Керамические материалы

Под керамикой понимаются поликристаллические материалы, получаемые спеканием неметаллических порошков природного или искусственного происхождения. Керамика относится к основным материалам, оказывающим определяющее влияние на уровень и конкурентноспособность промышленной продукции. В данное время керамика является третьим промышленным материалом после металлов и пластмасс, и первый конкурент металлических сплавов для использования при высоких температурах.

Керамические материалы выгодно отличаются от металлических и полимерных следующими свойствами: многофункциональностью, доступностью сырья, низкой энергоемкостью производства, высокой коррозионной стойкостью и устойчивостью к радиационному воздействию, биологической совместимостью, низкой плотностью.

Однако керамике присущ и ряд существенных недостатков: чувствительность к термоударам (особенно переохлаждению), хрупкость, низкое временное сопротивление, сложность механической обработки.

Эти материалы перспективны для инструментов, деталей двигателей внутреннего сгорания, фильтров, мембран с различной пропускной способностью, элементов искусственных органов, износостойких покрытий, нагревательных элементов и др.

По структуре керамика может быть аморфная и кристаллическая. Кристаллическая фаза – основа керамики. Аморфная фаза представляет собой прослойку стекловидных веществ, которая облегчает процесс изготовления материала и изделий и служит связкой для частиц кристаллической фазы. Количество аморфной фазы может составлять до 40 %. В некоторых видах керамики, полученных из чистых веществ, эта фаза может отсутствовать.

Рис. 5.9. Влияние пористости керамики (П) на ее прочность (К, в относительных единицах).

При отжиге в керамике образуется газовая фаза. В зависимости от формы пор и количества газовой фазы, керамику подразделяют наплотную, без открытых пор и пористую. Наличие пор обусловливает снижение прочности керамики (рис. 5.9). Поэтому для конструкционной керамики пористость в основном нежелательна.

По составу керамику можно подразделить на кислородную,состоящую из оксидов металлов и неметаллических элементов (бериллия, магния, алюминия, кремния, титана, циркония) и бескислородную – нитридную, карбидную, боридную и др.

Корундовая керамика на основе А12О3 получила наибольшее распространение. Характеризуется температурой плавления 2050 °С, плотностью 3,97 г/см3, высокой прочностью, теплостойкостью, химической стойкостью, износостойкостью, диэлектрическими свойствами. Сырьем для получения чистого оксида алюминия являются бокситы, содержащие от 50 до 100 % А12О3. Эта керамика широко применяется для изготовления инструмента, деталей двигателей внутреннего сгорания, высокотемпературных печей, керамических подшипников, тиглей для плавки металлов, сопел, в приборостроении и электротехнике.

Керамика из оксида циркония ZrO2, характеризуется низкой теплопроводностью, высокой прочностью, высокой температурой плавления 2677 °С, плотностью 5,56 г/см3. Поэтому она используется для работы при высоких температурах до 2200 °С. Из нее изготовляют тигли для плавки металлов, тепловую изоляцию печей и реакторов, теплозащитные покрытия на металлах, детали двигателей внутреннего сгорания. Недостатками этой керамики является низкая стойкость к резкой смене температур и высокая стоимость.

Керамика из оксида магния MgO имеет высокую температуру плавления 2800 °С, плотность 3,58 г/см3, обладает стойкостью к действию основных шлаков различных металлов. Поэтому применяется для изготовления тиглей и футеровки печей. Недостаток оксида магния – летучесть при высоких температурах, низкая термическая стойкость.

Керамика из оксида бериллия ВеО характеризуется высокой теплопроводностью и термостойкостью, температурой плавления 2580 °С, плотностью 3,03 г/см3, низкой прочностью, хорошо рассеивает ионизирующее излучение и замедляет тепловые нейтроны. Поэтому используется в конструкции ядерных реакторов и для изготовления тиглей для плавки металлов. Недостатками этой керамики является высокая стоимость и токсичность.

