

Hovezetés, hoszigetelés, kis

hotágulás

Villamos vezetés és szigetelés, félvezetés,

mágnesesség, szupravezetés

Funkciók Mechanikai Termikus Villamos+ mágneses

Alkalmazások Vegyi berendezések, katalizátorhordozók, fog és csontpótlások

Kábelek, fénycsövek, fénydiódák

Futoelemek, moderátorrúdak,

páncélzat

Tulajdonságok Biokompatibilitás,

korrózió, abszorpció, katalizis

Fénytörés, fényvezetés, fluoreszencia

Sugárzás, ho és korrózióállóság

Funkciók Vegyi+biológiai Optikai Atomtechnikai

Kerámia alkatrészek eloállítása

Általában porkohászati úton (ritkán öntve-SiO2 üvegek adalékokkal)

• IszapöntésselÖntoiszapos eljárásNyomás alatti présöntésFröccsöntésCentrifugál öntés

• Porsajtolással

+Zsugorítás (szinterelés-kiégetés)

Néhány kerámia termék kiégetési (szinterelési) homérséklete

• cserép, tégla 700-900 oC• klinker tégla 1150-1250 oC• csempe, ipari koanyag 900-1300 oC• porcelán >1300 oC• WC-Co 1350-1450 oC• AI2O3, korund 1400-1900 oC• Si3N4 1700-1850 oC

Kerámia szálak és tukristályokAnyag ρ

g/cm3 E

GPa Rm MPa

Kevlar 1,45 125 2700 Karbonszál 1,95 390 2200-2700 Bór szál 2,3 5500 3800-10000 Üvegszál 2,5 98 4500 Kvarcüveg szál 2,5 105 10000 58AI2O3 15Si02 szál ∅ 9µ 3,2 250 2600

AI2O3 ∅ 20µm 3,95 380 1450

Acél (≅0,8%) huzal 7,8 210 4000 W-szál 19,3 360 5500 SiC szál Nicalon 3,2 410 3800 Siw tukristály 2,3 180 7000 Karbon tukristály 2,2 690 15000-20000 Few tukristály 7,8 210 12000 AI2O3 tukristály 3,9-4 430-580 10000-21000 Si3N4 tukristály 3,2 380 10000-14000 SiCw tukristály 3,2 700 20000

3

Kerámia termékek

ÜvegszálakSzénszálakAl2O3 szálak

CsapágyakBevonatokForgácsolószerszámokFogprotézisek

KompozitokKét vagy több anyag elonyös tulajdonságainak társítására létrehozott anyagok

(egyik legosibb a vályog: agyag-szalmatörmelék----mátrix és erosítoanyag----hoszigetelo, erosíto és könnyítoanyag ugyancsak kompozit a beton és a vasbeton ma csúcson a C-C szén-szén kompozit pl. fék)

Mátrix: körülfogja ez erosítoanyagot, elosztja a terheléstErosítoanyag: foként ez viseli a terhetÁtmeneti réteg vagy interfész:

kapcsolat az erosíto és az alapanyag között

Cél • szilárdságnövelés (alacsony, normál és magas

homérsékleten)• törési biztonság (törési szívósság) növelése• rugalmassági modulus növelése (merevség javítása)• hotágulási együttható csökkentése (meghatározott

értékre történo beállítása)• súlycsökkentés • mágneses és elektromos tulajdonságok javítása• kopásállóság (heterogén anyagú csapágyötvözetek)

stb.• szupravezeto szerkezetek eloállítása• hoszigetelo képesség növelése• energiaelnyelo képesség fokozása (mechanikai,

rezgés, hang…

Anyagjellemzok

súly hõtágulás merevség szilárdság szívósság

----- acél alumínium -- kompozit Column 4acél

Al

kompozit

4

Mátrix és erosítoanyagokFémek, kerámiák, polimerek és a karbon egyaránt

lehetnek mátrix és erosítoanyagok:

