Produkcja materiałów

ceramicznych

Wytwarzanie ceramiki składa się z następujących etapów:

• Wytwarzanie proszków i mas

• Formowanie

• Suszenie

• Kształtowanie półfabrykatów w stanie nie wypalonym

• Wypalanie

• Nanoszenie pokryd ceramicznych

• Kształtująca obróbka koocowa

Wytwarzanie proszków i mas:

Rozdrabnianie mechaniczne surowców i mas:

Rozdrabnianie grube

Rozdrabnianie miałkie

Sortowanie

Oczyszczanie

Rozdrabnianie surowców

Rozdrabnianie grube.

Do rozdrabniania grubego używa się

między innymi kruszarkę stożkową.

Służy ona do rozdrabniania

twardych materiałów, np.

skalenia czy kwarcytu.

Rys.1. Kruszarka stożkowa

Rozdrabnianie surowców

Do rozdrabniania grubego stosuje

się także kruszarkę

szczękową.

Rys.2. kruszarka szczękowa

Rozdrabnianie surowców

Rozdrabnianie miałkie odbywa się zazwyczaj w

młynach bębnowych lub

kulowych. W urządzeniach

tych mielenie zachodzi dzięki

elementom mielącym.

Rys. 3. Młyn bębnowy lub kulowy

Rozdrabnianie surowców

Młyny wibracyjne

mają możliwośd

wyproduko-wania ziarna

o bardzo małej

wielkości.

Rys.4. Młyn wibracyjny kulowy

Rozdrabnianie surowcówMłyny mielące typu LME 4 służą do ultradrobnoziarnistego mielenia

Rys. 5. Młyn mielący typu LME 4

Rozdrabnianie surowców

Sortowanie ma na celu rozdzielenie mieszanin

proszkowych o różnej wielkości ziaren.

Najprostszą metoda jest przesiewanie

wysuszonego surowca przez sita wibracyjne lub sita

wiskozowe. Rys. 6. Sito wibracyjne

Rozdrabnianie surowców

Oczyszczanie stosowane jest w celu oddzielenia cząstek żelaza od

surowców ceramicznych.

Metoda ta opiera się na oddzielaniu magnetycznym. Rys. 7. Elektromagnetyczny ferrofiltr

do oczyszczania z cząstek żelaza

Wybrane sposoby syntezy proszków:

Suszenie rozpyłowe

Suszenie sublimacyjne

Współstrącanie

Metoda zol-żel

Reakcje chemiczne w fazie gazowej

Synteza proszków

Suszenie rozpyłowe. Polega na przetworzeniu zawiesiny wodnego roztworu soli na suchy

proszek, proces ten zachodzi poprzez rozpylanie w gorącym gazie. Zawiesina

ta, jest pompowana do rozpylaczy a następnie rozpryskuje się ją na ogromną

liczbę kropel.

Rys. 8. Suszarnia rozpyłowa współprądowa

Synteza proszków

W suszarkach rozpyłowych używa się rozpylaczy obrotowych, dysz ciśnieniowych

oraz dysz pneumatycznych. Sposób przepływu powietrza w komorze

rozpyłowej w dużym stopniu wpływa na czas suszenia kropel, czas obecności w komorze oraz tworzenie się osadów na

ścianach.

Rys. 9. Systemy mieszania kropel rozpylonej zawiesiny ceramicznej z gorącym powietrzem w komorze rozpyłowej: a) współprądowy, b)

przeciwprądowy, c) przepływ mieszany; 1-wlot gorącego powietrza, 2-wylot powietrza, 3-dopływ zawiesiny do rozpylacza

Synteza proszków

Suszenie sublimacyjne jest procesem, w którym wodne roztwory soli są rozpraszane

po wprowadzeniu do zimnej (-78°C) kąpieli w heksanie lub

ciekłym azocie. Roztwór zamarza w postaci

kropel, które następnie są uwalniane od rozpuszczalnika i

podgrzewane aby odsublimowad lód

Rys. 10. Ciekły azot

Synteza proszków

Współstrącanie. Roztwór miesza się

z odczynnikiem strącającym. Współstrącony osad zazwyczaj

oddziela się od cieczy przez odfiltrowanie i w tym czasie ulega

on rozkładowi, w wyniku czego uzyskuje się drobnokrystaliczny

materiał. Najłatwiejszym wykorzystaniem tej metody jest wytworzenie tlenków, np. Al2O3.

