Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
№15
Керамические материалы. Стеклокерамические материалы. Основные
направления использования АТП.
Конструкционная керамика работает при более высоких температурах чем
металлы. Целесообразно ее применение в ДВС и газотурбинных двигателях и везде где по условиям эксплуатации требуется стойкость при высоких температурах (в среднем до 1300°С). Также керамика имеет пониженную плотность.
Технология изготовления конструкционной керамики базируется на множестве химических соединений (оксиды, нитриды, карбиды) Si3N4, A12O3, ZrO2, SiC и др.
Технология изготовления состоит в общем виде из трех этапов:
1.Формование изделия из сырья (прессование, шликерное литье, прокатка);
2.Обжиг или спекание;
3.Дополнительное уплотнение ГИП (твердость изделий после ГИП возрастает в 1,2…1,3 раза)
Конструкционная керамика в опытном порядке применяется в
автомобилестроении для верхней части толкателя клапана двигателей внутреннего сгорания (д.в.с), рабочей поверхности кулачков распределительного вала д.в.с. и др. деталей.
Керамические материалы это материалы с хрупким характером разрушения и
высокой твердостью. Состояние поверхности сильно влияет на их прочность
(наличие микротрещин на поверхности). Для точной обработки материалов из керамики используется шлифование абразивными алмазными кругами. Но
существуют разработки керамических материалов которые поддаются обработке резанием (Vetronit). Структура дефектного поверхностного слоя определяется как физико-механическими свойствами составляющих, так и режимами механической обработки.
Оксидная керамика
Характеризуется высоким удельным электрическим сопротивлением (1011-10 Ом/см2), пределом прочности на сжатие до 5 ГПа, стойкостью в окислительных средах в широком интервале температур; некоторые виды – высокотемпературной сверхпроводимостью, например иттрий-бариевая керамика, а также высокой огнеупорностью.
Среди оксидной керамики наиболее распространение получили:
Алюмосиликатная керамика на основе SiO2-А12О3 или каждого из этих
оксидов в отдельности. Из алюмосиликатной керамики изготовляют посуду, детали и футеровку коксовых и мартеновских печей, ракет, космические аппаратов и ядерных реакторов, носители для катализаторов, корпуса галогенных ламп, костные имплантаты, детали радиоаппаратуры и мн. др.
Керамика на основе SiO2 и др. оксидов. Применяют в производстве
радиотехнических деталей, теплообменников, огнеупоров, изоляторов авто- и
авиасвечей и др. Керамика на основе ТiO2, титанатов и цирконатов Ва, Pb, a также керамика на основе ниобатов и танталатов Рb, Ва, К и Na. Такая керамика характеризуется высоким электрическим сопротивлением, высокой диэлектрической проницаемостью и применяется в электронике и радиотехнике.
Керамика на основе MgO. Применяют для изготовления огнеупоров;
используют для производства изоляторов, иллюминаторов летательных аппаратов; в качестве носителей для катализаторов, высокотемпературных электронагревателей (выдерживают нагрев до 1750 °С), работающих в окислительной среде.
Керамика на основе ферритов Ni, Co, Мn, Mg, Zn обладает, как правило,
ферромагнитными свойствами. Применяют ее для изготовления магнитопроводов, сердечников катушек и др. деталей в устройствах памяти и т.п. Керамика на основе оксидов BeO, ZrO2, HfO2, Y2O3, UO2 - химически стойка и термостойка. Используют ее при изготовлении электровакуумных приборов, тиглей для плавки тугоплавких металлов, а также для изготовления высокотемпературных нагревателей, защитных обмазок, для изоляции индукторов высокочастотных печей и как конструкционную керамику.
Составы оксидной керамики
Муллит — минерал из класса силикатов, химический состав непостоянен: от
Al6Si2O13 до Al4SiO8 (т. е. от 3Al2O3·2SiO2 до 2Al2O3·SiO2). Структура ромбической сингонии, близка структуре силлиманита, но муллит отличается значительной разупорядоченностью атомов Si и Al.
Плотность 3030 кг/м3; плавится при температуре около 1810-1830°C. Чистый
Муллит бесцветен, примеси оксидов железа и титана окрашивают его в розоватый или синеватый цвет, и минерал приобретает плеохроизм. Муллит — самое высокотемпературное соединение Al2O3 с SiO2.
Керамика этой марки предназначена для изготовления комплектующих
горячей зоны термических агрегатов с температурой горячей зоны до 1300°С. Эта керамика обладает следующими характеристиками:
- химсостав: основа- Al2O3- 72% масс., oстальное- SiO2 CaO и др.
