SVEUČILIŠTE U SPLITU FAKULTET ELEKTROTEHNIKE, STROJARSTVA

I BRODOGRADNJEZavod za strojarsku tehnologiju

Šk. god. 2012/2013.zimski semestar

KERAMIČKI MATERIJALI

Dr.sc. Igor Duplančić, red. prof.Dr.sc. Nikša Krnić, izv. prof.

SADRŽAJ PREDAVANJA

1. UVOD2. OSNOVE GRAĐE I SVOJSTVA3. PODJELA KERAMIČKIH MATERIJALA4. MONOKOMPONENTNA KERAMIKA5. NEOKSIDNA KERAMIKA6. KRISTALINIČNA OKSIDNA KERAMIKA7. ANORGANSKA NEMETALNA STAKLA8. IZRADA KERAMIČKIH PROIZVODA9. GREŠKE U KERAMIČKIM PROIZVODIMA10.OSNOVNE SMJERNICE ZA KONSTRUKCIJU

KERAMIČKIH ELEMENATA11.OGRANIČENOST UPORABE INDUSTRIJSKE

KERAMIKE

Radi se o materijalima uporaba kojih je započela čak 4000 godina prije Krista a koriste se i danas.

Riječ keramika odnosi se i na materijal i na keramičke proizvode (grč. keramos - lončarska glina, keramikos - proizvod od gline).

1. UVOD

Od metalnih materijala razlikuju se prema temperaturnom koeficijentu električkog otpora:

• u metalima je ovaj koeficijent pozitivan, a • u keramici negativan.

2. OSNOVE GRAĐE I SVOJSTVA

Od polimernih materijala razlikuju se po molekularnoj strukturi.

• Umjetni polimerni materijali imaju diskretne molekule, zapravo lance, u kojima su ugljikovi atomi međusobno vezani kovalentnim vezama.

• U keramičkim materijalima nema diskretnih molekula, nego prostorni raspored atoma jedne ili više vrsta, uređenih u kristalnoj rešetki ili amorfno kao u staklu.

Osnovne skupine keramike prema sastavu su oksidi, karbidi, boridi, silicidi i nitridi, te njihove međusobne kombinacije. Od metalnih komponenata najčešće sudjeluju Be, Mg, Ca, Al, te prijelazni metali IV-te do VI-te skupine periodičkog sustava elemenata.

Uglavnom se dobivaju sintetički, te se spajaju na principu metalurgije prašaka (srašćivanje).

Osnovne skupine keramičkih materijala i njihove kombinacije

Karakteristična pozitivna svojstva keramičkih materijala su:

•Visoka tvrdoća, sabojna i vlačna čvrstoća, modul elastičnosti i otpornost trošenju, sve to na višim temperaturama.

•Povoljne dielektričke, piezoelektričke, posebne magnetičke, toplinsko-električko izolacijske i poluvodičke karakteristike.

•Visoka toplinska vodljivost, uz istovremenu električku izolaciju i biokompatibilnost,

•Bogatstvo sirovinskih izvora i prikladnost za zaštitu okoliša.

•Manja gustoća.

Kao glavni nedostatci smatraju se:

• Nedovoljno iskustvo u primjeni i nepovjerenje konstruktora.

• Teška obradivost.

• Visoka cijena.

• Nesigurnost u produciranju istih materijala pri istoj tehnologiji.

• Krhkost i osjetljivost na temperaturne šokove.

Svojstva keramike posljedica su vrste veza u njima koje ovisno o kemijskom sastavu mogu biti.

• kovalentna (jaka veza koja nastaje izmjenom elektrona)

• ionska (jaka veza nastala primarnim spajanjem suprotno nabijenih iona), i

• metalna (veza među metalima - slabija od prethodnih).

Keramike se mogu naći u obliku monokristala i polikristala a sastoje se od mnogo zrna.

Veličina zrna ima glavni utjecaj na čvrstoću i svojstva keramike.

Što su zrna finija viša je čvrstoća i žilavost a odatle slijedi i naziv fina keramika.

Utjecaj temperature na čvrstoću različitih industrijskih keramika

Utjecaj temperature na modul elastičnosti nekih keramika

Podjela keramičkih proizvoda prema namjeni:

• tradicionalna (obična) i • industrijska (tehnička, fina, visoko unčikovita) keramika.