Rys. 11. Al2O3.

Synteza proszków

Metoda zol-żel. Metodę tą często stosuje się do otrzymywania proszków

o kształcie kulistym i o nastawialnej wielkości

ziaren do 2000µm. Uzyskane tą metodą

proszki posiadają lepszą jednorodnośd i czystośd.

Rys. 11. Włókno mullitowe otrzymane metodą zol-żel (3Al2O3 ·

2SiO2)

Rys. 12. Przebieg metody zol-żel

Mieszanie i ujednorodnianie

Na tym etapie procesu technologicznego dodawane są do masy odpowiednie dodatki, takie jak:

-środki wiążące (lepiszcza)

-środki poślizgowe lub antyadhezyjne

-środki uplastyczniające (plastyfikatory) Rys. 13. Gliceryna- stosowana

jako środek uplastyczniający.

Mieszanie i ujednorodnianie

Rys. 14. Alkohol etylowy-stosowany jako

organiczny rozpuszczalnik

Rys. 15. Olej mineralny-stosowany jako środek

poślizgowy

Formowanie

Formowanie stanowi jeden z najważniejszych etapów procesu wytwarzania wyrobów z ceramiki technicznej. Służy ono do przekształcenia

nieskonsolidowanego materiału wyjściowego w spójny, zagęszczony półfabrykat o określonej

geometrii i mikrostrukturze

Formowanie przez

prasowanie

Formowanie plastyczne

Formowanie przez

odlewanie

Formowanie

Formowanie przez prasowanie

Polega ono na zagęszczaniu ziarnistych, polidyspersyjnych ceramicznych układów materiałów, będących bezpostaciową masą ziarnistą.

Formowanie to wykonuje się za pomocą jednoosiowego lub wieloosiowego działania

obciążenia ściskającego.

Formowanie przez prasowanie:

-prasowanie jednoosiowe na zimno

-prasowanie izostatyczne na zimno

-prasowanie walcowe

-zagęszczanie dynamiczne

-formowanie nadplastyczne

Formowanie przez prasowanie

Prasowanie jednoosiowe na zimno

można podzielid na:

prasowanie na mokro

prasowanie na sucho

Formowanie przez prasowanie

Poprzez prasowanie na mokro produkuje się wyroby

o relatywnie równomiernym zagęszczeniu, jest także możliwośd wytworzenia półfabrykatów z wgłębieniami lub

rowkami prostopadłymi do kierunku prasowania.

Rys. 17. Prasowanie izostatyczne na mokro

Formowanie przez prasowanie

W prasowaniu na sucho nie ma możliwości dozowania formy z nadmiarem. Naciski stempla znacznie

przekraczają 30 MPa.

Rys. 18. Prasowanie izostatyczne na sucho

Formowanie przez prasowanie

Prasowanie izostatyczne na zimno. stosowane jest zazwyczaj, gdy w czasie spiekania potrzebna jest

duża, prawie równomierna gęstośd wyjściowa sprasowanego półfabrykatu.

Prasowanie izostatyczne na zimno można podzielid na:

-prasowanie izostatyczne w mokrej matrycy

-prasowanie izostatyczne w suchej matrycy

Formowanie przez prasowanie

Prasowanie izostatyczne w mokrej matrycy przebiega poprzez napełnienie elastycznej formy proszkiem ceramicznym, szczelne jej

zamknięcie, odpowietrzenie oraz prasowanie .

Prasowanie izostatyczne w suchej matrycy różni się od prasowania w mokrej matrycy, tym, że

napełnianie formy odbywa się w naczyniu ciśnieniowym.