• Fém-fém, fém-kerámia, kerámia-kerámia (polimer stb

• A kompozit szerkezete:• Szál erosítésu: folytonos (hosszú)

rövidszálú (kritikus hossz)• Részecske erosítés• Réteges, szendvicsszerkezetek

Fém (szálas)-fém kompozitokErõsítõszál Mátrix Elõállítási mód Felhasználási terület

Korrózióálló acél Al Porkohászat, laminálás, felszórás Repülõgépgyártás

Be szalag Al, Ti Al vagy Ti szövetû Be szálak elhelyezve szövött Al vagy Ti elõalakban; az elõalak mechanikus alakítása

Nagy fordulatszámú tengelyekhez; helikopter rotorok tengelye és repülõgép kormánymû

Ta Mg Infiltrálás Repülõgépgyártás

Mo Ti vagy Ti ötvözet Porkohászat, szál kötegelés extrudálással, hengerléssel stb.

Szuperszónikus repülõgép- és rakéta-hajtómûvek

Be vagy Ti szövet Be

Ti vagy titán ötvözet A rétegek közti Ti és Be szálak robbantásos hegesztés

Repülõgépgyártás

Be Ti Ti-6Al-4V Ti-6Al-6V 2Sn Ti-5Al-2 5Sn

Meleg kisajtolása Ti és Be elõalak keverékének; késõbbi feldolgozása, mint a szálaké

Repülõgépgyártás

Ni3Al Ni, (2-10%) Al Porkohászat; a szálfázis a képl. alakítás kész alakja

Oxidációnak ellenálló, nagy szilárdság nagy és kis hõmérsékleten.

Ni-Cr-Al-Y Ni ötvözet Porkohászat Turbinák és kompresszorok tömítései

W/1% ThO2 Szuperötvözet Preciziós öntés Sugárhajtómûvek

Korrózióálló acél Ni ötvözet Elektrodinamikus alakítás Rakéta hajtómûvek

Mo, Ti, Nb Ni szuperötvözet Porkohászat

W Cu Olvadék infiltráció Elektronikai érintkezõk

Nb rost Ni, Cu, Ag Nb rostok beágyazása Cu, Ni vagy Ag mátrixba olvadt Sn fürdõben áthúzva Nb3Sn felületi réteg kialakulásával

Szupravezetõk

Kerámia (szál)-fém kompozitok l.E r õ s í t õ s z á l M á t r i x E l õ á l l í t á s i m ó d F e l h a s z n á l á s i t e r ü l e t

S i C b e v o n a t ú B

A l P o r k o h á s z a t , d i f f ú z i ó s k ö t é s a k o m p o z i t s z ö v e t é s a T i l e m e z k ö z ö t t

T u r b i n a l a p á t o k

C ( g r a f i t , a m o r f k a r b o n )

N i / C o , a l u m í n i u m - o x i d

N i v a g y C o b e v o n a t ú C s z á l a k ; Ö s s z e k e v e r v e N i - C o - A l p o r r a l ; m e l e g s a j t o l á s

C ( T i - , Z r - , H f -b o r i d b e v o n a t t a l )

A l v a g y A l ö t v .- M g , P b , S n , C u , Z n

I n f i l t r á l á s

C A l ö t v ö z e t s t a b i l k a r b i d o t t a r t . A l a k í t h a t ó ö t v : T i é s Z r

I n f i l t r á l á s

S i C W m a g s z á l l a l

A l - C u ö t v ö z e t A s z á l k ö t e g e k b e v o n á s a C u - v a l ; a C u b e v o n a t ú s z á l a k á t h ú z á s a

A l o l v a d é k b a n

C M g v a g y M g ö t v ö z e t e k

F o l y a d é k i n f i l t r á l á s s a l . A z ö m l e d é k k i s m e n n y i s é g û

m a g n é z i u m n i t r i d e t t a r t a l m a z , e z n e d v e s í t i a s z á l a t

T u r b i n a f o r g ó r é s z l a p á t o k , p á n c é l l e m e z e k

S i C B e v a g y ö t v ö z e t e i ( C a , W , M o , F e , C o , N i , C r , S i , C u , M g , Z r ö t v ö z õ v e l )

A s z á l a k v á k u u m im p r e g n á l á s a o l v a d t B e - m a l v a g y a B e

p l a z m a s z ó r á s á v a l

Û r h a j ó z á s é s n u k l e á r i s t e c h n i k a .

