Technologia Ceramizacji
Proces ceramizacji
Definicja i znaczenie
Ceramizacja - proces prowadzący do powstawania na powierzchniach ciernych, cienkich warstw cermetalowych redukujących współczynnik tarcia oraz zużycie masowe roboczych elementów metalowych.
Czy wiesz, że...
Opory tarcia według szacunkowych obliczeń specjalistów pochłaniają w skali światowej 30-50% produkowanej w ciągu roku energii. Jeżeli dodamy do tego setki tysięcy maszyn eliminowanych corocznie z ekspl...
Rolls-Royce, jako jeden z pierwszych zastosował ceramiczne łożyska w helikopterze. Ceramiczne łożyska śmigieł helikoptera Westland Lynx HAS Mk 2 wytrzymały test w Hatfield polegający na 35 godzinne pracy śmi...
Jak podaje magazyn New Scientist , US Army Tank Automotive (TACOM) zbudowało prototyp 6 cylindrowego silnika diesla o pojemności 14 litrów i mocy 170 kw, którego elementy tarciowe...
Zobacz inne zasoby...
Napisz do nas i podziel się uwagami na temat treści i form prezentowanych w niniejszym serwisie.
Ceramika - początki i znaczenie technologiczne.
Ceramika i materiały ceramiczne towarzyszą rozwojowi cywilizacyjnemu człowieka praktycznie od początku,
a zatem od epoki neolitu. Najwcześniej, bo około 8300 lat p.n.e. zaczęto wytwarzać ceramikę na Bliskim Wschodzie.
Do wyrobu ceramiki wykorzystywano wówczas surowce naturalne takie jak glina, kwarc, skalenie, kaolin.
Geneza dynamicznego rozwoju materiałów ceramicznych sięga okresu II wojny światowej, kiedy to rosnące zapotrzebowanie na
wysokojakościowe materiały konstrukcyjne przyczyniły się do szybkiego rozwoju inżynierii ceramiki technicznej.
W latach 60-tych i 70-tych powstały kompozyty ceramiczne stowane w energetyce jądrowej, elektrotechnice, telekomunikacji.
Wraz z pojawieniem się przewodników ceramicznych w 1986, zainicjowano szerokie prace laboratoryjne nad produkcją przewodników
dla aparatury elektronicznej, urządzeń, silników elektrycznych.
Ceramika stała się popularna, jako materiał konstrukcyjny w wielu dziedzinach techniki.
Pomimo iż ceramika odznacza się mniejszą odpornością na obciążenia dynamiczne w porównaniu z metalami, to okazuje się bezkonkurencyjna,
jesli chodzi o odporność na korozję, zużycie cierne, rozpad i rozkład.
Właściwości materiałów ceramicznych:
- żaroodporność
- izolacja cieplna
- izolacja elektryczna
- odporność na erozję
- odporność na tarcie
- odporność na działanie środowisk agresywnych chemicznie
- biotolerancja
- ceramikę tlenkową - pojedyńcze tlenki jak Al2O3, ZrO2, ThO2, BeO, MgO, CeO2, Cr2O3 czy wieloskładnikowe jak PbFe12O19, ZnFe2O4, MgAl2O4, La2ZrO7
- ceramikę nietlenkową - najbardziej popularne to azotki Si3N4, AlN, węgliki B4C i SiC, TiC i TiB2
- kompozyty - gama tworzyw dwu lub wielo składnikowych.
Nowe nieznane oblicze ceramiki - kompozyty ceramiczno-metalowe.
Materiał ceramiczny w połączeniu z metalem tworzy strukturę - cermetal o zaskakująco dobrych właściwościach
materiałowych.
Cermetal (inaczej warstwa ceramiczno-metalowa) to kompozyt powstały w warunkach wysokiej temperatury na bazie
materiału ceramicznego oraz metalu. Metal zwykle jest spoiwem dla tlenków (np. glinu) i węglików
(np. tytanu bądź chromu), ale także azotków, borków i krzemków metali (żelaza, niklu, chromu).
Metal oprócz funkcji spoiwa, podtrzymuje kowalność, przewodność cieplną, odporność na zmiany temperatury i wstrząsy.
Więcej o procesach wytwarzania warstw ceramiczno-metalowych.
Cermetal łączy dobre właściwości zarówno metalu jak i ceramiki. Posiada większą wytrzymałość mechaniczną niż
ceramika oraz lepszą odporność termiczną niż metal.
Własności zależą od stosunku ilościowego użytych materiałów,
rozmiaru cząsteczek i technologii wytwarzania.
Cermetale ze względu na niski współczynnik tarcia stosowane są jako powłoki zabezpieczające
przed zużyciem ciernym.
Popularne zastosowania to ostrza skrawające (węgliki spiekane), łopaty turbin mechanicznych, poszycia
kadłubów, elementy aparatury elektrotechnicznej.
Wyjątkowe własności ceramiki i cermetali zainspirował wielu konstruktorów do wykorzystania tych materiałów w motoryzacji.
