Post on 05-Jul-2015
description
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