1. No category

FRIALIT®-DEGUSSIT®
HÖGPRESTERANDE KERAMER
Produktionsprocessen • Materialegenskaper • Konstruktionshänvisningar
www.aliaxis-ui.se
INDEX
02
2
Introduktion
04–05
Produktionsprocessen
06–09
Materialegenskaper
10–13
Konstruktionsegenskaper
14–15 FRIALIT ®-DEGUSSIT ® High-Performance Ceramics
3
03
Keramiska material
har unika
egenskaper
APPLIKATION
OCH KRAV STYR
MATERIALVAL
Förutsättningar
Användare och tillverkare av teknisk
keramik måste noga tänka igenom
användningsområdet samt vad som
krävs av produkten och därefter välja
det keramiska material som passar
för ändamålet.
Introduktion
Mekaniska komponenter tillverkade
i teknisk keramik har unika egenskaper. Avancerade hållfasthetsanalyser i kombination med vedertagna
tumregler för formgivning ser till att
få ut maximalt av materialet.
Under de senaste åren har användandet av keramiska komponenter
ökat alltmer eftersom keramernas
enastående egenskaper positivt
påverkar livslängden och därmed
värdet på slutprodukten.
Keramik erbjuder ett viktigt alternativ till metall och plast. Den växande
paletten av keramiska material kommer dock aldrig att bli en ersättning
för metall, men är ett viktigt komplement till dagens materialutbud
med en god framtidspotential.
Vid materialval för tillverkning
av utsatta maskinkomponenter
faller valet allt oftare på keramik.
För optimal problemlösning måste
alla fysikaliska materialdata tolkas
riktigt för de olika detaljerna. Även
fogningstekniken mellan keramiska
och metalliska komponenter i en
04
4
konstruktion ställer höga krav på
designen. Vid materialval måste
man bl.a. ta hänsyn till materialens
olika värmeutvidgningskoefficienter
liksom keramikens höga hårdhet i
kombination med sprödhet.
Definition
Den officiella definitionen för
keramiska material är: Keramiska
material är oorganiska, icke metallliska, svårlösliga i vatten och till
minst 30% kristallina. I regel formas
råmassan i rumstemperatur och
erhåller genom temperaturbehandling, oftast över 800º C, sina unika
egenskaper.
Produkt- och materialgrupper
En indelning i produktgrupper kan
göras enligt följande: porkeramik,
eldfast keramik, kemisk keramik, mekanisk keramik, reaktorkeramik, elektrokeramik, optokeramik, biokeramik
och magnetkeramik. Man skiljer även
mellan ”aktiv” och ”passiv” keramik
i de olika grupperna. Det finns ytterligare indelningsmöjligheter, t.ex. i
materialgrupper:
•
•
•
•
•
•
•
•
Från startfas via provserie till serietillverkning dröjer det ofta flera år.
Vid nya konstruktioner används ofta
”trial and error” och detaljerna blir
vanligen empiriskt optimerade.
konstruktionskriterier för materialet.
Förutom materialegenskaperna är
det viktigt att känna till produktionsprocessen för att redan vid konstruktionsstadiet ta hänsyn till ekono-
Redan vid konstruktionsstadiet bör hänsyn
tas till ekonomiska tillverkningsmetoder
Konstruktionsanalys med FEM-metoden för keramik är relativt komplicerad och kostsam. Valet av passande
material beror på systemets konstruktion med hänsyn till relevanta
miska tillverkningsmetoder och tillverkningssteg för keramik. Därmed
kan komplicerade arbetsmoment
undvikas och redan från början kan
kostnader sparas.