- фазовый состав: α-Al2O3, муллит, стеклофаза переменного состава;
- плотность: 2,8÷2,9 г/см3;
- открытая пористость: ~18÷20%;
- коэффициент термического расширения: 2,3÷4,7 10-6/K;
- средняя прочность (трехточечный изгиб при 20°С): 160 МПа
С повышением содержания Al2O3 повышается огнеупорность (например при
содержании Al2O3 83% огнеупорность до 1750°С)
Вследствие пористости, и сопряженного с ней низкого КТР керамика
обладает хорошей термостойкостью, что обусловливает сферу ее применения.
Основной метод изготовления изделий из керамики - горячее литье на
термопластичном связующем.
Корундовая керамика с зернистым наполнителем
Керамика этой марки применяется для изготовления крупных изделий и
изделий сложной формы, для которых особенно опасны градиенты температур, приводящих к растрескиванию в процессе обжига.
- химсостав: основа- Al2O3- 97% масс. Остальное- SiO2 и др.
- фазовый состав: α-Al2O3;
- плотность: 3,4÷3,5 г/см3;
- открытая пористость: 10%;
- коэффициент термического расширения: 6,3÷6,7 10-6/K;
- средняя прочность (трехточечный изгиб при 20°С): 220 МПа
Корундовая керамика СВ
Керамика разработана и широко применяется при производстве изоляторов
автомобильных свечей зажигания.
- цвет: белый;
- химсостав: основа- Al2O3- 97% масс.
- фазовый состав: α-Al2O3;
- плотность: 3,6÷3,7 г/см3;
- открытая пористость: 0%;
- коэффициент термического расширения: 7,0÷7,2 10-6/K;
- средняя прочность (трехточечный изгиб при 20°С): 250 МПа
- КIс (трещиностойкость): 1.8÷2.0 МПа • м 1/2;
- диэлектрическая проницаемость: 12;
- удельное объемное сопротивление: 1015 ом • см;
- огнеупорность: 1850°С;
Применяется в качестве изоляторов и материала тиглей
Корундовая керамика ГТ
Относится к классу конструкционной корундовой керамики.
- цвет: белый;
- химсостав: основа- Al2O3- 94% масс. Остальное- SiO2, CaO, MgO и др.
- фазовый состав: α-Al2O3+зернограничная стеклофаза;
- плотность: 3,72 г/см3;
- открытая пористость: 0%;
- коэффициент термического расширения: 7,4÷7,5 10-6/K;
- средняя прочность (трехточечный изгиб при 20°С): 350 МПа
- КIс (трещиностойкость): 1.8÷2.0 МПа • м 1/2;
- огнеупорность: 1850°С;
Применяется в парах трения скольжения.
Керамика ZY
Является конструкционной керамикой из оксида циркония,
частично-стабилизированной оксидом иттрия.
- химсостав: ZrO2 - основа, Y2O3 - 5,4% масс.(3% моль.), Примеси окиси
гафния, кремния и др., не более 0.1% масс.;
- фазовый состав: t-ZrO2 (100% тетрагональной фазы);
- плотность: 5,96÷6,09 г/см3;
- открытая пористость: 0%;
- средний размер зерна: 0,16÷0,22 мкм;
- средняя прочность (трехточечный изгиб при 20°С): 700÷900 МПа
- КIс (трещиностойкость): 7,2÷12,4 МПа • м 1/2;
Сырьем для изготовления изделий служат совместно осажденные ультрадисперсные порошки. Керамика ZY рекомендуется для конструкционных изделий, требующих высокой прочности и трещиностойкости при комнатной температуре. Для высокотемпературных применений керамика ZY непригодна, т.к. теряет прочность при нагреве из-за нестабильности тетрагональной фазы. Керамика ZY показывает выдающуюся износостойкость при использовании в качестве
абразивных тел. Основным методом формования изделий является холодное и квазиизостатическое прессование, ограниченно применяется водное шликерное литье.
Полностью стабилизированная оксидом иттрия конструкционная
циркониевая керамика.
- химсостав: ZrO2 - основа, Y2O3 - 15% масс.(7.4% моль.), Примеси окиси
гафния, кремния и др., не более 0.1% масс.;
- фазовый состав: с-ZrO2 (кубическая фаза) ~86%, остальное тетрагоналка;
- плотность: 5,94 г/см3;
- открытая пористость: 0%;
- средний размер зерна: 4÷6 мкм;
- средняя прочность (трехточечный изгиб при 20°С): 350÷400 МПа
Применяется в основном как теплоизоляционный материал для
высокотемпературных печей (Т>1700°С). Востребована для изготовления
автомобильных и других кислородных датчиков. Основным методом формования изделий является горячее литье на термопластичном связующем.
Конструкционная керамика из оксида циркония,
частично-стабилизированной оксидом церия.