• proizvodi od gline (lonci, posuđe, ...), • konstrukcijski materijali u građevinarstvu (opeke, crijepovi, beton,...),• staklo (boce, laboratorijska oprema,...), • vatrootporni materijali (kuhinjsko posuđe, opeke u pećima, ..) i • bijela keramika (sanitarije, emajl, ...).

Tradicionalna keramika

3. PODJELA KERAMIČKIH MATERIJALA

Najstarija sirovina za keramiku je glina.

Najpoznatiji sirovinski materijal je kaolinit koji ima finozrnatu strukturu bijele gline a u sebi sadrži silikate aluminija u slojevima.

Kad se kaolinitu doda voda ti slojevi postaju klizavi pa se dobije mokra glina sa poznatom mekoćom i plastičnosti. To je čini lako obradivom.

Druga često korištena prirodna sirovina za izradu keramike je kremen (en. flint). To je ustvari finozrnati silicijev dioksid SiO2.

Kao sirovina se koristi skupina kristalnih minerala bogatih silikatima aluminija, potašom, kalcijem i natrijem.

Vrste keramika prema osnovnim karakteristikama,te neki tipični proizvodi

Prema namjeni postoje: termo, elektro i magneto, mehano, kemo i bio, te opto keramika.

Industrijska keramika

Postoje četiri skupine industrijske keramike:

• monokomponentna keramika,• neoksidna keramika,• oksidni kristalni keramičke materijali,• anorganska stakla.

Od svih najrasprostranije vrste su: aluminijev oksid Al2O3, silicijev nitrid Si3N4, i silicijev karbid SiC.

4. MONOKOMPONENTNA KERAMIKA Ove materijale sačinjavaju četvero-valentni atomi IV grupe periodičkog sustava (C, Si, Ge) čemu se pridodaje još i bor. Najpoznatiji su materijali na bazi ugljika.

Dijagram stanja ugljika

• najstabilnija modifikacija ugljika. Amorfni ugljik na 2000 oC prelazi u grafit.

• talište mu nije točno poznato, ali se procjenjuje na približno 3500 oC, dok postaje plastičan na približno 2500 oC. Ispod te temperature je krhak.

• predstavlja kristalni oblik ugljika koji ima slojevitu strukturu bazičnih ravnina ili ljuski sa gustim rasporedom atoma ugljika. Zbog toga je slab kad se optereti posmično po slojevima.

GRAFIT

• ima visoku temperaturnu i kemijsku postojanost, električku vodljivost, otpornost temperaturnim šokovima, dobru podmazivost na zraku i u vlazi, dok je u vakuumu i na suhom zraku abrazivan

• čvrstoća i krutost mu raste porastom temperature.

• mehanička svojstva grafita zavise o veličini zrna pa je uobičajena podjela grafita na: industrijski, sitnozrnasti i mikrozrnasti.

Grafitni proizvodi se koriste u gradnji strojeva i uređaja.

Profilirani proizvodi koriste se kao elektrode za elektrolučne peći i elektrolizu, izmjenjivače topline, obloge cjevovoda i spremnika u kemijskoj industriji, vatrootporne materijale za peći, lonce i zaštitne ploče.

Primjena grafita

Oblikovani proizvodi od grafita su npr. četkice za rotirajuće električne strojeve, brtve, ležajevi, filtri za korodirajuće tekućine, matrice za toplo prešanje, kokile za konti lijev i drugo.

Grafit pomiješan s glinom upotrebljava se kao materijal za olovke i lonce za taljenje metala.

Postoje i specijalni ugljikovi proizvodi koji će biti objašnjeni u području kompozitnih materijala.

DIJAMANT

je drugi glavni oblik grafita te ima kovalentno vezanu strukturu.

To je nestabilna modifikacija ugljika a postaje stabilan tek na povišenom tlaku.

Zato ga je teško proizvesti sintetičkim putem i to u vrlo malim količinama.

Dijamant posjeduje karakteristike keramike u naročito izraženom obliku (talište 4100 oC, modul elastičnosti 120 · 104 N/mm2, gustoća 2,26 kg/dm3, tvrdoća 7000-8000 HK najveća postojeća tvrdoća).