Карбид кремния SiC обладает высокой твердостью, прочностью, химической стойкостью, жаростойкостью до 1800 °С, температурой плавления 2600 °С, плотностью 3,2 г/см3. Применяется в качестве абразивного материала, защитного покрытия графита, деталей двигателей внутреннего сгорания, нагревательных стержней (рис. 5.10).

Рис. 5.10. Сопла для газосварочных аппаратов из керамики на основе карбида

Нитрид кремния Si3N4 характеризуется высокой прочностью, жаропрочностью, износостойкостью, жаростойкостью до 1800°С, Нитрид кремния Si3N4 характеризуется высокой прочностью, жаропрочностью, износостойкостью, жаростойкостью до 1800°С, плотностью 3,2 г/см3. Применяется для деталей двигателей внутреннего сгорания.

Бориды тугоплавких металлов (TiB2, ZrB2) характеризуются высокой твердостью, износостойкостью, обладают металлическими свойствами, очень высокой температурой плавления. Их используют в качестве износостойких и защитных покрытий. ZrB2 используют для изготовления термопар, работающих в среде расплавленных металлов.

Одним из основных недостатков керамики является ее хрупкость, так как для распространения трещины в керамическом материале расходуется энергии в тысячу раз меньше, чем в металлах. Снижения хрупкости добиваются путем введением в состав диоксида циркония, армирования керамики волокнами из хрома, никеля, ниобия, вольфрама. Применяется также специальная технология формирования в структуре микротрещин (рис. 5.11).

Рис. 5.11. Схема упрочнения конструкционной керамики включениями ZrO2 (а), волокнами (б) и мелкими трещинами (в): 1 – тетрагональный ZrO2;

2 – моноклинный ZrO2

Первый способ основан на том, что в диоксиде циркония ZrO2 под давлением происходит полиморфное превращение тетрагональной кристаллической структуры в моноклинную, имеющую на 3-5% больший объем. Расширяясь, зерна ZrO2 сжимают трещину, и она теряет способность к распространению. Второй способ состоит в создании композиционного материала. Введенные в керамику волокна встречают распространяющуюся трещину и останавливают ее рост. Третий способ состоит в том, что с помощью специальных технологий весь керамический материал пронизывают микротрещинами. При встрече основной трещины с микротрещиной угол в острие трещины возрастает, происходит затупление трещины, и она дальше не распространяется.

Керамика в двигателях.Конструкционная керамика допускает применение более высоких температур по сравнению с металлом и поэтому является перспективным материалом для двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных двигателей. Помимо более высокого КПД двигателей за счет повышения рабочей температуры преимуществом керамики является низкая плотность и теплопроводность, повышенная термо- и износостойкость. Кроме того, при ее использовании снижаются или отпадают расходы на систему охлаждения.

Вместе с тем следует отметить, что в технологии изготовления керамических двигателей остается ряд нерешенных проблем. К ним, прежде всего, относятся проблемы обеспечения надежности, стойкости к термическим ударам, разработки методов соединения керамических деталей с металлическими и пластмассовыми.

Наиболее эффективно применение керамики для изготовления дизельных адиабатных поршневых двигателей, имеющих керамическую изоляцию, и высокотемпературных газотурбинных двигателей. Компания «CamminEngine» (США) освоила производство двигателя грузовика с плазменными покрытиями из ZrО2, нанесенными на днище поршня, внутреннюю поверхность цилиндра, впускные и выпускные каналы. Экономия топлива на 100 км пути составила более 30 %. Фирма «Isuzu» (Япония) сообщила об успешной разработке керамического двигателя, работающего на бензине и дизельном топливе (рис. 5.12).

Рис. 5.12. Детали двигателя на основе оксидной керамики

Двигатель развивает скорость до 150 км/ч, коэффициент полноты сгорания топлива на 30-50 % выше, чем у обычных двигателей, а масса на 30 % меньше.

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.

Для изготовления режущего инструмента применяют керамику на основе оксида циркония, карбидов и нитридов титана, а также нитрида бора и нитрида кремния.

Режущие керамические пластины используются для оснащения различных фрез, токарных резцов, специальных инструментов.