Spieki i ceramika, kompozyty - Instytut Inżynierii Materiałowej
advertisement
Politechnika Łódzka Wydział Mechaniczny Instytut Inżynierii Materiałowej LABORATORIUM NAUKI O MATERIAŁACH Ćwiczenie nr 10 Temat: Spieki i ceramika, kompozyty Łódź 2010 1. Wstęp teoretyczny 1.1. Materiały spiekane Stosowane dotychczas w technice materiały wytwarzane są drogą stapiania składników, a metody ich otrzymywania wywodzą się ze stanu płynnego. Wiadomo jednak, że nie wszystkie składniki wykazuję wzajemną rozpuszczalność w fazie ciekłej lub z uwagi na wysokie temperatury topienia doprowadzenie ich do startu płynnego byłoby technicznie bardzo trudne. Metoda wytwarzania materiałów technicznych, w których nie przechodzi się przez stan płynny nazywana jest metalurgią proszków. Zaletami tej technologii są: ekonomiczność produkcji masowej, praktycznie bezodpadowość produkcji, możliwość bardzo szerokiego modyfikowania wyrobów, możliwość tworzenia materiałów kompozytowych. Materiałami wyjściowymi w metalurgii proszków są proszki metali, metaloidów lub ich związków, które podlegają następującym operacjom: przygotowanie proszków, zagęszczanie (np. prasowanie matrycowe), spiekanie, kalibrowanie. Proszki metali wytwarza się jedną z następujących metod: a) rozpylania ciekłego metalu sprężonym powietrzem (RZ), b) rozpylania wirującą tarczą z łopatkami (BPG), c) rozpylania strumieniem wody, d) elektrolityczną, e) rozdrabniania mechanicznego "Hametag", f) karbonylkową. Tak przygotowane proszki miesza się z substancjami nadającymi od powiędnie cechy podczas prasowania, które przeprowadza się na prasach 10 ÷ 3000 t umieszczając materiał w matrycach. Spiekanie polega na wyżarzaniu sprasowanych części w atmosferze ochronnej z udziałem lub bez fazy ciekłej. Podczas spiekania zachodzą procesy dyfuzyjne oraz procesy płynięcia wiskozyjnego prowadzące do ujednolicenia materiału. Tak wykonane spieki wykańcza się mechanicznie - stosując przetłaczanie wykańczające lub obróbkę skrawaniem. Spieki można poddawać również w zależności od ich przeznaczenia nasycaniu niemetalami (siarka, żywica epoksydowe, fenolowe, teflon), obróbce galwanicznej lub obróbce dyfuzyjnej, chromowaniu, nawalaniu, aluminiowaniu. Spieki możemy podzielić na: a) spieki węglików na narzędzia do obróbki mechanicznej, b) spieki metali trudnotopliwych, c) spieki porowate na łożyska porowata lub uszczelnienia, d) spieki magnetyczne i na styki w elektrotechnice, e) cermetale jako konstrukcyjny materiał żaroodporny lub cierny, f) na wyroby zastosowania masowego. Najbardziej typowe materiały narzędziowe z grupy tworzyw spiekanych stanowią węgliki spiekane. Węgliki spiekane - materiały nie podlegające obróbce cieplnej, ani plastycznej Charakteryzuję się wysoką twardością w wysokich temperaturach, odpornością na ścieranie i znaczne kruchością. Głównym składnikiem węglików spiekanych jest WC. Gatunki zawierające WC+Co służą do obróbki żeliwa, metali nieżelaznych, mas plastycznych, materiałów ceramicznych, węgla i szkła. Do obróbki stali stosuje się gatunki węglików zawierające TiC, co ok. 20-krotnie zmniejsza skłonność do zgrzewania się z materiałem obrobionym. Dodatek TaC powoduje zmniejszenie skłonności do erozji, a ponadto powoduje wzrost twardości w wysokich temperaturach i wytrzymałości na zginanie. Węgliki spiekane wykorzystywane są do produkcji: - nakładek narzędzi w obróbce wiórowej (w postaci wymiennych płytek), - ostrzy świdrów i narządzi górniczych, - narzędzi do obróbki plastycznej. 