- химсостав: ZrO2 - основа, СеО2 - 15,2% масс.(12% моль.), Примеси окиси
гафния, кремния и др., не более 0.1% масс.;
- фазовый состав: t-ZrO2 (100% тетрагональной фазы);
- плотность: 6,02÷6,23 г/см3;
- открытая пористость: 0%;
- средний размер зерна: 0,2÷0,4 мкм;
- средняя прочность (трехточечный изгиб при 20°С): 600÷700 МПа
- КIс (трещиностойкость): 12.2÷21.0 МПа • м 1/2;
Керамика ZС рекомендуется для конструкционных излелий, требующих высокой прочности и трещиностойкости при комнатной температуре. Для
высокотемпературных применений непригодна из-за нестабильности
тетрагональной фазы. Из-за высокой плотности, хорошей износостойкости и
химической инертности (коррозионной стойкости) находит применение в шаровых клапанов штанговых насосов для откачки нефти из скважин. Основным методом формования изделий является горячее литье на термопластичном связующем, ограниченно применяется холодное, квазиизостатическое прессование и водное шликерное литье.
Композиционная керамика в системе Al2O3-ZrO2
Относится к классу так называемых тетерагонально-упрочненных керамик. В
матрице из оксида алюминия равномерно распределены включения тетрагонального оксида циркония. Тормозящий рост зерна эффект циркониевых включений приводит к реализации в материале мелкозернистой структуры, с превосходными механическими свойствами.
- химсостав: Al2O3- основа, ZrO2- 7% масс.;
- фазовый состав: Al2O3- в α-фазе, включения ZrO2- в тетрагональной;
- плотность: 4,14 г/см3;
- открытая пористость: 0%;
- средний размер зерна: Al2O3- 4.2 мкм, ZrO2- 0.2 мкм;
- средняя прочность (трехточечный изгиб при 20°С): 650 МПа
- КIс (трещиностойкость): 2.8÷4.0 МПа • м 1/2;
Керамика применяются для высоконагруженных пар трения-скольжения, для
инструмента обработки металла давлением. Основным методом формования изделий является горячее литье на термопластичном связующем.
Комбинированная смесь
- химсостав: ZrO2(12%моль.СеО2)- 60% масс., Al2O3(0.25%масс.MgO)- 40%
масс.;
- фазовый состав: Al2O3- в α-фазе, ZrO2- в тетрагональной;
- плотность: 4,62 г/см3;
- открытая пористость: 0%;
средний размер зерна: Al2O3- 3.6 мкм, ZrO2- 0.3 мкм;
- средняя прочность (трехточечный изгиб при 20°С): 760 МПа
Применение аналогично. Основным методом формования изделий является
горячее литье на термопластичном связующем.
Нитридная керамика. К нитридной керамике относят материалы на основе
BN, A1N, Si3N4, (U, Pu)N, а также керамику, получаемую спеканием соединений, содержащих Si, A1, О, N (по начальным буквам элементов, входящих в керамику, ее называют “сиалон”), или соединений, содержащих Y, Zr, О и N.
Изготовляют такую керамику спеканием порошков в атмосфере азота при
давлении до 100 МПа, горячим прессованием при 1700-1900 °С. Керамику из Si3N4 получают спеканием порошка Si в среде N2; в этом случае обычно образуется пористая керамика.
Нитридная керамика характеризуется стабильностью диэлектрических свойств, высокой механической прочностью, термостойкостью, химической стойкостью в различных средах. Предел прочности при изгибе для керамика из BN составляет 75-80 МПа, для керамика из AlN-200-250 МПа, для керамика из Si3N4 - дo 1000 МПа.
Керамические нитридные материалы применяют для изготовления
инструментов в металлообрабатывающей промышленности, тиглей для плавки некоторых полупроводниковых материалов, СВЧ изоляторов и др. Керамика из Si3N4 - конструкционный материал, заменяющий жаропрочные сплавы из Со, Ni, Cr, Fe.
Карбидная керамика.
К карбидной керамике относят карборундовую керамику, а также материалы на основе карбидов Ti, Nb, W. Все виды такой керамика обладают высокой электро- и теплопроводностью, огнеупорностью, устойчивостью в бескислородной среде (керамика на основе SiC, которая устойчива до 1500°С в окислительных средах).
Карборундовую керамику изготовляют из порошка SiC или обжигом С в Si.
Она имеет высокий предел прочности при сжатии.
Карбидную керамику используют в качестве конструкционных материалов,
огнеупоров, для изготовления высокотемпературных нагревателей электрических печей и инструментов в металлообрабатывающей промышленности (керамика на основе карбидов W, Ti, Nb).
Силицидная керамика
Среди силицидной керамика наиболее распространена керамика из дисилицида Мо.
Она характеризуется малым электрическим сопротивлением (170-200 мкОм.см), стойкостью в окислительных средах (до 1650°С), расплавах металлов и солей. Изготовляется спеканием порошка MoSi2 с добавками Y2O3 и др. оксидов.