B + r o z s d a -m e n t e s a c é l ; B o r s i c + M o s z á l a k

A l , T i I m p r e g n á l á s , s z ó r á s s t b . ; a n a g y s z í v ó s s á g é s a r i d e g s z á l a k k o m b i n á c i ó j a

Û r h a j ó z á s

S i C T i v a g y T i- 3 A l-2 . 5 V ö t v ö z e t

A z e r õ s í t õ é s m á t r i x a n y a g ú l e m e z e k ö s s z e s a j t o l á s a m e l e g e n . A S iC s z á l a k Z r d i f f u z i ó - z á r ó r é t e g g e l b e v o n t a k

K o m p r e s s z o r l a p á t o k , r e p ü l õ e s z k ö z ö k b o r í t á s a

N b - , T a - , é s W k a r b i d o k

N i - C o é s F e - C r ö t v ö z e t e k

I r á n y í t o t t d e r m e s z t é s Û r h a j ó z á s

S i C 0 , 0 1 -2 0 % s z a b a d k a r b o n n a l

C r - a l a p ú ö t v ö z e t e k P o r k o h á s z a t ; a s z a b a d k a r b o n a C r - m a l r e a k c i ó b a l é p v e k a r b i d o t a l k o t , e z t o v á b b e r õ s í t

N a g y s z i l á r d s á g ú , h õ á l l ó a n y a g . R a k é t a o r r o k , t u r b i n a l a p á t o k é s s z á r n y a k

S i C 0 , 0 1 -3 0 % s z a b a d k a r b o n n a l

C o v a g y C o - a l a p ú ö t v ö z e t e k

P o r k o h á s z a t v a g y a z o l v a d é k im p r e g n á l á s a ; a k a r b i d s z á l a k é s a C o m á t r i x k ö z ö t t

N a g y s z i l á r d s á g ú , h õ á l l ó a n y a g . R a k é t a o r r o k , t u r b i n a l a p á t o k é s s z á r n y a k

Kerámia (szál)-fém kompozitok ll.Erosítoszál Mátrix Eloállítási mód Felhasználási terület

SiC 0,01-20% szabad karbonnal

Mo-alapú ötvözetek Porkohászat Nagyszilárdságú, hoálló anyag. Rakétaorrok, turbinalapátok és szárnyak

C karbid bevonattal

Ni vagy Ni ötvözetek

Olvadék impregnálás Repüléstechnika

B Cu-Ti-Sn ötvözet Folyékony fázisú szinterelés Forgácsoló szerszámok C Bronz Különbözo eljárások Csapágyanyagok C Cu ötvözet Porkohászat; a szálak

összekeverése Cu iszappal és 2% Ti vagy Cr alapú karbid porral

Nagyszilárdságú elektromos vezeto anyag.

C Ti-borid bevonattal

Al, Cu, Sn, Pb, Ag, Zn, és Mg

A mátrix Ti és B ötvözoket tartalmaz megakadályozza a TiB

bevonatok tönkremenetelét

Repüléstechnika

C Ni bevonattal

A Ni-nél alacsonyabb olvadáspontú fémek

Folyadék impregnálással.

C SiO2+SiC

bevonattal

Al, Mg, Ti és Ni Folyadék impregnálással, porkohászat

Ti-, Ta-, és W monokarbidok

Al, Al-Si ötv. Ag vagy Ag-ötv. Cu vagy Cu-ötv.