Krt je a na zraku se počinje raspadati iznad 700 oC, dok je u neoksidirajućoj atmosferi postojan i na višim temperaturama

Sintetički dijamant proizveden je prvi put 1955. godine i mnogo se koristi u industriji.

Dobiva se na način da se grafit izloži hidrostatičkom tlaku od oko 14 GPa i temperaturi oko 3000 oC.

Sličan je prirodnom dijamantu a ima bolja svojstva od njega, jer nema nečistoća.

Dijamant, kao mono ili polikristal, koristi se kao materijal brusnog zrna promjera 0,01 mm pa na više ili za rezne oštrice za obradu teško obradivih materijala, te za oblikovanje bruseva čak i odrezivanjem brusnog zrna.

Kao materijal u obradi deformiranjem služi za izradu matrica za provlačenje vrlo tankih žica promjera manjeg od 0,06 mm.

Materijali iz skupine neoksidne keramike sadrže više vrsta atoma.

Radi se o spojevima atoma C, Si, Ge kao i B, H i N međusobno ili s metalnim atomima.

Karbidi

Od karbida najčešće se koriste WC, TiC i SiC prvenstveno kao materijali za rezne oštrice alata i kalupa, a SiC kao abraziv u gradnji bruseva.

Volframov karbid WC se sastoji od čestica volframovog karbida a kao vezivo se koristi kobalt.

5. NEOKSIDNA KERAMIKA

Količina veziva ima snažnog utjecaja na svojstva ovih materijala.

Povećanjem sadržaja kobalta povećava se žilavost dok se tvrdoća, čvrstoća i otpornost trošenju smanjuje.

Titanov karbid TiC kao vezivo koristi nikal i molibden a nije tako žilav kao WC.

SiC ima veliku otpornost trošenju i koroziji, te na mali faktor trenja, dobru toplinsku vodljivost, te čvrstoću što je zadržava i na visokim temperaturama.

Koristi se i za izradu toplinski visoko opterećenih strojnih komponenata.

Sintetički SiC je prvi put proizveden 1891. godine iz SiO2 pijeska, koksa i male količine NaCl i piljevine.

Zavisnost savojne čvrstoće Si3N4 o temperaturi

Najpoznatiji je silicijev nitrid Si3N4. Ima veliku otpornost puzanju i postojanost na visokim temperaturama, malu temperaturnu dilataciju, veliku toplinsku vodljivost, a time i otpornost temperaturnim šokovima.

Najviše radne temperature što se postižu Ni-legurama dosežu približno do 1000 oC.

Nitridi

Si3N4 keramika je općenito višefazni materijal.

Sastoji se od i Si3N4 kristala koji imaju heksagonsku rešetku različitih parametara.

Alfa faza je tvrđa, a kristali imaju duguljast oblik poput iglice, što međusobno isprepleteni doprinose porastu žilavosti ove keramičke smjese.

Najčešći dodaci su oksidi Al, Y, Ce, Mg.

Ostali poznatiji nitridi su:

Kubični bor nitrid CBN, je po tvrdoći odmah iza dijamanta.

Titan nitrid TiN za prevlake na površinama reznih alata.

Aluminijev nitrid AlN ima dobru toplinsku vodljivost i otpornost mnogim talinama pa se koristi kao materijal lonaca za aluminijeve i mnoge druge legure.

Silicijev nitrid SiN odlikuje se dobrom otpornosti prema puzanju na visokim temperaturama.

Ostali najpoznatiji neoksidni materijali su:

Sialon je Si3N4 s različitim dodacima Al2O3, YO i TiC. Naziv mu potječe od početnih slova sadržanih osnovnih komponenata. Ima veću žilavost i otpornost prema temperaturnim šokovima nego Si3N4, pa se primarno koristi kao materijal za rezne oštrice.

Titanov borid TiB2 dobro zamjenjuje grafit kao materijal elektroda pri elektrolizi aluminija.

Aluminijev titanat (Titalit) je sintetički spoj u sistemu Al2O3 i TiO2.

Odlikuje se niskom toplinskom vodljivošću i malim koeficijentom toplinskog rastezanja, dakle otporan je temperaturnim šokovima.

