11 kw. Ceramika techniczna – kompedium wiedzy. Część 3
4. CERAMIKA W KOMPOZYTACH
Pomyślne wykorzystanie elementów ceramicznych zawsze zależy od dokładnej znajomości parametrów aplikacji i sytuacji montażowej. Oprócz obciążeń termicznych i mechanicznych działających na materiał, ważne jest aby wiedzieć, w jaki sposób materiał ceramiczny zintegrowany jest z ogólną konstrukcją.
4.1 METODY ŁĄCZENIA NA WCISK
Metoda łączenia ceramiki z metalami poprzez pasowanie termokurczliwe, stosowana jest wszędzie tam gdy to możliwe, ponieważ zapewnia ona dużą niezawodność w warunkach operacyjnych przy stosunkowo niewielkim nakładzie technicznym. W indywidualnych przypadkach wprowadzenie dodatkowej plastycznej warstwy pośredniej pomiędzy ceramiką a metalem np. złota lub cyrkonu, gwarantuje trwale uszczelnione złącze. Jako typowy przykład tej metody łączenia przedstawiono pierścień blokujący w maszynach do formowania wtryskowego (Zdjęcie 7) wykonany z tlenku cyrkonu (rodzaj materiału: FRIALIT FZM) wciśnięty skurczowo w stal.
Zdjęcie 7. Pierścień blokujący z tlenku cyrkonu FRIALIT FZM i stalowej tulei zewnętrznej
Wewnętrzne badania wykazały, że wytłoczenie materiału ceramicznego wciśniętego termokurczliwie w stalowy pierścień o średnicy 19 mm i długości 17 mm, wymaga użycia siły wynoszącej co najmniej 25 kN, w temperaturze pokojowej.
4.2 METODY ŁĄCZENIA SPOIWEM
4.2.1 KLEJENIE KLEJAMI ORGANICZNYMI
Tę technikę wykorzystuje się głównie do zastosowań wymagających wysokiej wytrzymałości łączeń w temperaturze pracy około 150 °C oraz wtedy, gdy nie mogą być zastosowane łączenia na wcisk, na przykład ze względów konstrukcyjnych. Wytrzymałość na ścinanie tych kompozytów wynosi 50 MPa w temperaturze pokojowej w przypadku użycia szczególnych klejów organicznych w połączeniu z odpowiednią pod względem przyczepności konstrukcją.
Jednym z typowych produktów wykonanych przez łączenie klejem jest tłok pompy wykonany z ceramiki Al2O3 (rodzaj materiału: FRIALIT F99.7) połączonej ze stalą nierdzewną (Zdjęcie 8).
Zdjęcie 8. Tłok pompy z tlenku glinu FRIALIT F99,7 klejonym ze stalą nierdzewną
4.2.2 LUTOWANIE PRZY UŻYCIU LUTÓW SZKLANYCH
Ta technika łączenia opiera się przede wszystkim na zastosowaniu lutów szklanych o rozszerzalności cieplnej dopasowanej do rozszerzalności ceramiki, ponieważ szkło nie wykazuje metalicznych właściwości ciągliwości. Dzięki tej metodzie z łatwością można uzyskać łączenia ceramiki z ceramiką o wytrzymałości 100 MPa w temperaturze pokojowej.
Obecna technologia ogranicza maksymalną temperaturę pracy szklanych łączeń ceramiki z ceramiką do 1100 °C w powietrzu. Zdjęcie 9 pokazuje przykład konstrukcji, która używana jest na tym poziomie temperatury.
Zdjęcie 9. Generator ozonu wytworzony przez lutowanie szkłem ceramiki FRIALIT F99,7
4.2.3 WSPÓŁSPIEKANIE I ZGRZEWANIE DYFUZYJNE
Technika współspiekania stosowana jest na przykład w produkcji cel pomiarowych przepływomierzy elektromagnetycznych. Elektroda z cermetu i platyny łączona jest z ceramiką zapewniając szczelność w wysokiej próżni. Dla rurowej celi pomiarowej wykonanej z tlenku cyrkonu FRIALIT FZM z cermetowymi elektrodami w środkowej części, przy ciśnieniu wewnętrznym 60 bar uzyskuje się szczelność <10-10 mbar · l / stosując Hel jako gaz testowy. Do wywołania pęknięcia celi pomiarowej przedstawionej na Zdjęciu 10 użyte musi być ciśnienie > 1000 bar. Części, rozrywane w takich badaniach nie wykazują żadnych przeważających pęknięć w obszarze elektrod z cermetalu co dowodzi, że w tym obszarze dominują niskie naprężenia.
