Керамические материалы

Керамические материалы

Керамическая технология и классификация керамики

Керамика относится к основным материалам, оказывающим определяющее влияние на уровень и конкурентоспособность промышленной продукции. Это влияние сохранится и в ближайшем будущем. Освоение производства керамики в конце 1960-х гг. явилось настоящей революцией в материаловедении. За короткое время керамика стала, по общему мнению, третьим промышленным материалом после металлов и полимеров.

Керамика была первым конкурентоспособным по сравнению с металлами классом материалов для использования при высоких температурах.

Основными разработчиками и производителями керамических материалов являются США и Япония. В табл. 9.1 приведены характеристики основных видов керамики. Исследование, проведенное Национальным бюро стандартов США, показало, что использование керамических материалов позволило к 2000 г. осуществить экономию ресурсов страны в размере более 3 млрд долл. Ожидаемая экономия была достигнута прежде всего за счет использования транспортных двигателей с деталями из керамики, керамических материалов для обработки резанием и оптокерамики для передачи информации. Помимо прямой экономии применение керамики позволяет снизить расход дорогих и дефицитных металлов: титана и тантала в конденсаторах, вольфрама и кобальта в режущих инструментах, кобальта, хрома и никеля в тепловых двигателях.

Таблица 9.1. Характеристика основных видов керамики

Керамическая технология предусматривает следующие основные этапы: получение исходных порошков, консолидация порошков, т. е. изготовление компактных материалов, их обработка и контроль изделий. При производстве высококачественной керамики с высокой однородностью структуры используют порошки исходных материалов с размером частиц до 1 мкм. Процесс получения столь высокой степени дисперсности требует больших энергозатрат и является одним из основных этапов керамической технологии.

Получение исходных порошков производится механическим путем с помощью мелющих тел, а также распылением измельчаемого материала в жидком состоянии, осаждением на холодных поверхностях из парогазовой фазы, виброкавитационным воздействием на частицы, находящиеся в жидкости, с помощью самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и другими методами. Для сверхтонкого помола (частицы менее 1 мкм) наиболее перспективны вибрационные мельницы, или аттриторы.

Консолидация керамических материалов состоит из процессов формования и спекания. Различают три основные группы методов формования:

прессование под действием сжимающего давления, при котором происходит уплотнение порошка за счет уменьшения пористости;
пластичное формование выдавливанием прутков и труб через мундштук (экструзия) формовочных масс с пластификаторами, увеличивающими их текучесть;
шликерное литье для изготовления тонкостенных изделий любой сложной формы, при котором для формования используют жидкие суспензии порошков.

При переходе от прессования к пластичному формованию и шликерному литью увеличиваются возможности изготовления изделий сложной формы, однако усложняется процесс сушки изделий и удаления пластификаторов из керамического материала. Поэтому для изготовления изделий сравнительно простой формы предпочтение отдается прессованию, а более сложной — экструзии и шликерному литью.

При спекании отдельные частицы порошков превращаются в монолит, при этом формируются окончательные свойства керамики. Процесс спекания сопровождается уменьшением пористости и усадкой.

Применяют печи для спекания при атмосферном давлении, установки горячего изостатического прессования (газостаты), прессы горячего прессования с усилием прессования до 1500 кН. Температура спекания в зависимости от состава может составлять 2000…2200°С.

Часто применяют совмещенные методы консолидации, сочетающие формование со спеканием, а в некоторых случаях — синтез образующегося соединения с одновременным формованием и спеканием.

Обработка керамики и контроль являются основными составляющими в балансе стоимости керамических изделий. По некоторым данным, стоимость исходных материалов и консолидации составляет всего 11% (для металлов — 43%), в то время как на обработку приходится 38% (для металлов — 43%), а на контроль — 51% (для металлов — 14%). К основным методам обработки керамики относятся термическая обработка и размерная обработка поверхности. Термическая обработка керамики производится с целью кристаллизации межзеренной стеклофазы. При этом на 20…30% повышаются твердость и вязкость разрушения материала.

Большинство керамических материалов с трудом поддается механической обработке, поэтому основным условием керамической технологии является получение при консолидации практически готовых изделий. Для доводки поверхностей керамических изделий применяют абразивную обработку алмазными кругами, электрохимическую, ультразвуковую и лазерную обработки. Эффективно применение защитных покрытий, позволяющих устранить мельчайшие поверхностные дефекты — неровности, риски и т. д.

Для контроля керамических деталей чаще всего используют рентгеновскую и ультразвуковую дефектоскопии.