Silikatkeramer
Eldfasta material
Oxidkeramer
Icke oxidkeramer
Elektrokeramer
Ferriter (magnetkeramer)
Glaskeramer och keramiska
specialmaterial
Exotiska keramer (mixkeramik)
Idag används 80% av all bearbetad,
högren keramik som elektrokeramik,
av det mest förekommande materialet aluminiumoxid. I det mångfaldiga utbud av keramiska material
är det meningsfullt att betrakta de
idag ännu relativt små men tekniskt
högintressanta områdena inom den
”tekniska keramiken” eller ”konstruktionskeramiken”. Det är nämligen
där som framtidens tillväxtpotential
finns! Teknisk keramik kan indelas i
tre undergrupper med avseende på
material: oxidkeramik, mixkeramik
och icke oxidkeramik. Det handlar
här om övergripande materialfamiljer, eftersom även den minsta
mängd tillsatsämnen påverkar keramikens egenskaper positivt
eller negativt
FRIALIT ®-DEGUSSIT ® High-Performance Ceramics
5
PRODUKTIONSPROCESSEN
PULVERBEREDNING
OCH FORMGIVNING
Tillverkningsschemat nedan visar produktionsprocessen för
de idag viktigaste keramikmaterialen; aluminiumoxid, zirkoniumoxid, kiselkarbid och mixkeramik
Pulverberedning
Hjärtat i varje keramisk produktion
ligger i pulverberedningen. Det
inköpta pulvret måste beredas till
en speciell fördelning, finhet och
form. Under beredningen tillsätts
hjälpmedel och tillsatser för att
erhålla ett bearbetnings- och
sintringsdugligt pulver. Dessa
tillsatser och hjälpmedel bränns
sedan ut helt vid sintringen.
Pulverberedning
Laboratoriekontroll
Formgivning
Extrudering • Isostatisk pressning
Formsprutning • Automatpressning
Det färdiga pulvret spraytorkas för
att få ett pressdugligt granulat. För
att säkra kvaliteten är det viktigt att
karaktärisera utgångstillståndet och
mycket noga analysera granulatet
för att verifiera egenskaper, då fel
i detta stadium avsevärt påverkar
slutprodukten.
kallad torrpressning), isostatisk
pressning, strängpressning och
formsprutning. Valet av metod
beror på detaljens storlek, geometri
och antal.
Hjärtat i varje keramisk produktion
är pulverberedningen
Formgivning
Det förberedda granulatet pressas
under högt tryck till kompakta
detaljer. De vanligaste formgivningsmetoderna för keramiska
produkter är automatpressning (även
Metoder som t.ex. slamgjutning
och varmpressning är mindre
lämpliga för keramiska
precisionskomponenter.
Grönbearbetning
Kapning • Svarvning • Fräsning • Håltagning
Sintring
Försintring • Sintring • Temperering
Mellankontroll
Sprickkontroll (färgpenetrationstest)
Efterbearbetning
Slipning • Polering • Håltagning • Rengöring
Slutkontroll keramik
Sprick-, mått- och visuell kontroll
Fogningsteknik
Lödning • Limning • Inkrympning • Insintring
Slutkontroll fogad detalj
Färdig
detalj
Leverans
6
06
FRIALIT ®-DEGUSSIT ® High-Performance Ceramics
7
De vanligaste
formgivningsmetoderna
GRÖNBEARBETNING
MÖJLIGGÖR
KOMPLICERADE
GEOMETRIER
Grönbearbetning
De automatpressade och isostatpressade detaljerna har en kritliknande konsistens och skall, där
det är nödvändigt, grönbearbetas
genom slipning, sågning, håltagning,
fräsning och svarvning (fräsning och
svarvning är inte möjligt efter sinterprocessen). Dessa bearbetningsmetoder möjliggör tillverkning
av komplicerade detaljer. I detta
stadium kan endast grova toleranser
uppnås.
Sintring
Sintring är en förtätning av materialet genom termisk behandling
strax under granulatets smältpunkt.
Högrena, polykristallina keramiska
material har inga bindningsfaser. De
keramiska materialen sintras vid
temperaturer kring 1800º C och utsätts då för en volymkrympning på
Automatpressning (Torrpressning)
Isostatisk pressning
Här används framför allt dubbelsidig
pressning (tablettpressning).