U odnosu na druge keramičke materijale ima vrlo nizak modul elastičnosti.

Koristi kao izolacijska obloga.

Korund - Al2O3, je najčešće korištena oksidna keramika u čistom stanju ili miješana s drugim oksidima.

Ima veliku tvrdoću i umjerenu čvrstoću. Kvaliteta joj se može poboljšati dodavanjem drugih keramika (TiO, TiC).

Dodatak MgO i SiO2 služi prvenstveno za povećanje aktivnosti pri srašćivanju i sprečavanju rasta zrna.

6. KRISTALINIČNA OKSIDNA KERAMIKA

Al2O3 ima široku primjenu: elementi strojeva podložni habanju, medicinski ulošci, lonci u metalurgiji, rezne oštrice za obradu odvajanjem čestica, dakle gdje se traži velika tvrdoća, otpornost trošenju i temperaturna postojanost.

Cirkonijev oksid - ZrO2, ima dobru žilavost, otpornost prema temperaturnim šokovima, habanju i koroziji, te slabu toplinsku vodljivost i mali koeficijent trenja.

Noviji proizvod je djelomično stabilizirani cirkonij PSZ (Partially Stabilized Zirconia). Ima veliku čvrstoću i žilavost,

Dobije se obogaćivanjem ZrO2 sa oksidima K, Y ili Mg. Ovi stabilizatori sprečavaju, već prema dodanoj količini, djelomično ili u cijelosti pretvorbu faza, a time i promjenu volumena pri hlađenju.

PSZ-a ima 20% slabiji koeficijent toplinske dilatacije u usporedbi sa sivim lijevom ali je znatno viši nego kod drugih vrsta keramičkih vrsta,nekih metala i posebice polimera.

Utjecaj temperature na toplinsko izduženje nekih keramika, metala i

polimera

Toplinska vodljivost PSZ-a je približno 30% slabija nego drugih keramika pa je stoga poželjan kao komponenta toplinskih strojeva za zaštitu osnovne konstrukcije od sivog lijeva (cilindarska košuljica, sjedište ventila).

Keramička stakla se zbog svoje izotropne prolaznosti svjetla koriste kao konstrukcijski materijal, te kao materijal u optičkoj industriji.

Proizvodnja predmeta od stakla datira od 2000 god prije naše ere, a nagla primjena započela je početkom 1900. godine.

7. ANORGANSKA NEMETALNA STAKLA

Trenutačno postoji oko 750 različitih vrsta stakla koja imaju vrlo široku primjenu u gotovo svim ljudskim aktivnostima.

U obliku staklenih vlakana sve više se upotrebljavaju pri očvršćavanju kompozitnih materijala.

Staklo je amorfno tijelo sa strukturom tekućine.

To je mješavina raznih oksida, ali svaka obavezno sadrži, u većem ili manjem postotku (3 - 80 %), SiO2.

Najveći broj stakala sadrži barem 50 % SiO2 koji tvori osnovu za pojedina stakla.

Svojstva mu se mogu mijenjati dodavanjem raznih modifikatora u vidu oksida na bazi aluminija, sode, kalcija, barija, bora, magnezija, titana, litija, olova i potaše.

Stakla su općenito kemijski otporna i mogu se rangirati prema otpornosti ka kiselinama, lužinama ili vodnoj koroziji.

Staklo mijenja svoju viskoznost ovisno o temperaturi.

Viskozitet stakla narazličitim temperaturama

Ovisnost viskoziteta prozorskog stakla o temperaturi

Mehanička svojstva stakla su karakteristična po tome što se:

• pri niskim temperaturama vladaju točno po Hookeovom zakonu (E = 55 - 90 GPa za trgovačke kvalitete), • pri visokim temperaturama su to Newtonove tekućine. Poissonov koeficijent stakla je od 0,16 – 0,28.

Čvrstoća staklenih vlakana zavisno o debljini

Podjela stakla a prema porijeklu :

• soda stakla (najčešća),

• olovna alkalična stakla,

• borsilikatna stakla,

• aluminosilikatna stakla,

• 90% kvarcna stakla i

• stopljeni kvarc.