Folyadék impregnálással. Kopásálló anyagok

β-SiC Ag vagy Ag-ötv. Elektromos vezetok, érintkezok

C Si Porkohászat Abraziv anyagok SiCw Al C TiB bevonattal

Mg, Pb, Zn, Cu, Al Folyadék impregnálással

5

Kerámia (szál)-fém kompozitok lll.E r õ s í t õ s z á l M á trix Elõál l í tás i m ó d Fe lhaszná lás i t erü le t

A l2O 3 , S i C ,

A l oxyni t r id

A l-C u ö t v ö z e t Az o lvad t má t r i x é s a s zá l ak ö s szekeve ré se . A szá l ak a s zem cseha tá r részeken á tm e n n e k

A l2O 3 A l-L i ö tvöze t Á titatás 1 -8 % L i tartalm ú ö t v ö z e t t e l a z A l2O 3 , s zá l é s a L i

közö t t r eakc ió l é t re jöhe t

A l2O 3 -S iO 2

Y A l2O 3

A l, A l-Z n ö t v ö z e t O lvadék impregná lá s , po rkohásza t s t b .

R e p ü l é s t e c h n i k a

N i b e v o n a t ú ü v e g k e r á m i a szá lak

A l P o r k o h á s z a t C s ú s z ó e l e m e k

A l2O 3

fo lyam a tos és po l ik r i s tá lyos

M g v a g y M g - ö t v ö z e t

O lvadékos im p r e g n á l á s Turb ina lapá tok , t enge lyek

C , B , üveg , ke rám ia és fém szá lak

M g ö tvöze t ek P o r k o h á s z a t ; a k o m p o z i t k é t k ü l ö n b ö z õ M g ötv . fáz is t

tar talm az

Szé l e skörû f e lhaszná lá s

F é m b e v o n a t ú üvegszá l ak

B e , F e , T i , A l é s S n A fém b e v o n a t ú s zá lvagda lékoka t ö s szekeve r ik a

üveg ros tokka l é s f émpor ra l ; m e legen sa j to l ják

Tar tós gépa lka t részek , s u r l ó d ó e l e m e k

Ü v e g s z á l a k P b Im p r e g n á l á s , A k k u m u l á t o r l e m e z e k , c sapágyanyagok , hangsz ige t e lõk

Részecske erosítésu kompozitokTulajdonságok becslése (keverési szabály)

Tulajdonságkompozit= Tulajdonságmatrix*V%matrix+

+Tulajdonságerosíto*V%erosíto

V%matrix+ V%erosíto=100%

Kompozitok eloállításának jellemzoi

Eljárás Költség Erosítés

diffúziós kötés monoszálak

porkohászat ↑ tukristályok (wkiskerek)

szórásos módszerek szálas szövet

folyékony állapotú feldolgozás részecskeerosítés (szemcsés)

Szálerosítésu kompozitok

Al2O3 szál (8-11µm) AlSi mátrixbanés Al2O3 üreges kerámia golyók (ø150 µm, 5 µm fal)

AlSi mátrixú szendvics lemez

Al2O3 szál (8-11µm)AlSi matrixban

6

Fémhabok „Ultrakönnyu” anyagok

alacsony fajlagos suruség

nagy alakváltozási energia elnyelo képesség

rezgési energia csillapítása

tuzállóság

jó akusztikus csillapítás

nagy fajlagos felület

Különbözo porozitású anyagok

A nyitott cellás anyagaink surusége• Vízen úszik

Perlit részecskekönnyítéssel

• 1,4-2 mm szitamérettel válogatott perlit szemcsés kompozit anyag

• Surusége: 1,36 g/cm3

7

Üreges kerámiarészecskésA kerámiagömbök

összetétele: SiO2: 54,5%; Al2O3: 36,1%;Fe2O3: 5,3%;TiO2: 1,3%; szerves anyag: 0,2%.

A részecskék átlagos mérete:150µm, falvastagság 5µm

• Surusége: 1,28 g/cm3

Zömíto vizsgálat eredményei:zárt cellás kompozit

• Perlit részecskés kompozit zömítodiagramja

• Üreges kerámia részecskés kompozit zömítodiagramja

Perlit könnyítésu kompozit zömítovizsgálat

0

1

2

3

4

0 10 20 30 40 50ε (%)

σ (

MP

a)

Kerámia erosításes kompozit zömítovizsgálat

0

2

4

6

8

0 2 4 6ε (%)

σ (M

Pa)

Üreges kerámiai részecskék törése