Överstämpel och understämpel
pressar granulatet i en matris till en
”grönkropp” (detalj före sintring).
Underskärning är, liksom vid formsprutning, inte pressbar. Däremot är
det möjligt att framställa hål (runda,
ovala, fyrkantiga m.m.) och avsatser
i axiell riktning. Pressverktygen
består av hårdmetall, är relativt dyra
och lönar sig först vid större antal.
Då pressautomater har begränsade
tryckkrafter blir detaljens maximala
pressytor ca 80 mm² och maximala
höjd ca 50 mm. Geometriskt blir
detaljerna mycket konstanta och
reproducerbara. I regel sintras
(bränns) detaljen utan vidare
bearbetning.
Med detta menas en allsidig
kompaktering av granulatet i
en elastisk form (oftast gummi)
med högt hydrauliskt tryck på
2000-4000 bar. Den yttre, av
gummimanteln formade, konturen
är inte speciellt exakt och måste
bearbetas före sintringen.
Pressformarna är relativt billiga
men presscykeln tar ganska lång
tid och består av tre delmoment:
tryckuppbyggnad, tryckhållning
och tryckavlastning. Denna metod
är främst avsedd för mindre antal
och/eller större dimensioner. Den
efterföljande bearbetningen är jämfört med automatpressning betydligt
omständligare.
8
Extrudering (Strängpressning)
En plastiskt formbar massa bereds
och pressas genom ett munstycke
med en kolv- eller snäckpress till
ca 50%. Under sintringen erhåller
materialen de önskade hållfasthetsegenskaperna för teknisk
användning.
Genom de hittills beskrivna
formgivningsmetoderna kan
toleranser inom området ±1% från
nominellt mått (vid dimensioner
<10 mm minsta tolerans ±0,1 mm)
innehållas. För att undvika en kostsam efterbearbetning av defekta
detaljer görs en sprickkontroll på
alla detaljer efter sintringen.
Genom efterbearbetning är det
vid serietillverkning idag möjligt
att standardmässigt tillverka
enligt ISO-toleranser i kvalitet T7
(hål) eller t6 (axel). Med speciella
metoder och åtgärder kan mycket
finare toleranser uppnås. Axlar
kan passas in i hål med mindre än
5 um spel. Det bör noteras att
varje toleransminskning ökar produktions-, test-, och mättiderna
l
och
därmed ökar också produktionskostnaderna avsevärt.
Vid sintring erhåller de keramiska
materialen önskade hållfasthetsegenskaper
Efterbearbetning
För de användningsområden där
de hittills erhållna toleranserna på
måttnoggrannhet och ytkvalitet
inte är tillräckliga behöver de
sintrade detaljerna efterbearbetas.
Detta sker med hjälp av diamantverktyg och diamantpastor. Snäva
yt- och toleranskrav bör endast
anges där de är absolut nödvändiga
för funktionen.
Slutsats: snäva toleranser endast
där det är absolut nödvändigt för
funktionen! På plana och cylindriska ytor kan ytkvaliteten avsevärt förbättras med hjälp av läppning, hening och polering till
rimliga kostnader.
längder upp till 2 meter. För mekaniska komponenter görs i huvudsak
stavar och rör med maximalt 20 mm
i diameter. De strängpressade komponenterna kapas och slipas till
önskade geometrier och toleranser.
Formsprutning
Förfarandet motsvarar i stort formsprutning av plaster. En plastisk
formbar massa bereds och formsprutas i verktyg. Efter formsprutningen avlägsnas den iblandade
plastandelen kemiskt eller termiskt.
Därefter sintras detaljen.
Gjutning
Granulatet suspenderas i vatten och
hälls i en gipsform. Gipset suger upp
vattnet ur suspensionen och en
detalj motsvarande gipsformens
innerkontur byggs upp.
