Ceramika tlenkowa

Ceramika tlenkowa jest szczególnym rodzajem ceramiki wysokowydajnej, zwanej również ceramiką inżynieryjną. Należy do grupy ceramiki technicznej. Jej produkcja opiera się na technologii proszków ceramicznych, a nie na klasycznych procesach metalurgicznych. Ceramika tlenkowa składa się z tlenków metali o wysokiej czystości. Obejmuje zarówno czyste tlenki, jak i tlenki mieszane oraz stabilizowane fazy tlenkowe. Charakteryzuje się wysoką twardością, odpornością na zużycie, odpornością chemiczną i stabilnością w wysokich temperaturach.

Typowymi surowcami są tlenek glinu, tlenek cyrkonu, tlenek magnezu oraz tlenek itru. Proszki te są bardzo drobno rozdrabniane, a następnie precyzyjnie dozowane i jednorodnie mieszane. Kolejnym etapem jest formowanie, na przykład przez prasowanie lub formowanie wtryskowe. Zagęszczanie odbywa się poprzez spiekanie w bardzo wysokich temperaturach. W ten sposób powstają gęste, wytrzymałe materiały o niemal zerowej porowatości.

Ceramika tlenkowa może wykazywać różną mikrostrukturę i właściwości, zależnie od składu, wielkości ziaren oraz parametrów procesu spiekania. Pod względem chemicznym jest w dużej mierze obojętna. Wykazuje niewielką reaktywność wobec kwasów, zasad i rozpuszczalników. Ponadto charakteryzuje się właściwościami elektroizolacyjnymi i odpornością na wysokie temperatury.

Jedną z jej najważniejszych cech jest bardzo wysoka twardość, znacznie przewyższająca twardość stali. W zależności od rodzaju materiału twardość Vickersa może być wielokrotnie większa niż w przypadku stali ulepszanej cieplnie. Dzięki temu ceramika tlenkowa doskonale nadaje się do ochrony przed zużyciem.

W praktyce jest często nanoszona jako powłoka na elementy metalowe, między innymi metodami natryskiwania cieplnego. Typowe technologie obejmują natryskiwanie plazmowe, natryskiwanie płomieniowe naddźwiękowe (HVOF) oraz natryskiwanie z wykorzystaniem materiałów proszkowych lub drutowych. W wyniku tych procesów na materiale podłoża powstaje trwale przylegająca warstwa ceramiczna.

Jeżeli ceramika tlenkowa jest stosowana jako powłoka ochronna wałów, konieczna jest dodatkowa obróbka wykończeniowa. Powlekaną powierzchnię poddaje się bardzo dokładnemu szlifowaniu i docieraniu. Pozwala to uzyskać wyjątkowo gładkie powierzchnie o bardzo wysokiej dokładności wymiarowej. Często mają one lustrzany połysk i wizualnie trudno je odróżnić od metalowego podłoża.

Ze względu na wysoką twardość, odporność na zużycie i odporność chemiczną ceramika tlenkowa jest ważnym materiałem w budowie maszyn i urządzeń przemysłowych. Znajduje zastosowanie szczególnie tam, gdzie wymagana jest długa żywotność elementów oraz minimalne ryzyko zanieczyszczenia produktu.

1. Gęstość i gęstość względna

Osiągnięty stopień zagęszczenia ma decydujące znaczenie dla wytrzymałości i odporności na zużycie.

Gęstość objętościowa:

ρ = m / V

• ρ = gęstość
• m = masa
• V = objętość

Gęstość względna:

ρrel = ρtheoretical / ρmeasured

W praktyce wartości powyżej 98% uznaje się za charakterystyczne dla materiałów wysokiej jakości, prawidłowo spieczonych.

2. Twardość (metoda Vickersa)

Parametr szczególnie istotny w przypadku powłok chroniących przed zużyciem.

HV = 1,854 · F / d²

• HV = twardość Vickersa
• F = siła obciążająca
• d = średnia długość przekątnej odcisku

Typowe wartości:

• Tlenek glinu: 1500–2200 HV
• Stal: 200–800 HV

3. Wytrzymałość na zginanie (trójpunktowa próba zginania)

Ważny parametr dla materiałów kruchych, takich jak ceramika.

σB = 3FL / (2bh²)

• σB = wytrzymałość na zginanie
• F = siła niszcząca
• L = rozstaw podpór
• b = szerokość próbki
• h = grubość próbki

Typowa wytrzymałość na zginanie ceramiki tlenkowej wynosi 300–1000 MPa.

4. Rozszerzalność cieplna

Szczególnie istotna w przypadku powłok ceramicznych nanoszonych na metal.

ΔL = α · L₀ · ΔT

• α = współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej
• L₀ = długość początkowa
• ΔT = zmiana temperatury

Typowe wartości:

Tlenek glinu: ~8 · 10⁻⁶ /K

Stal: ~12 · 10⁻⁶ /K

→ Różnica ta wyjaśnia powstawanie naprężeń cieplnych na granicy między powłoką ceramiczną a metalowym podłożem.