1.2. Tworzywa ceramiczne Ceramika jest to nieorganiczny materiał o jonowych i kowalencyjnych wiązaniach atomów. W chwili obecnej określenie ceramika obejmuje: ceramikę klasyczną (opartą na glino-krzemach), bardzo czyste i silnie zagęszczona jednoskładnikowe układy tlenków, węglików, azotków i cermetale. Struktury krystaliczne ceramik są liczne i różnorodne. Zmieniają się one od zakresu sześciennej struktury MgO poprzez warstwową strukturę miki do wstęgowej struktury azbestu amfibolowego. Struktury te wykazują niską symetrię, co może powodować zjawisko piezoelektryczności, powstawania ładunków statycznych przy odkształceniach sprężystych (np. kwarc). Własności mechaniczne materiałów ceramicznych charakteryzuje brak plastyczności, duża twardość, sztywność i dobra wytrzymałość na ściskanie. Wytrzymałość na rozciąganie jest mała na skutek oddziaływania mikropęknięć. 1.2.1 Ceramika klasyczna Klasyczne odmiany ceramiki produkowane są z trzech składników: gliny, krzemionki, skalenia. Glina składa się głównie ze złożonych połączeń Al2O3, SiO2, i H2O i dzięki niej jest możliwa obróbka plastyczna przed wypaleniem. Krzemionka jest krystaliczną odmianą SiO2, zwaną także kwarcem. Jest to tani składnik ogniotrwały. Skaleń potasowy zawiera K2O, Al2O3 i SiO2. Jest to składnik niskotopliwy, który podczas wypalania tworzy szkło i wiąże krystalicznie składniki ogniotrwała 1.2.2 Ceramika nowoczesna Termin ten ograniczony jest tutaj do opisania prostych związków, takich jak: tlenki, węgliki i azotki, które są obecnie wytwarzane w czystym stanie krystalicznym o bardzo małej lub zerowej porowatości. W przeciwieństwie od ceramiki tradycyjnej nowa ceramika wymaga bardzo ścisłej kontroli jakości, w celu uzyskania ściśle określanego produktu. Proces wytwarzania tej ceramiki polega typowo na spiekaniu lub prasowaniu na gorąco suchych proszków. Przykładami nowej ceramiki są: tlenek berylu i tlenek uranu, stosowane w reaktorach atomowych, węglik boru najtwardszy ze znanych materiałów, stosowany na lekkie płyty pancerne i na łożyska gazowe; węglik krzemu, stosowany od dawna na elementy grzejne, materiały ogniotrwałe i ścierne, azotek krzemu, stosowany na doświadczalne łopatki turbin gazowych i łożyska; tytanian baru, charakteryzujący się stałą dielektryczny powyżej 1000, albo jego modyfikacje, które mają stałe dielektryczne dochodzące do 10000 1.3 Materiały kompozytowe Wymagania stawiane materiałom przez nowoczesną, stale rozwijającą się technikę, nie mogą być już w wielu przypadkach zaspokajane przez istniejące tradycyjne materiały konstrukcyjne, nawet po zastosowaniu do nich wielu zabiegów ulepszających, podnoszących ich własności mechaniczne. Ostatnie lata przyniosły więc rozwój nowej grupy materiałów, zwanych materiałami kompozytowymi, które powszechnie uważa się za materiały przyszłości, tzn. takie, które są w stanie sprostać wysokim wymaganiom techniki. Podstawową zaletą materiałów złożonych jest fakt, że są one lżejsze, sztywniejsze i bardziej wytrzymałe od jakichkolwiek produkowanych uprzednio. Możliwość łączenia ze sobą materiałów o bardzo zróżnicowanych charakterystykach mechanicznych i różnorodnych formach geometrycznych stwarza olbrzymie możliwości w dziedzinie projektowania i tworzenia, nowych materiałów o ciekawych, określonych z góry własnościach. Określenie i podział materiałów kompozytowych W szerokim pojęciu praktycznym większość materiałów współczesnych stanowi kompozycje, ponieważ materiały w czystej postaci znajdują zastosowanie stosunkowo bardzo rzadko. Przyjmuje się pod określeniem kompozyty rozumieć tylko te materiały, które spełniają następujące warunki: 1. kompozycja materiałowa została stworzona sztucznie, 2. kompozycja musi składać się co najmniej dwóch chemicznie różnych materiałów o określonej granicy rozdziału, 3. komponenty