Prof. dr hab. M.Szafran SPIEKANIE

Mechanizmy przenoszenia masy w toku spiekania swobodnego i pod ciśnieniem w układzie jednofazowym 1 – Dyfuzja powierzchniowa 2 – Dyfuzja objętościowa 3 – Dyfuzja po granicach ziaren 4 – Dyfuzyjne pełzanie lepkościowe 5 – Wzajemny poślizg po granicach ziaren 6 – Odkształcenie plastyczne 7 – Przenoszenie masy poprzez fazę gazową

krzywa rozkładu spieku krzywa rozkładu proszku Krzywe rozkładu ziarnowego proszku i spieku w procesie rekrystalizacji jednorodnej krzywa rozkładu spieku krzywa rozkładu proszku mm

Schematyczne przedstawienie przekroju polikrystalicznej próbki Stopień krzywizny granic międzyziarnowych zmienia się wraz ze zwiększeniem liczby boków od wartości mniejszej od 6 do wartości większej od 6 Promień krzywizny jest tym mniejszy, czym bardziej ilość boków różni się od 6 strzałkami zaznaczono kierunki, w których powinny migować granice między ziarnowe

ceramika zaawansowana Struktura ziarnowa ceramika tradycyjna ceramika zaawansowana Szkło bogate w kwarc Duże igły mullitu wykrystalizowane ze szkła skaleniowego Drobne kryształy mullitu w osnowie szklistej roztworu z cząstek minerału ilastego Pęknięcia wokół ziaren kwarcu powstałe podczas chłodzenia Częściowo rozpuszczone ziarno kwarcu otoczone szkłem bogatym w kwarc

Ziarna piasku kwarcowego Ceramiczne tworzywo porowate z SiO2 SEM (spoiwo topiące się podczas procesu spiekania 900 oC/3h)

Ceramiczne tworzywo porowate z elektrokorundu 1300 oC/3h Ziarna elektrokorundu

Schemat układu do spiekania pod naciskiem mechanicznym jednoosiowym Podstawowym elementem jest matryca wykonana z materiału ogniotrwałego. Proszek (1) zasypuje się w matrycy (3), zaprasowuje za pomocą stempli (2) i spieka w piecu (4 – piec, 5 – osłona, 6 – chlodzenie wodne) stosując odpowiedni przebieg temperatury, ciśnienia i skład atmosfery.

Materiały stosowane na matryce do jednoosiowego spiekania pod ciśnieniem

Przykłady spiekania pod ciśnieniem proszków

Zalety i wady spiekania pod ciśnieniem

Schemat układu do spiekania HIP (hot isostatic pressing) komora ciśnieniowa izolacja ogrzewanie wyrób Ar/N2

ZWARTOŚĆ Gęstość d (gęstość piknometryczna, gęstość teoretyczna, gęstość rentgenowska) (true specific gravity, powder specific gravity, absolute specific gravity, specific gravity) [g/cm3] m -masa próbki [g], V -objętość próbki bez porów [cm3] m1 -masa piknometru z cieczą [g], m2 -masa piknometru z cieczą i próbką [g], D – gęstość cieczy (najczęściej woda) [g/cm3] Gęstość piknometryczna d [g/cm3] Gęstość teoretyczną –można obliczyć metodą addytywną znając gęstość poszczególnych składników tworzywa (faz) i ich udziały wagowe Gęstość rentgenowską – można obliczyć dla jednorodnych faz krystalicznych znając ich objętość komórki elementarnej i masę znajdujących się w niej atomów Gęstość pozorna dv [g/cm3] Nasiąkliwość wodna N [%] ms -masa próbki suchej [g], mw -masa próbki nasączonej wodą [g], Porowatość otwarta Po [%] Porowatość zamknięta Pz [%] Porowatość całkowita Pc [%]

Gęstości pozorne tworzyw ceramicznych dv [g/cm3] porowate cegły i dachówki 1,8 ceramika budowlana 1,9 kamionka 1,82,2 porcelana twarda 2,32,2 ceramika mullitowa 2,8 porcelana cyrkonowa 3,4 3,8 Si3N4 (HP) 3,1 3,2 SiC (HP) 3,0 3,2 BC 2,322,5 grafit 1,6 1,9 Si 2,3 WC 15,8 ceramika korundowa 99% 3,65 3,9 ceramika berylowa BeO 2,8 2,9 tlenek chromu 4,24,4 ceramika MgO (HP) >3,5 ThO2 9,2 9,6 ZrO2 (Y2O3) 5,0 5,8 glin 2,7 żelazo 7,87 miedź 8,9 srebro 10,4 ołów 11,87