Rys. 19. Izostatyczne prasowanie na zimno: a) w mokrej matrycy,

b) w suchej matrycy

Formowanie przez prasowanie

Prasowanie walcowe. Stosuje się do formowania

cienkościennych części ceramicznych

w postaci pełnej lub wewnętrznie drążonej. Tym sposobem można wyprodukowad części płaskie o grubości 0,5-

10mm oraz płyty wielowarstwowe.

Rys. 20. Prasowanie walcowe

Formowanie przez prasowanie

Formowanie nadplastyczne wykonuje się dzięki

podatności drobnoziarnistych

materiałów ceramicznych na znaczne wydłużanie w czasie rozciągania. Obok

pokazano przykład elementu

ceramicznego, który pod wpływem

ciśnienia, dostosowuje się do kształtu matrycy.

Rys. 21. Przykład formowania nadplastycznego rury a) stan

początkowy, b) stan po ściśnięciu suwaków

Formowanie plastyczne

pasmowe wtryskowe termoplastyczne

Formowanie plastyczneFormowanie pasmowe . Tą metodą można wyprodukowad

wydłużone półfabrykaty o niezmiennym przekroju poprzecznym.

Rys. 22. Ślimakowa pompa próżniowa do pasmowego wytłaczania masy ceramicznej

Formowanie plastyczne

Formowanie wtryskowe polega na wtryskiwaniu

drobnoziarnistego proszku

ceramicznego i organicznych

substancji plastycznych do

zamkniętej, stalowej, chłodnej formy.

Rys.23. Ślimakowe formowanie wtryskowe półfabrykatów ceramicznych: a) wtryskiwanie, b) dociskanie ślimaka, c)

wyrzucanie z formy półfabrykatu

Formowanie przez odlewanie:

Odlewanie z gęstwy

Odlewanie ciśnieniowe

Odlewanie folii

Odlewanie odśrodkowe

Odlewanie żelowe

Odlewanie wspomagane elektroforetycznie

Formowanie przez odlewanie

Odlewanie z gęstwy odbywa się poprzez wlanie gęstwy do

porowatej, wieloczęściowej formy, zazwyczaj gipsowej. Woda

zostaje odciągana przez formę, przez co gęstwa umacnia się.

Rys. 24. Odmiany odlewania z gęstwy na przykładzie wytwarzania dyszy palnika: a) odlewanie jednostronne, b) odlewanie dwustronne; 1-wlewanie gęstwy do formy, 2-

tworzenie się czerepu, 3-wylewanie niepotrzebnej gęstwy, 4-wysuszanie i obkurczanie się półfabrykatu dyszy, 5-odcinanie nadlewu technologicznego, 6-wyrób uformowany

odlewaniem z gęstwy; A-gęstwa, B- forma gipsowa, C- rdzeo

Formowanie przez odlewanie

Odlewanie ciśnieniowe. Odlewanie pod

ciśnieniem znajduje zastosowanie w

ceramice sanitarnej oraz technicznej. Zaletą

odlewania ciśnieniowego jest duża

szybkośd tworzenia czerepu.

Rys. 25. Koło wirnikowe pompy wykonane odlewaniem

ciśnieniowym

Formowanie przez odlewanie

Odlewanie z folii stosuje się do

produkcji cienkich, elastycznych, wielkopowierzchni

o-wych wyrobów ceramicznych.

Grubośd odlewanej folii wynosi

0,1-1,0mm.

Rys. 26. Wypalona mikrokonstrukcja z ceramiki ZrO2: a) widok folii z wgłębieniami, b) metalowe narzędzie wytłaczające z kwadratowymi słupkami

Formowanie przez odlewanie

Odlewanie odśrodkowe polega na sedymentacji koloidalnych cząstek proszku ceramicznego pod

wpływem działania przyśpieszenia odśrodkowego.

Rys. 27. Schematyczne przedstawienie zasady odlewania odśrodkowego

Formowanie przez odlewanie

Odlewanie żelowe. Odlewanie tego typu może byd stosowane do produkcji części ceramicznych o relatywnie znacznie większym zagęszczeniu z

różnych materiałów oraz o dowolnym kształcie i wielkości. Czas wytwarzania jest znacznie krótszy od tego, który potrzebny jest przy odlewaniu z gęstwy

czy formowaniu wtryskowym.