charakteryzują kompozycję swoimi udziałami objętościowymi, 4. kompozycja charakteryzuje się takimi własnościami, jakich nie posiadają komponenty osobno. Ta ostatnia cecha kompozycji jest szczególnie interesująca z punktu widzenia inżynierii materiałowej, ponieważ stwarza możliwość projektowania materiałów konstrukcyjnych o określonych własnościach mechanicznych na drodze odpowiedniego doboru komponentów; Materiały kompozytowe spełniające wymienione cztery warunki można podzielić na trzy podstawowe grupy: 1. umacniane dyspersyjnie, 2. umacniane cząstkami, 3. umacniane włóknami ciągłymi lub nieciągłymi (dyskretnymi). Podział ten znajduje odbicie w mikrostrukturze materiałów wzmacnianych lub ogólnie mówiąc - kompozytowych. Materiały umacniane dyspersyjnie posiadają osnowę z prostego ok.15%. Jeżeli rozmiary cząstek umacniających przewyższają 1,0 m, a ich koncentracja przewyższa w przybliżeniu 25% udziału objętościowego, to tego rodzaju umocnienie zalicza się już na ogół do umocnienia cząsteczkami. Wielkość fazy zbrojącej w materiałach zbrojonych włóknami, wyrażona w procentowym udziale objętościowym, waha się w granicach od kilku procent do ok. 70% i więcej, a średnice włókna. zmieniają się od mikrometra, do dziesiątek i setek mikrometrów. Osobliwość mikrostruktury tych materiałów polega na tym:, że jeden z wymiarów fazy zbrojącej jest bardzo duży. Efektywność umocnienia materiału wyrazić można tzw. współczynnikiem umocnienia – KU, który określany jest stosunkiem naprężenia na granic plastyczności materiału kompozytowego do naprężenia na granicy plastyczności osnowy: Zależność pomiędzy współczynnikiem umocnienia i wielkościami cząstek wzmacniających, względnie stosunkiem długości włókna do jego średnicy, obrazują wykresy przedstawione na rysunku. 1. Wykresy te opracowano na podstawie danych zarówno eksperymentalnych, jak również, obliczeń teoretycznych zakładając, że materiał obciążany był równolegle do kierunku włókien zbrojących. Rysunek 1. Wpływ ilości i wielkości komponentów zbrojących na współczynnik umocnienia Ku w temperaturze otoczenia (2) Jak widać z rysunku. 1. dla materiałów umocnionych cząstkami o wymiarach zmieniających się w granicach od ok. 10-3 do 1µm, współczynnik umocnienia KU zmienia się w granicach 30 3. Wraz ze wzrostem średnicy cząstek wartość współczynnika umocnienia KU nieprzerwanie maleje, zbliżając się do dolnego przedziału pomiędzy KU = 1 i KU = 3. Dla m wielkość współczynnika KU pozostaje praktycznie nie zmieniona. Przy zbrojeniu włóknami wielkość współczynnika KU znacznie wzrasta. Ilustruje to prawa część rysunku 1. Jak widać z przytoczonych wykresów wielkość współczynnika umocnienia zależy od stosunku długości włókna ( l/dw), średniej wytrzymałości włókna W oraz udziału objętościowego włókien zbrojących VW. 1.3.1 Materiały kompozytowe wzmacniane dyspersyjnie W materiałach tych zasadnicze obciążenie przenosi osnowa. Cząsteczki dyspersyjne przeciwstawiają się ruchowi dyslokacji, powodując w efekcie pewne umocnienie materiału. Przyjmuje się zatem że stopień wzmocnienia osnowy jest proporcjonalny do zdolności przeciwstawiania się cząsteczek ruchowi dyslokacji. Do podstawowych parametrów, od których zależy efektywność umocnienia należą: λ średnia droga swobodna w osnowie miedzy cząstkami, Dp - odległość miedzy cząstkami. Wielkości te są związane ze średnicą cząsteczek – dp i wielkością ich udziału objętościowego Vp odpowiednimi zależnościami. Dyslokacje poruszając się w aktywnych płaszczyznach poślizgu mogą Przemieszczać się między cząstkami. Do tego konieczne jest jednak przyłożenie odpowiedniego naprężenia niezbędnego do ugięcia dyslokacji