Учитывая, что большинство керамических материалов имеет низкую вязкость и пластичность и соответственно низкую трещиностойкость для аттестации изделий применяют методы механики разрушения с определением коэффициента интенсивности напряжений K_Iс. Одновременно строят диаграмму, показывающую кинетику роста дефекта.

Количественно вязкость разрушения кристаллической керамики и стекла составляет 1…2 МПа×м^1/2, в то время как для металлов значения K_Iс значительно выше (более 40 МПа×м^1/2). Прочность химических межатомных связей, благодаря которой керамические материалы обладают высокой твердостью, химической и термической стойкостью, одновременно обусловливает их низкую способность к пластической деформации и склонность к хрупкому разрушению.

Возможны два подхода к повышению вязкости разрушения керамических материалов:

традиционный, связанный с совершенствованием способов измельчения и очистки порошков, их уплотнения и спекания;
заключающийся в торможении роста трещин под нагрузкой.

Существует несколько способов торможения роста трещин. Один из них основан на том, что в некоторых керамических материалах, например в диоксиде циркония ZrO₂, под давлением происходит перестройка кристаллической структуры. Исходная тетрагональная структура ZrO₂ переходит в моноклинную, имеющую на 3…5% больший объем. Расширяясь, зерна ZrO₂ сжимают трещину, и она теряет способность к распространению (рис. 9.1, а). При этом сопротивление хрупкому разрушению возрастает до 15 МПа×м^1/2.

Рис. 9.1.Схема упрочнения конструкционной керамики включениями диоксида циркония ZrO₂ (a), волокнами (б) и мелкими трещинами (в):
1 — тетрагональный ZrO₂; 2 — моноклинный ZrO₂

Второй способ (рис. 9.1, б) заключается в создании композиционного материала путем введения в керамику волокон из более прочного керамического материала, например карбида кремния SiC. Развивающаяся трещина на своем пути встречает волокно и дальше не распространяется. Сопротивление разрушению стеклокерамики с волокнами SiC возрастает до 18…20 МПа×м^1/2, существенно приближаясь к соответствующим значениям для металлов.

Третий способ состоит в том, что с помощью специальных технологий весь керамический материал пронизывают микротрещинами (рис. 9.1, в). При встрече основной трещины с микротрещиной угол в острие трещины возрастает, происходит затупление трещины, и дальше она не распространяется.

Определенный интерес представляет физико-химический способ повышения надежности керамики, который реализован для одного из наиболее перспективных керамических материалов на основе нитрида кремния Si₃N₄. Способ основан на образовании определенного стехиометрического состава твердых растворов оксидов металлов в нитриде кремния, получивших название сиалонов.

Примером высокопрочной керамики, образующейся в этой системе, являются сиалоны состава Si₆ _- _xAl_xN₈ _- _xO_x, где х — число замещенных атомов кремния, азота в нитриде кремния, x = 0—4,2. Важным свойством сиалоновой керамики является стойкость к окислению при высоких температурах, значительно более высокая, чем у нитрида кремния.

Свойства и применение керамических материалов

Общие сведения.Принципиальными недостатками керамики являются ее хрупкость и сложность обработки. Керамические материалы плохо работают в условиях механических или термических ударов, при циклических условиях нагружения. Им свойственна высокая чувствительность к надрезам. В то же время керамические материалы обладают высокой жаропрочностью, превосходной коррозионной стойкостью и малой теплопроводностью, что позволяет с успехом использовать их в качестве элементов тепловой защиты.

При температуре выше 1000°С керамика прочнее любых сплавов, в том числе суперсплавов, а сопротивление ползучести и жаропрочность ее выше.

К основным областям применения керамических материалов относятся режущий инструмент, детали двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных двигателей и др.

Режущий керамический инструмент.Режущая керамика характеризуется высокой твердостью, в том числе при нагреве, износостойкостью, химической инертностью к большинству металлов в процессе резания. По комплексу этих свойств керамика существенно превосходит традиционные режущие материалы — быстрорежущие стали и твердые сплавы (табл. 9.2).

Таблица 9.2. Свойства инструментальных материалов
Свойство	Быстрорежущая сталь	Твердый сплав	Kерамика на основе Аl₂О₃
Твердость HV
Температура размягчения, °С
Температура начала образования окалины, °С			—

Высокие свойства режущей керамики позволили существенно повысить скорости механической обработки стали и чугуна (табл. 9.3).

Таблица 9.3. Значения скорости резания при точении керамическим инструментом и инструментом из твердого сплава

12 Следующая ⇒