Wytrzymałość mechaniczna –. zdolność materiałów do wytrzymywania Wytrzymałość mechaniczna – zdolność materiałów do wytrzymywania obciążeń bez zniszczenia. Wytrzymałość na ściskanie sc [MPa] h  P P – siła niszcząca próbkę [N], S – powierzchnia próbki (S=2/4) poddanej obciążeniu [m2] Wytrzymałość na zginanie zg [MPa] h P b l P – siła powodująca zerwanie próbki [N], l – odległość między podporami [m] b – szerokość próbki [m] h – wysokość próbki [m]

Wytrzymałość na rozrywanie roz [MPa]  P P – siła niszcząca próbkę [N], S – powierzchnia próbki (S=2/4) poddanej obciążeniu [m2] „Test brazylijski” P P – siła niszcząca próbkę [N], D – średnica próbki [m], h – wysokość próbki [m]

Friedrich Mohs (1773 - 1839). największy diament 101 karatów (4 mln euro)

TWARDOŚĆ rzeczywista skala twardości skala Mohsa skala twardości Mohsa talk gips kalcyt fluoryt apatyt ortoklaz kwarc topaz korund diament skala Mohsa TWARDOŚĆ skala twardości Mohsa rzeczywista skala twardości talk apatyt gips kalcyt fluoryt ortoklaz kwarc topaz korund diament

talk gips kalcyt Mg3(OH)2Si4O10 CaSO4 x 2H2O CaCO3

fluoryt apatyt ortoklaz K[AlSi3O8] CaF2 Ca5X(PO4)3 gdzie X = F, Cl, OH

kwarc topaz korund SiO2 Al2SiO4(OH, F)2 Al2O3

diament - C Radiant Cut Diamond Round Cut Diamond Oval Cut Diamond Marquise Cut Diamond Straight Baguette Cut Diamond

Twardość Vickersa

Tarcza Boehmego Ścieralność Ścieralność jest to odporność na ścieranie, określana zmniejszeniem masy, objętości, wysokości lub grubości pod wpływem czynników ścierających. Miarą ścieralności jest ubytek wysokości badanej próbki lub masy w wyniku ścierania na specjalnych aparatach np. tarcza Boehmego. Tarcza Boehmego

Ogniotrwałość zwykła Ogniotrwałość pod obciążeniem

ceramika monolityczna metal ceramika monolityczna katastroficzne zniszczenie odkształcenie obciążenie

metale rozkład Gaussa ceramika rozkład Weibulla prawdopodobieństwo

Linearyzacja ln Rozkład Weibulla 3- i 2-parametrowy wytrzymałości na zginanie Ceramika korundowa

Prawdopodobieństwo kruchego zniszczenia Pf przy wytrzymałości na rozciąganie  dla różnych wartości modułu Weibulla m Wartości modułu Weibulla m dla wybranych materiałów Rodzaj materiału Wartość m aluminium 20 stal 30 porcelana elektrotechniczna 510 ceramika korundowa: 99 % Al2O3 97 % Al2O3 9o % Al2O3 1520 10 steatyt 89

Klasyfikacja materiałów wg odporności na kruche pękanie

Sposoby wzmacniania tworzyw ceramicznych d e a – rozproszenie twardych cząstek w osnowie b – wywołanie dużej ilości mikropęknięć c – spowodowanie przemiany fazowej w obszarze wierzchołka mikropęknięcia d – „mostkowanie” mikropęknięć przez ciągliwe ziarna drugiej fazy e – mechanizm wyciągania wydłuzonych ziaren

Krzywa dylatometryczna dla tlenku cyrkonu Mechanizm wzrostu odporności na pękanie osnowy ceramicznej zawierającej jednoskośny ZrO2 Krzywa dylatometryczna dla tlenku cyrkonu a) T>T1 , b) i c) T<T1