w pętlę półkolista. Przejście dyslokacji pomiędzy cząstkami wywołuje powstanie wokół nich zamkniętych pętli, które zmniejszają odległość miedzy cząsteczkami – Dp. Dlatego przejście następnej dyslokacji miedzy cząsteczkami wymaga już przyłożenia większego naprężenia. Wyjaśnia to problem wzmocnienia materiałów umacnianych dyspersyjnie. Główny efekt dyspersyjnego wzmocnienia polega jednak nie tyle na podniesieniu wytrzymałości kompozycji w porównaniu z wytrzymałością jej metalowej osnowy w temperaturze pokojowej, ile na obniżeniu skłonności materiału osnowy do pełzania oraz podwyższeniu jej wytrzymałości na pełzanie w szerokim przedziale temperatur, nawet do 80% temperatury topnienia osnowy. 1.3.2 Kompozyty wzmacniane cząstkami W materiałach wzmacnianych, cząsteczkami osnowa, odgrywa rolę pośrednią w porównaniu z dwoma pozostałymi typami kompozycji w materiałach wzmacnianych dyspersyjnie, jak wiadomo, osnowa jest składnikiem podstawowym, przenoszącym całe obciążenie. W kompozytach zbrojonych włóknami zadanie osnowy sprowadza się do przekazania obciążenia, włóknom. Natomiast w kompozytach wzmacnianych cząstkami obciążenie przenoszone jest zarówno przez osnowę, jak i przez cząsteczki. Charakter mikrostruktury również jest pośredni, w porównaniu z pozostałymi dwoma grupami: udział objętościowy cząstek wzmacniających przewyższa 25%, a średnice cząstek i średnia droga swobodna w osnowie przekraczają 1µm. Badania kompozycji umacnianych cząsteczkami, w obszarach poza granicą sprężystości, można podzielić na dwie grupy: 1. badania dla kompozycji, w których cząsteczki wzmacniające osiągają swoją granicę plastyczności przed zniszczeniem materiału 2. badania, dla kompozycji, w których cząsteczki wzmacniające nie odkształcają się plastycznie przed zniszczeniem kompozytu. 1.3.3 Materiały kompozytowe wzmacniane włóknami Obciążenie (Pk) w kompozycie zbrojonym włóknami rozkłada się zarówno na włókno (Pw), jak i na osnowę (Po). Siłę obciążającą materiał kompozytowy można więc wyrazić jako sumę dwóch składowych: Zależność powyższą można przedstawić przez naprężenie i udział objętościowy V, wówczas: Zakładając, że pod wpływem przyłożonego obciążenia osnowa i włókno odkształcają się jednakowo, stosunek obciążenia przypadającego na włókna, do obciążenia przypadającego na osnowę można wyrazić następująco: Jak wynika z podanej zależności, dla otrzymania wyższych naprężeń w włóknie zbrojącym, tzn. dla lepszego, efektywnego wykorzystania włókna, konieczne jest, aby jego moduł sprężystości możliwie znacznie przewyższał moduł sprężystości osnowy; Gdy włókno zbrojące posiada niski, w stosunku do osnowy, moduł sprężystości oraz znaczne odkształcenie względne, wówczas jego możliwości umacniania nie będą mogły być w pełni wykorzystane. Ilustruje to najlepiej rysunek 2, na którym przedstawiono wykresy rozciągania dla włókna szklanego i żywicy, oraz analogiczne wykresy dla włókna poliamidowe; i żywicy. Jak widać z rysunku, włókna szklane mogą przejąć większa część obciążenia rozciągającego, zanim żywica osiągnie swą pełną wytrzymałość na rozciąganie, po osiągnięciu całkowitego wydłużenia względnego. Na rysunku. 2 b, sytuacja jest odwrotna. Żywica osiąga swoją granicę wytrzymałości i całkowite wydłużenie względne w momencie, gdy włókna poliamidowe są dopiero w niewielkim stopniu obciążone w stosunku do swoich pełnych możliwości. Dla zapewnienia przejęcia przez włókna możliwie największej części obciążenia wymagany jest, oprócz wymienionych uprzednio cech, odpowiednio duży udział objętościowy włókien w kompozycie. Rysunek 2. Porównanie doraźnej wytrzymałości i wydłużenia granicznego dla: a)włókna szklanego i żywicy, b) włókna poliamidowego i żywicy.