Zdjęcie 10. Cela pomiarowa z tlenku cyrkonu FRIALIT FZM do przepływomierzy elektromagnetycznych
Czasami elementy z czystej ceramiki wymagają struktury, która ze względu na wysoki stopień skomplikowania może być wyprodukowana jedynie przy użyciu stosunkowo trudnych i kosztownych metod. Jeśli dany element wymaga stałego łączenia elementów z tego samego materiału ceramicznego możliwym rozwiązaniem jest zgrzewanie dyfuzyjne. Tą techniką wyprodukowano wirnik pompy z FRIALIT F99,7 przedstawiony na zdjęciu 11.
Zdjęcie 11. Zgrzewany dyfuzyjnie wirnik pompy z czystego tlenku glinu FRIALIT F99,7
4.2.4 LUTOWANIE LUTAMI METALICZNYMI
W przypadku złożonych aplikacji w urządzeniach elektrycznych i instalacjach technicznych, wymagania nałożone na komponenty metal-ceramika to często połączenie wysokiej zdolności izolacyjnej materiału ceramicznego i wysokiej szczelności w próżni z wysoką wytrzymałością mechaniczną w temperaturze powyżej 500 °C. Od ponad 60 lat łączy się ceramikę alundową Al2O3 z różnymi typami metali.
Zdjęcie 12. Klasyczne lutowane przepusty do UHV z tlenku aluminium FRIALIT F99,7
4.2.5 LUTOWANIE METODĄ MoMn
Klasyczna technologia produkcji przepustów elektrycznych i elementów izolacyjnych o właściwościach opisanych powyżej, opiera się na metodzie molibden-mangan, która została opracowana w pierwszej połowie ubiegłego stulecia. Punktem wyjściowym dla tej metody jest mieszanina proszkowa składająca się z molibdenu, manganu i dodatków krzemianowych, która przekształcana jest do postaci pasty poprzez dodanie organicznego spoiwa. Dzięki regulacji lepkości tej pasty możliwe jest nakładanie jej na powierzchnię ceramiki Al2O3. Stopiony materiał utwardza się w miarę ochładzania, co w efekcie daje stale związaną warstwę ciała stałego na powierzchni ceramicznej.
Ponieważ większość komercyjnie dostępnych lutów beztopnikowych do lutowania próżniowego nie zwilża wystarczająco tej warstwy, jest ona na ogół dodatkowo pokrywana warstwą kilku mikrometrów niklu przy pomocy metody galwanicznej. Tak przygotowana powłoka może być przylutowana do wybranych części metalowych np. w atmosferze gazu obojętnego lub w próżni przy dostatecznie niskim ciśnieniu resztkowym. Używanym w tej metodzie lutem jest eutektyczna mieszanina srebra i miedzi.
Zdjęcie 13 przedstawia przekrój poprzeczny przez ceramikę FRIALIT F99,7 lutowaną materiałem 1.3917 przy użyciu opisywanej metody. Próby wytrzymałości na rozciąganie wykazały, że to łączenie materiałów ceramiki z metalami uzyskuje wartości wytrzymałości powyżej 100 MPa.
Zdjęcie 13. Przekrój poprzeczny przez ceramikę Al2O3 metalizowaną i lutowaną z metalem
4.2.6 LUTOWANIE AKTYWNE
Przez około 20 lat, materiały do lutowania o zawartości < 5% tak zwanego składnika aktywnego, takie jak Ti lub Zr, używane były do bezpośredniego lutowania ceramik Al2O3 i ZrO2 z elementami metalowymi, bez konieczności wcześniejszej, bazowej metalizacji.
Jednakże proces lutowania przy użyciu lutów aktywnych może być skuteczny jedynie gdy przeprowadza się go w próżni lub w atmosferze gazów szlachetnych. W przeciwnym razie materiał ceramiczny nie będzie wystarczająco zwilżany przez lut w wyniku reakcji aktywnego metalu z atmosferą pieca. Wartości wytrzymałości kompozytów lutowanych aktywnie odpowiadają poziomem wytrzymałościom łączeń lutowanym twardo z wcześniejszą metalizacją. Luty aktywne nie mogą być jednak używane tak powszechnie jak standardowe luty twarde do próżni w klasycznej metodzie metalizacji Mo-Mn, ponieważ w dużym stopniu pozostają one w miejscu depozytu lutowia podczas procesu lutowania. Aby osiągnąć szczelność na poziomie <10-9 mbar · l / sek helu łączeń ceramiczno-metalowych, wypalanie lutowia musi być dokładnie kontrolowane w celu uniknięcia tworzenia się fazy kruchej.
Stosowanie lutowania aktywnego konieczne jest w przypadku ceramiki cyrkonowej ZrO2, ponieważ klasyczna metoda z wcześniejszą metalizacją nie sprawdza się dla tego rodzaju ceramiki.
Kolejna część artykułu wkrótce!