Stakla se razlikuju i po:

• boji (bijela, zelena, smeđa i dr),

• prozirnosti (prozirna i neprozirna),

• obliku,

• optičkim svojstvima,

• fotokromatskim svojstvima (zatamnjuju se kod izlaganja svijetlu kao što je slučaj kod nekih vrsta naočala),

• fotosenzitivnosti (mjenjaju se od prozirnih do opalnih), obliku proizvoda (niti ili u spužva - sadrži mjehure zraka pa je dobar izolator).

Različita svojstva stakla

Soda staklo Olovno staklo

Borsilikatno staklo

90% kvarcno staklo

Stopljeni kvarc

Gustoća visoka najviša srednja niska najniža

Čvrstoća niska niska umjerena visoka najviša

Otpornost toplinskom šoku niska niska dobra bolja najbolja

Električna otpornost umjerena najbolja dobra dobra dobra

Obradivost u toplom dobra najbolja blaga loša najmanja

Toplinska obradivost dobra dobra loša nema nema

Kemijska otpornost loša blaga dobra bolja dobra

Udarno-abrazijska otpornost blaga loša dobra dobra najbolja

Provodnost svjetla i ultra ljubičastih zraka

loša loša blaga dobra dobra

Relativna cijena najniža niska srednja visoka najviša

Osim navedenih podjela staklo se može klasificirati i prema namjeni. Tako se razlikuje:

E staklo (za elektrotehniku gdje se najviše upotrebljava). Koristi se i za razne svrhe, a velika mu je prednost povoljna cijena.

R (Resistance) i S (Strenght) su vrste stakla veće čvrstoće.

C (Chemistry) staklo sa povećanom otpornošću kemikalijama.

Proizvodi od stakla se mogu podjeliti u nekoliko grupa:

Pločasti proizvodi debljine od 0,8 do 10 mm za prozorska stakla, stakla za vrata i pokrivanje stolova.

Šipke i cijevi koje se koriste za kemijske svrhe, neonske sijalice i dekorativne svrhe.

Pojedinačni proizvodi kao što su boce, vaze, žarulje i televizijske cijevi.

Staklena vlakna za ojačavanje kompozita i za optička vlakna.

Izrada i oblikovanje stakla

Pločevine od stakla se rade se kontinuiranim procesima vučenja ili valjanja stakla u lijevanom stanju.

a b

Izrada pločevina od staklaa - postupak vučenja; b - postupak valjanja

1 - rastaljeno staklo, 2 - valjci za oblikovanje, 3 - vodom hlađena zaštita, 4 - skretni valjci, 5 - ploča stakla, 6 - gorionik

Izrada cijevi od stakla1 - rastaljeno staklo, 2 - trn, 3 - staklena cijev, 4 - rolnica

Izrada boca od stakla postupkom puhanjaa - spuštanje kapi u prazni kalup, b - kap u kalupu, c - puhanje u kalupu prema dolje, d - puhanje u kalup odozdo, e - okretanje kalupa, f - vješanje oblikovanog međukomada i grijanje, g - međukomad u završnom kalupu, h - puhanje boce,

i - vađenje gotove boce

a b c dIzrada proizvoda od stakla postupkom prešanja

a - prazni kalup, b - punjenje kalupa, c - prešanje stakla, d - gotov proizvod

a b c d

Izrada proizvoda od stakla postupkom prešanja u dvodjelnom kalupua - prazni kalup, b - punjenje kalupa, c - prešanje stakla, d - gotov proizvod

Centrifugalni lijevanje proizvoda od stakla

Postupak progibanja (eng. sagging) koristi se za izradu zdjelastih proizvoda. Izvodi se na način da se staklena ploča postavi povrh kalupa i tada se grije. Staklo se uslijed vlastite težine progiba i poprima oblik kalupa.

Tipični proizvodi su zdjele, leće sunčanih naočala, zrcala teleskopa i rasvjetnih tijela.

Proizvodi od stakla se mogu očvrsnuti: toplinskim kaljenjem, kemijskim kaljenjem i laminiranjem.

Očvršćavanje stakla

Toplinskim kaljenjem se površina zagrijanog stakla naglo hladi vodom. Time se površina steže što u njoj izaziva pojavu vlačnih naprezanja.