(3) W literaturze określa się często maksymalny udział cylindryczny; włókien zbrojących na 80 ÷ 90%. Jednakże prowadzone badania dla kompozycji polimer-włókno szklane wykazały, że optymalny udział objętościowy włókien dla tych kompozycji waha się w granicach 50 ÷ 60%. Z badań tych wynika, że wzrost wytrzymałości kompozycji rośnie w miarę wzrostu udziału objętościowego włókien zbrojących tak długo, dopóki nie osiągnie się pewnej zawartości optymalnej, różnej dla poszczególnych typów kompozycji. Po osiągnięciu tej wartości następuje spadek wytrzymałości kompozycji, pomimo podwyższania procentowej zawartości włókien. Tłumaczyć to można w ten sposób, że po przekroczeniu optymalnego udziału objętościowego zbrojenia, zwilżenie, a następnie złączenie włókien z osnową pogarsza się obniżając tym samym wytrzymałość materiału finalnego, a także wzrastają negatywne skutki konieczności ścisłego współdziałania ze sobą materiałów o mocno zróżnicowanych własnościach fizykomechanicznych. Przy kompozycjach wzmacnianych włóknami rozróżniamy w procesie odkształcania następujące cztery etapy: 1. włókna i osnowa odkształcają się sprężyście, 2. włókna odkształcają się sprężyście, a osnowa zaczyna odkształcać się plastycznie, 3. zarówno włókna, jak i osnowa odkształcają się plastycznie, 4. włókna zrywają się, co powoduje zniszczenie kompozycji. Włókna nieciągłe, w przeciwieństwie do włókien ciągłych, mogą być tylko częściowo nosicielami naprężeń wynikających z granicy wytrzymałości włókna. Naprężenia na końcach włókien o ograniczonej długości są bowiem mniejsze od maksymalnych naprężeń w włóknie ciągłym. Maksymalne naprężenie średnie osiągają włókna jedynie wtedy, gdy ich długość przekroczy pewna długość krytyczną lkr. 1.3.4 Materiały stosowane do zbrojenia kompozytów - zbrojenie komponentami metalicznymi. Do ważnych i szeroko stosowanych komponentów zbrojących zalicza się włókna i druty metalowe. Są one produkowane z różnych metali, jak np. ze stali, tytanu i jego stopów, niklu, wolframu, molibdenu itp. przy zastosowaniu różnych metod i technologii. Mogą to być metody mechaniczne, elektrochemiczne formowanie ze stopu, osadzanie z formy gazowej. W wyniku tak różnych zabiegów technologicznych otrzymywane włókna i druty różnią się często dość znacznie od materiału wyjściowego. W związku z rosnącym zapotrzebowaniem, na bardzo cienkie druty i włókna, nastąpił gwałtowny rozwój nie mechanicznych metod otrzymywania, dających włókna i druty metaliczne o średnicach rzędu kilku lub kilkudziesięciu mikrometrów. Zmniejszenie średnicy włókna podwyższa efektywność jego wykorzysta oraz rozszerza zakres zastosowali. Ze zwiększeniem giętkości włókna wynikającym ze zmniejszenia średnicy, rodzi się możliwość stosowania elementów zbrojących w różnych formach tekstylnych (siatki, tkanin nawoje itp.). Do czynników mających wpływ na wytrzymałość włókna metalicznego związanych z technologia ich wykonania zaliczyć można: 1. Równomierność przekroju poprzecznego, 2. Stan powierzchni, 3. Wielkość ziarna, 4. Tekstura, 5. Zahartowanie, 6. Skutki szybkiego chłodzenia. Szerokie zastosowanie jako komponenty zbrojące w materiałach kompozytowych znalazły wysokowytrzymałe monokryształy o dużym stosunku długości do średnicy, zwane wąsami. Kryształy te otrzymywać można z bardzo różnych materiałów, stosując przy tym również różne technologie. Ogólnie można wyodrębnić trzy rodzaje technologii: krystalizacja z fazy ciekłej, krystalizacja z fazy gazowej oraz na drodze dyfuzji fazy stałej. Poszczególne mechanizmy na ogół współdziałają ze sobą wspomagając i uzupełniając się wzajemnie. Do najbardziej znanych metod wzrostu "wąsów" zalicza się kontrolowane utlenianie metali względnie odbudowywanie ich tlenków. Jako umocnienie materiałów kompozytowych najczęściej stosuje się nitkowe monokryształy tlenków aluminium. 