FRIALIT ®-DEGUSSIT ® High-Performance Ceramics
9
Slitstarka,
korrosionsbeständiga
och hållfasta vid höga
temperaturer
Materialegenskaper
Keramiska detaljer erbjuder många
unika egenskaper. Ofta efterfrågas
goda glidegenskaper tillsammans
med korrosionsbeständighet hos
t.ex. keramiska glidlager. Det finns
billigare material som erbjuder goda
glidegenskaper och det finns även
billigare material som har tillräcklig
korrosionsbeständighet. Få material
kan dock förena dessa egenskaper och
erbjuda både korrosionsbeständighet
och goda glidegenskaper.
De viktigaste fysikaliska data för några
typiska keramiska material, jämfört
med stål och porslin, visas i diagram
1-6. Materialbeteckningarna som där
används är:
• F 99,7: 99,7% aluminiumoxid
• FZT: 90% aluminiumoxid +
10% zirkoniumoxid
• FZM: PSZ zirkoniumoxid, delstabiliserad
• FZM/K: TZP zirkoniumoxid, delstabiliserad
• SiC 198D: Kiselkarbid SsiC
• HP 79: Kiselnitrid, hetpressad
För varje enskilt konstruktionsfall
måste det undersökas vad som
krävs av detaljen och vilka yttre
förutsättningar som kommer att
gälla. Det bäst lämpade keramiska
materialet väljs och därefter måste
konstruktionen målmedvetet optimeras för det valda materialet.
Keramikmaterialen har många
fördelaktiga egenskaper som innebär
hög säkerhet, tillförlitlighet och lång
livslängd för detaljen:
10
• Utomordentlig hårdhet och • Överlägsna högtemperatur-
egenskaper
slithållfasthet
• Enastående korrosions- • Låg utvidgningskoefficient
beständighet
• Överlägsen ytkvalitet
• Elektriskt isolerande
• Hög tryck- och böjhållfasthet
• Låg specifik vikt
Dessa egenskaper motiverar en
högre prisnivå och en nödvändig
konstruktiv anpassning.
• Utmärkt kemisk beständighet
• God beständighet mot temperaturväxlingar
FRI FRIALIT®-DEGUSSIT ® High-Performance Ceramics
11
Temperatur, densitet,
tryck- och böjhållfasthet, hårdhet,
värmeledningsförmåga
DIAGRAM MATERIALEGENSKAPER
1.
2.
Temperaturoperativa områden
T (°C)
Densitet
g/cm3
9.00
8.00
2100
3.
1800
7.00
1500
6.00
1200
5.00
900
4.00
600
3.00
300
2.00
0
1.00
-273
0.00
F99.7
FZT
FZM
FZY FZM/K SiC198D HP79
4.
Tryckhållfasthet
i MPa
F99.7
FZT
FZM
FZY FZM/K SiC198D HP79 Porslin SS1650
Verktygsstål
Böjhållfasthet
i MPa
900
800
4000
Temperaturoperativa områden
Diagram 1
Keramiska material har överlägsna
temperaturegenskaper. De behåller
alla sina unika egenskaper inom ett
stort temperaturområde, för de flesta
mellan -273° C till en bra bit över 1
200° C.
Densitet
Diagram 2
Keramiska material kan p.g.a. sin låga
specifika vikt räknas till ”lätta”material på den metalliska jämförelseskalan. Aluminiumoxid har exempelvis en specifik vikt på 3,9 g/cm3,
endast hälften av värdet för stål och
mindre än 25% av hårdmetallens
densitet.
En lägre densitet ger en snabbare
reaktion i t.ex. hydrauliska system. I
backventiler, då det gäller öppningsoch stängningstider, är keramiska
ventilkulor mycket lättare och därför
också snabbare. Hos keramiska
kolvar och plungers behöver mindre
massa accelereras och bromsas upp
jämfört med metalliska material.