Koncern motoryzacyjny Isuzu zbudował prototyp silnika o pojemności 1.6 litrów oraz mocy 295 koni mechanicznych,
którego elementy cierne (między innymi tłoki i cylindry) wytworzone zostały z cermetalu (azotku krzemu Si3N4).
Jak podaje magazyn
New Scientist,
US Army Tank Automotive (TACOM) zbudowało prototyp 6 cylindrowego silnika diesla o pojemności 14 litrów i
mocy 170 KW, w którym elementy cierne zostały pokryte kompozytem ceramicznym ZrO2. Silnik ten sprawnie napędzał
ciężarówkę podróżującą z Detroit do Waszyngtonu. TACOM zauważył, że 50% silników pojazdów wojskowych ulegało awarii z
powodu układu chłodzenia (przegrzania, awarii) i skonstruował w dlaszych projektach silnik pozbawiony tego elementu. Łącznie
usunięto 360 elementów i 14 litrowy silnik odciążono o 190 kilogramów (sam płyn ważył 37 kilogramów).
Obecnie w silnikach pojazdów wojskowych, wiele newralgicznych elementów tarciowych pokrywa się warstwami ochronnymi w tym
warstwami ceramiczno-metalowym.
Dzięki tańszym metodom nakładania warstw ceramicznych (zarówno metoda nakładania natryskiem plazmowym jak i dodatkiem ceramicznym
dostarczanym do oleju), obserwuje się coraz to większą popularność cermetalu w przemyśle motoryzacyjnym (warstwy ceramiczne na powierzchniach
trących silników i skrzyń biegów). Więcej o praktycznym
wykorzystaniu warst ceramiczno-metalowych.
Technologie bezzużyciowe i selektywne przenoszenie
Technologie bezzużyciowe powstały na bazie wyników badań, jakie prowadził w latach 60-tych zespół naukowy pod
kierownictwem D.N. Garkunov'a i I.V. Kragelsky'ego. Badania koncentrowały się na opisaniu zjawisk fizycznych i
chemicznych, zachodzących na roboczych powierzchniach ciernych układów tribologicznych.
W efekcie prac, zaobserwowano a następnie sformułowano zjawisko selektywnego przenoszenia, nazywane często również efektem bezzużyciowości.
Selektywne przenoszenie zostało zaobserwowane po raz pierwszy w warunkach tarcia powierzchni stalowej z powierzchnią brązu w obecności
mieszanki gliceryny oraz alkoholu jako substancji smarnej. Naukowcy badający zjawisko zanotowali wzrost koncentracji cząsteczek
miedzi na powierzchni brązu oraz częściowy transfer miedzi na powierzchnię stalową.
W efekcie tego, na obu powierzchniach kontaktowych utworzyła się warstwa miedzi, która prawie całkowicie wypełniła deformacje powierzchniowe.
Zjawisko selektywnego przenoszenia zostało zarejestrowane w rosyjskim urzędzie patentowym (Goscomizobreteniy) pod numerem 41 i
w oryginale brzmi następująco:
"It has been found that in friction of copper alloys on steel under conditions of boundary lubrication excluding oxidation of copper,
a phenomenon of selective transfer of copper from the solid solution of copper alloy to steel and its reverse transfer
from steel to copper alloy occurs accompanied by the reduction of friction coeficient to its liquid state and resulting
in appreciable reduction of wear of the friction pair."
Korzystny wpływ zjawiska selektywnego przenoszenia wyzwolił prace nad rozwojem technologii, których zadaniem jest eliminowanie
szkodliwych skutków zjawisk tarciowych występujących w urządzeniach i układach mechanicznych.
Dalszy rozwój modelu selektywnego przenoszenia to zasługa prof. George P. Shpenkov'a. Jego publikacja z 1995 roku zatytułowana
"Friction Surface Phenomena", formalizuje zjawiska i procesy tarciowe,
podkreśla potencjał technologiczny,
oszczędnościowy i regeneracyjny wynikający z zastosowania selektywnego przenoszenia w praktyce.
W próbach badawczych wykorzystano selektywne przenoszenie do osadzania się na powierzchniach ciernych, cienkich warstw miedziowych,
których cząsteczki budulcowe przenoszone są do obszarów tarcia wraz z substancją smarną.
W efekcie uformowano warstwy posiadające grubość od kilku warstw atomowych do 1-2 mikrometrów, redukujące współczynnik tarcia do
wartości porównywalnych z tarciem płynnym.
Badania te stały się początkiem rozwoju dodatków do oleju których działanie prowadzi do tworzenia się na powierzchniach ciernych mechanizmów,
warstw cermetalowch.
Dzisiejszy stan technologii pozwala zmniejszyć intensywność zużycia materiałowego nawet kilkukrotnie, dzięki warstwie cermetalowej,
osadzonej w obszarach tarcia. Wiele badań potwierdza również właściwości regenerujące warstw ceramiczno-metalowych
(po dostarczeniu odpowiednich minerałów do układu olejenia).
Kompozyty ceramiczne, uważane są przez wielu naukowców za materiał konstrukcyjny 21-go wieku.