Suszenie

Suszenie ma na celu usunięcie ciekłej fazy

międzywęzłowej.

Suszenie dzielimy na:

-konwekcyjne

- mikrofalowe

-bezpowietrzne

Rys. 28. Schematyczne przedstawienie budowy i zasady

działania suszarki bezprzewodowej

Kształtowanie półfabrykatów w stanie nie wypalonym

Kształtowanie ubytkowe

-obróbka w stanie zielonym

-obróbka w stanie białym

Kształtowanie przyrostowe

-selektywne scalanie laserowe

-scalanie proszku strumieniem kropli lepiszcza

Kształtowanie półfabrykatów w stanie nie wypalonym

Kształtowanie ubytkowe ma na celu uzyskanie

półfabrykatu o odpowiednim

kształcie, poprzez usunięcie części materiału.

Kształtowanie ubytkowe dzieli się na obróbkę w

stanie zielonym oraz obróbkę w stanie białym.

Rys. 29. Toczenie wzdłużne ceramiki SiC w stanie "zielonym" nożem z ostrzem z węglików spiekanych

Kształtowanie ubytkowe

Obróbka w stanie zielonym polega na

nadaniu niewypalonym półfabrykatom

konturów zbliżonych do koocowych ich

kształtów. Po obróbce w stanie zielonym wyroby posiadają

tolerancję 3%. Rys. 30. Pochłaniacze ciepła z ceramiki SiSiC, obrobione w stanie zielonym za

pomocą szlifowania ściernicami

Kształtowanie ubytkowe

Obróbka w stanie białym stosowana jest na

wyrobach o większej wytrzymałości. Obróbkę

tą przeprowadza się toczeniem, wierceniem,

frezowaniem i szlifowaniem

Rys. 31. Obróbka w stanie "białym" półfabrykatu z ceramiki SiC

narzędziem z ostrzem z polikrystalicznego diamentu.

Kształtowanie przyrostowe

Kształtowanie przyrostowe charakteryzuje się stopniowym kreowaniu lub dodawaniu

materiału. Kształtowaniem przyrostowym produkuje się części o skomplikowanych

kształtach wewnętrznych.

Kształtowanie przyrostowe

Selektywne scalanie laserowe polega na nanoszeniu warstwy

poprzez aktywowanie cieplne wiązką

laserową. Wymiary części przetwarzane są w zbiór danych, który

dzielony jest na plastry. Proszek jest nakładany

warstwami.Rys. 32. Zasada selektywnego scalania

laserowego

Kształtowanie przyrostowe

Scalanie proszku strumieniem kropli lepiszczapolega na nanoszeniu proszku przy użyciu rolki rozprowadzającej, następnie proszek

jest scalany za pomocą głowicy. Przy użyciu tej metody można wyprodukowad

kształtowe części np. z Al2O3 lub SiO2

Kształtowanie przyrostowe

Rys. 33. Zasada scalania proszku ceramicznego strumieniem kropli

lepiszcza

Rys.34. Przykład części ceramicznej wykonanej z Al2O3

procesem TDP

Wypalanie

Wypalanie polega na poddaniu

wysuszonego wyrobu działaniu temperatury

w piecu, aby czerep ceramiczny uzyskał

odpowiednie właściwości.

Rys. 34. Piec do wypalania ceramiki

Wypalanie:

-spiekanie swobodne

-prasowanie jednoosiowe na gorąco

-prasowanie izostatyczne na gorąco

-spiekanie plazmowe

-spiekanie mikrofalowe

Spiekanie swobodne

Spiekanie swobodne jest procesem

nieodwracalnym. Na początku zmniejsza się

objętośd porów, następnie ziarna

się zagęszczają a pory zanikają, ostatecznie

cząstki powiększają się a granice

międzycząsteczkowe przemieszczają się.

Rys. 35. Model procesu spiekania zbioru cząstek

Prasowanie jednoosiowe na gorąco

Prasowanie jednoosiowe na gorąco polega na nagrzewaniu i formowaniu jednocześnie. Proces ten przebiega w temperaturze

1000-1800°C.

