Оксидная керамика
Оксидная керамика — это особый вид высокопрочной или инженерной керамики. Она относится к области технической керамики. Ее производство основано на технологии керамического порошка, а не на классической металлургии. Оксидная керамика состоит из высокочистых оксидов металлов. Оксидная керамика включает в себя чистые оксиды, а также смешанные оксиды и стабилизированные оксидные фазы и отличается высокой твердостью, износостойкостью, химической стойкостью и температурной стабильностью.
Типичными исходными материалами являются оксид алюминия, оксид циркония, оксид магния или оксид иттрия. Эти порошки измельчаются до очень мелкого размера. Затем они точно дозируются и смешиваются до однородной консистенции. Затем следует формование, например, путем прессования или литья под давлением. Уплотнение происходит путем спекания при очень высоких температурах. В результате получаются плотные, прочные и практически непористые материалы.
Оксидные керамики могут иметь различную структуру и свойства. Они зависят от состава, размера зерен и способа спекания. Химически оксидные керамики в основном инертны. Они практически не вступают в реакцию с кислотами, щелочами или растворителями. Кроме того, они являются электроизоляторами и термостойкими.
Их основной характеристикой является очень высокая твердость. Она значительно превосходит твердость стали. В зависимости от материала твердость по Виккерсу может в несколько раз превышать твердость закаленной стали. Благодаря этому оксидные керамики отлично подходят для защиты от износа.
На практике они часто наносятся в качестве покрытия на металлические детали. Это делается, в частности, с помощью метода термического напыления. Типичными методами являются плазменное напыление, высокоскоростное газопламенное напыление или напыление с помощью систем, заполненных порошком или проволокой. В результате на основном материале образуется прочно прилипающий керамический слой.
Если оксидная керамика используется в качестве защиты вала, требуется последующая обработка. Покрытая поверхность подвергается микрошлифованию и притирке. В результате получаются чрезвычайно гладкие и очень точные по размерам поверхности. Они часто имеют зеркальную гладкость. Визуально их часто трудно отличить от металлического субстрата. Благодаря своей твердости, износостойкости и химической стойкости оксидная керамика является основным материалом в машиностроении и производстве оборудования. Ее часто используют там, где требуется высокая долговечность и низкий уровень загрязнения.
1. Плотность и относительная плотность
Достигнутая плотность имеет решающее значение для прочности и износостойкости.
Плотность в сыром виде:
ρ = m / V
- ρ = плотность
- m = масса
- V = объем
Относительная плотность:
ρrel = ρtheoretical /ρmeasured
На практике значения выше 98 % считаются высококачественными спеченными.
2. Твердость (твердость по Виккерсу)
Очень важно для износостойких покрытий.
HV = 1,854 ⋅ F/d2
- HV = твердость по Виккерсу
- F = испытательная сила
- d = средняя диагональ вмятины
Типичные значения:
- Оксид алюминия: 1500–2200 HV
- Сталь: 200–800 HV
3. Прочность на изгиб (3-точечное испытание на изгиб)
Важно для хрупких материалов, таких как керамика.
σB = 3FL/(2bh2)
- σB = прочность на изгиб
- F = разрушающая сила
- L = пролет
- b = ширина образца
- h = толщина образца
Оксидные керамики обычно имеют прочность 300–1000 МПа.
4. Тепловое расширение
Важно для керамических покрытий на металле.
ΔL = α⋅L0⋅ ΔT
- α = коэффициент линейного теплового расширения
- L0 = исходная длина
- ΔT = изменение температуры
Типичные значения:
Оксид алюминия: ~8 · 10⁻⁶ /K
Сталь: ~12 · 10⁻⁶ /K
→ объясняет термические напряжения на границах раздела.