1.3.5 Technologie stosowane przy otrzymywaniu materiałów kompozytowych Stosowane obecnie metody wykonywania materiałów kompozytowych można podzielić na dwie grupy: 1. Metody pośrednie, 2. Metody bezpośrednie. Do pierwszej z nich zaliczamy takie technologie, jak: zalewanie, nasycanie, wytłaczanie, walcowanie itp., natomiast druga grupa obejmuje metody pozwalające na uzyskanie odpowiednich struktur włóknistych poprzez krystalizację kierunkową. Metody pierwszej grupy noszą również często nazwę metod wielooperacyjnych, ponieważ uzyskanie materiału kompozytowego w jego końcowej postaci wymaga wielu operacji przygotowawczych. Wymaga ją one na ogół pokonywania licznych trudności związanych zarówno z otrzymywaniem odpowiednich komponentów zbrojących w postaci włókien lub wiskersów, jak również właściwym przygotowaniem ich powierzchni, wprowadzeniem do osnowy, przy zachowaniu właściwego kierunku zbrojenia i dobrego, ciągłego połączenia z osnowa. Należy zwrócić uwagę na fakt, że uszkodzenie włókien, zarówno mechaniczne, jak i chemiczne, w procesie formowanie kompozycji, w znacznym stopniu obniża własności mechaniczne materiału kompozytowego. Dla uniknięcia uszkodzeń chemicznych stosuje się wiec często specjalne pokrycia ochronne na włókna, co jeszcze bardziej komplikuje proces otrzymywania materiału kompozytowego. Przy zastosowaniu metod bezpośrednich odpadają studia przygotowywania włókien i wprowadzania ich do osnowy oraz problemy zgodności chemicznej osnowy i zbrojenia, a także wytrzymałości połączeń międzyfazowych. Mankamentem metod tej grupy jest natomiast ograniczona możliwość zmian zarówno w zestawach faz i ich udziałów objętościowych w kompozycji, jak również w liczbie odpowiednich zestawów z wymaganymi układami fazowymi stopów. Wybór odpowiedniej technologii uzależniony jest od: przeznaczenia produktu, rodzaju stosowanych kompozytów, założonych własności fizykochemicznych materiału kompozytowego. Prawidłowo wybrana i zastosowana technologia umożliwia otrzymywanie potrzebnego kształtu, wyrobu, wprowadzenie do osnowy znanej liczby włókien zbrojących bez ich uszkodzenia oraz zabezpiecza dobre połączenie na granicy włókno-osnowa, bez występowania miedzy nimi niekorzystnych oddziaływań chemicznych. Materiały kompozytowe można otrzymywać albo w formie gotowych już elementów, albo też w formie półfabrykatów (blachy, rury, profile), z których następnie wykonuje się określone wyroby. 2 Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z materiałami ceramicznymi, spiekanymi, kompozytowymi, ich zastosowaniem oraz metodami wytwarzania. 3 Zadania do wykonania Dokonać obserwacji mikroskopowych wskazanych przez prowadzącego próbek Wykonać rysunki obserwowanych struktur Określić rodzaj obróbki stosowanej w odniesieniu do konkretnej próbki (tylko prasowana i spiekana po obróbce cieplnej). 4 Wyposażenie stanowiska Zestaw próbek Mikroskop metalograficzny 5 Sprawozdanie Cel ćwiczenia Wstęp teoretyczny Rysunki obserwowanych struktur wraz z opisem według schematu: o Materiał o Stan materiału o Powiększenie o Trawienie Uwagi i wnioski 6 Literatura 1. Materiały wykładowe „Nauka o materiałach I i II”, 2. L. A. Dobrzański: „Materiały inżynierskie”, WNT, Warszawa, 2006, 3. J. Nowacki: „Spiekane metale i spieki z osnową metaliczną”, WNT, Warszawa 2005 UWAGA: Przed przystąpieniem do wykonania ćwiczenia student zobowiązany jest zapoznać się z przepisami BHP