Rys. 36. Schematy urządzeo do prasowania na gorąco: a) pośrednie nagrzewanie oporowe, b) bezpośrednie nagrzewanie oporowe z doprowadzeniem prądu do

stempli, c) pośrednie nagrzewanie oporowe z doprowadzeniem prądu z matrycy, d) indukcyjne nagrzewanie przewodzącej matrycy grafitowej, e) indukcyjne nagrzewanie

proszku w nieprzewodzącej matrycy

Prasowanie izostatyczne na gorąco

Technika ta, w porównaniu

do prasowania

jednoosiowego na

gorąco, lepiej przybliża wyrób do kształtu

ostatecznego.

Rys. 37. Schemat urządzenia do izostatycznego prasowania na gorąco

Spiekanie plazmowe

Służy przede wszystkim do zagęszczania elementów w

kształcie prętów lub rur.

RYS. 37. Schemat

urządzenia do spiekania plazmowego

Spiekanie mikrofalowe

Spiekanie mikrofalowe daje możliwośd

szybkiego i jednorodnego nagrzewania

półfabrykatów różnych

kształtów, usuwania lotnych składników

oraz obniża naprężenia cieplne.

Rys. 38. Schemat wzbudnika zastosowanego do spiekania mikrofalowego ceramiki ZrO2

Nanoszenie pokryd ceramicznych

Chemiczne osadzanie z

fazy gazowej

Fizyczne osadzanie z

fazy gazowej

Natryskiwanie cieplne

Stosowanie pokryd, posiadających odpowiednie właściwości, w większości przypadków jest bardziej

ekonomiczne w porównaniu do wytworzenia całego wyrobu z droższego materiału.

Chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD)

Poprzez CVD można nanosid pokrycia o grubości do 20μm. Metodę tą przeprowadza się w temperaturze 900-1400°C.

RYS. 39. Niektóre ważne etapy typowego, aktywowanego ciepłem procesu CVD: a) doprowadzenie substratów w parze, b) jednofazowe reakcje zachodzące w parze, c) adsorpcja

cząsteczek gazu, d) dyfuzja powierzchniowa zaabsorbowanych cząsteczek, e) reakcje chemiczne na powierzchni podłoża, f) desorpcja produktów reakcji, g) odprowadzanie gazowych produktów

ubocznych

Chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD)

Rys. 40. Schemat instalacji do chemicznego osadzania pokryd SiC z fazy gazowej

Fizyczne osadzanie z fazy gazowej (PVD)

W procesie PVD materiał pokryciowy znajduje się w atmosferze próżni. W porównaniu z CVD , nanoszenie

powłok odbywa się w temperaturze 200-500°C.

Rozpylanie jonowe

Reaktywne rozpylanie

jonowe

Magnetronowe rozpylanie

jonowe

Natryskiwanie cieplne w porównaniu z CVD i PVD, umożliwia nanoszenie grubszej warstwy, mieszczącej się w zakresie

10²-104μm, a nawet kilkudziesięciu milimetrów.

plazmowe

płomieniowe

łukowe

wybuchowo-płomieniowe

laserowe

Natryskiwanie cieplne

Kształtująca obróbka koocowa

Obróbkę koocową ceramiki technicznej wykonuje się między innymi poprzez skrawanie, ścieranie oraz

erodowanie

Test sprawdzający wiedzę

Test składa się z 11 pytao.

Maksymalna liczba punktów, którą można uzyskad wynosi 16pkt.

Aby uzyskad pozytywny wynik testu należy zdobyd minimum 50% punktów.

Instrukcja do testu

1.Gdy otworzy się strona z testem naciśnij przycisk „continue”

2. Gdy odpowiesz na pytanie, naciśnij na przycisk „submit”, znajdujący się w prawym dolnym rogu.

3. Po zakooczeniu testu pojawi się informacja, czy test został zaliczony.

4. W tabelce w pozycji „your score” pokazane jest ile uzyskałeś punktów

Test koocowy