Kad se ostali dio stakla počne skrućivati dolazi do njegovog stezanja. Već skrutnuta površina se prisiljava na skupljanje čime stvara zaostala tlačna naprezanja, dok unutrašnjost stakla ostaje izožena vlačnim naprezanjima,

Zaostala naprezanja u kaljenom staklua - zagrijano staklo; b - naglo hlađenje površine; c - kaljeno staklo;

d - raspored naprezaja u kaljenom staklu

Kod kemijskog kaljenja staklo se grije u kupci rastaljenog KNO3, K2SO4 i NaNO3, što ovisi o tipu stakla.

Tijekom tog procesa nastaje izmjena iona na površini stakla (mali atomi se zamjenjuju velikim) te nastaju zaostala naprezanja.

Laminiranim staklom, koji se sastoji iz dva komada ravnih staklenih ploča između kojih se stavlja tanki sloj plastike, povećava se njegova čvrstoća. Kad dođe do loma ovakovog stakla ono se zadržava na plastičnom foliji a tipični primjer je vjetrobransko staklo automobila.

Zaostala naprezanja u staklu mogu se ukloniti postupkom žarenja sličnim onim kod metala.

Samo žarena stakla mogu se dalje obrađivati rezanjem, bušenjem, brušenjem, pjeskarenjem i poliranjem.

Proces proizvodnje odvija se u nekoliko faza:

8. IZRADA KERAMIČKIH PROIZVODA

Redoslijed postupaka izrade proizvoda od industrijske keramike

Redoslijed postupaka izrade proizvoda od industrijske keramike

Priprema - uključuje drobljenje sirovine i usitnjenje primarnih kristala.

Keramička suspenzija je smjesa keramičkog praha, suspenzionog medija (voda, alkohol i sl.) i pomoćnih materijala.

Plastificirana masa je smjesa keramičkog praha i organskih pomoćnih materijala.

Oblikovanje proizvoda - Oblikovanje proizvoda izvodi se u "zelenom" stanju: lijevanjem, brizganjem, prešanjem, istiskivanjem i nanošenjem.

Slip lijevanje je najčešće korišteni postupak lijevanja keramičkih proizvoda. Često se naziva i odvodno lijevanje. Slip je suspenzija keramičkih čestica u tekućini, najčešće vodi.

Faze slip lijevanja keramičkih proizvoda

Kao posebne tehnologije izrade proizvoda iz keramike ističu se: postupci prešanja (tlačenja).

Kao sirovina koristi se spomenuta plastična masa koja se, kao i kod prerade polimernih materijala, u konačni proizvod pretvara postupcima istiskivanja, injekcijskog prešanja i izrade posuda.

Kod suhog prešanja kao sirovina koristi se keramička suspenzija sa manje od 4 % vlage.

Kod mokrog prešanja obradak se stvara u kalupu koji se tlači pomoću hidrauličkih ili mehaničkih preša. Koristi za izradu vrlo složenih izradaka. Sadržaj vlage je samo 10 do 15%.

Izostatičko prešanje se vrlo intenzivno koristi u metalurgiji praškova. Ovim se postupkom dobivaju proizvodi jednolike gustoće, a tipični primjer su keramički dio svječice motora.

Jiggering je postupak kojim se kombiniraju dva postupka prerade.

Jiggering postupak oblikovanja keramičkih proizvoda1 - ekstruder, 2 - komora za odzračivanje, 3 - sirovac, 4 - kalup, 5 - alat za oblikovanje,

6 - izradak

Kod toplog prešanja istovremeno se koristi tlak i temperatura.

Nanošenje keramike - Tu spada brizganje u plazmi rastaljene keramike i nanošenje na supstrat.

Izgaranje dodataka (sušenje) - Prije nego što će se pristupiti srašćivanju, moraju se toplinskom obradom proizvoda u "zelenom" stanju ukloniti svi tragovi organskih pomoćnih materijala.

Mehanička obrada izvodi se samo u "zelenom" stanju.

Srašćivanje (sinterniziranje) - Više ili manje porozni izradak, što zavisi o tlaku pri oblikovanju, grije se da bi se rastalili dodaci za srašćivanje.

Završna obrada - Ako obradak u prethodnim fazama nije postigao zadovoljavajuću točnost oblika i dimenzija kao i kvalitet površine, potrebno ga je još naknadno mehanički obraditi.

Osnovne su tri vrste grešaka:

• strane čestice (uključine),• pore i• površinske greške.

Metalne uključine ostaju trajno u keramici

9. GREŠKE U KERAMIČKIM PROIZVODIMA

Svojstva keramike

Tlačna čvrstoća je za jedan red veličine viša od vlačne čvrstoće. Velika razlika između vlačne i sabojne čvrstoće leži u osjetljivosti keramike na prskotine, porozitete i nečistoće.

Općenito je pravilo da vlačna čvrstoća keramike raste s smanjenjem veličine zrna.

10. OSNOVNE SMJERNICE ZA KONSTRUKCIJU KERAMIČKIH

ELEMENATA

Nedostatak udarne žilavosti i otpornosti temperaturnim šokovima je u pravilu svojstven keramici. Jednom nastala pukotina brzo se širi.

Ovi materijali (posebno staklo) naginju statičkom umoru, tj. iznenadnom pucanju nakon što su izvjesno vrijeme bili izloženi statičkom vlačnom naprezanju.

Keramički elementi što su predviđeni za vlačno naprezanje, mogu se prednapregnuti.

Ako je neki element savojno opterećen, tada je važno da površinski sloj što duže zadrži sabojne napetosti.

To se može postići:

• Toplinskom obradom (grijanje i berzo hlađenje površine)

• Prevlačenje keramike slojem druge keramike manjeg koeficijenta toplinskog istezanja (pri hlađenju jezgra se više skrati od površine pa ovu sabija).

• Završna obrada površine (npr. brušenje) izaziva tlačne napetosti na površini zbog ugnječenja, što je normalna pojava pri svakoj obradi odvajanja čestica.

Kada se želi mijenjati materijal nekog konstrukcijskog elementa ili pri sasvim novoj konstrukciji, potrebno je voditi računa o specifičnim svojstvima keramike:

• U dijagramu naprezanje - istezanje keramika se vlada samo po Hookeovom zakonu. Izvan toga slijedi krti lom,

• Nema plastične deformacije ni puzanja, do vrlo visokih temperatura.

• Rasipanje vrijednosti čvrstoće keramike nalazi se u širem području nego metala.

• Trajnost keramičkog elementa pri podkritičkom vlačnom naprezanju zavisi o veličini naprezanja.

• Gustoća keramike iznosi samo 1/3 od one kod metala. To je vrlo važno za oscilirajuće i rotirajuće elemente strojeva.

• Niska toplinska vodljivost prigušuje prijelaz topline na metalnu podlogu u toplinskim strojevima.

Zavisnost između vjerojatnosti loma i čvrstoće za keramičke i metalne materijale

Tanki slojevi (ispod 1 mm) mogu nastati termokemijskim reakcijama kao na čeliku, nanošenjem slojeva postupkom CVD i PVD, taljenjem plazmom ili laserom, te usađivanjem iona.

Time se dobiju nove faze u pravilu veće tvrdoće ili sitno zrno, čime se eliminiraju površinske pogreške (pukotine, poroziteti);

Deblji slojevi postižu se nabacivanjem rastaljenog materijala, u pravilu metala, na keramičku podlogu.

Osnovni teško rješivi problemi pri tome su teško ostvarivanje dobre veze između površinskog sloja i supstrata.

11. OGRANIČENOST UPORABE INDUSTRIJSKE KERAMIKE

Tehničke poteškoće proizlaze iz dijela loših karakteristika materijala i poteškoća oblikovanja proizvoda:

• Fina keramika je krhka i ne smije se vlačno naprezati.

• Postupci izrade nameću prvenstveno manje dimenzije i jednostavniji oblik proizvoda.

• Priprema sirovine ne može osigurati uvijek isti kvalitet (razlike sastava od 0,1% su već kritične), pa je i prenošenje laboratorijskih iskustava na masovnu proizvodnju finalnih proizvoda vrlo teško.

• Postupci kontrole gotovih proizvoda još nisu usavršeni, pa nema kvalitetne završne kontrole.

• Za iste proizvode koriste se različiti materijali i postupci obrade, pa se očekuje konačna optimalizacija.