Den mekaniska kraften kan därför
minskas och därmed sparas energi.
Idag används förstärkta ventiler i
kiselnitrid i motorfordon. Snabbare
12
reaktionstider ger exaktare styrning
av insprutningsventilerna, lägre vikt
och därmed bränslebesparingar.
Tryck- och böjhållfasthet
Diagram 3 och 4
Keramiska material har en
extremt hög tryckhållfasthet och
för att vara ett sprött material
en relativt god böjhållfasthet.
Den höga tryckhållfastheten
bör framför allt utnyttjas vid
fogning med metalliska material.
Hållfasthetsvärdena står sig till
temperaturer långt över 1000º C.
Hos metalliska material motsvarar
tryckhållfastheten ungefär böjhållfastheten. Detta är inte fallet hos
keramik. Böjhållfastheten hos
spröda material uppgår ungefär
till en femtedel till en tiondel av
tryckhållfastheten. Detta måste
tas hänsyn till vid konstruktionen.
Ett viktigt mått för utvärdering av
egenskaperna hos spröda material
är brottsegheten, som visar måttet
på spänningsintensitetsfaktorn.
I litteraturen delas materialklasser
in efter avtagande sprödhet enligt
följande: glas – porslin – kiselkarbid
– kiselnitrid – aluminiumoxid
– zirkoniumoxid – hårdmetall –
gjutjärn – stål.
Spänningsintensitetsfaktorn
berättar mycket om brottförhållanden hos icke duktila
material och är att betrakta som
böjhållfasthet.
3500
700
3000
600
2500
500
2000
400
1500
300
1000
200
500
100
0
Hårdhet
F99.7
FZT
FZM
0
FZY FZM/K SiC198D HP79 Porslin SS1650
Verktygsstål
F99.7
FZT
FZM
FZY FZM/K SiC198D HP79 Porslin SS1650
Verktygsstål
Diagram 5
Keramiska material hör till de
hårdaste av de kända materialen.
Även vid användning i höga temperaturer behåller keramiken en hög
hårdhet, långt över snabbstål och
hårdmetall, som snabbt förlorar
sin hållfasthet från ca 600º C och
uppåt. Den höga hårdheten är,
tillsammans med många andra
egenskaper, en förutsättning för
hög slitstyrka.
Värmeledningsförmåga
Diagram 6
5.
6.
Hårdhet
i Knoop
25000
Värmeledningstal (W/m*K)
100
Värmeledningsförmåga
90
20000
80
15000
60
10000
40
70
50
30
5000
20
10
0
F99.7
FZT
FZM
FZY FZM/K SiC198D HP79 Porslin SS1650
Verktygsstål
0
F99.7
FZT
FZM
FZY
FZM/K SiC198D HP79 Porslin SS1650
Verktygsstål
Medan kiselkarbid har en värmeledningsförmåga lika bra som
koppar, har aluminiumoxid ett
värde i samma nivå som stål. Det har
hos t.ex. elektrokeramik fördelen
att detaljen förutom sina goda
elektriska egenskaper dessutom
kan leda bort den bildade värmen.
Tvärtemot är zirkoniumoxid, med
en låg värmeledningsförmåga nära
porslinets, en god värmeisolator.
FRIALIT ®-DEGUSSIT ® High-Performance Ceramics
13
Fogningsmetoder för
keramik–metall och
keramik–keramik
Konstruktionshänvisningar
Konstruktionshänvisningar
för gjutjärn, hårdmetall och
pulvermetallurgi kan nästan utan
undantag appliceras på keramik:
• Jämn och tillräcklig vägg-
tjocklek, inte alltför tunn men
inte heller överdimensionerad. Den vanliga säkerhetsmässiga överdimensioneringen av stålkonstruktioner ger inga fördelar för keramiken, snarare nackdelar.
Lödning
Fogningsteknik
För att sammanfoga en keramisk
detalj med en annan detalj, ofta
i metall, kan de flesta kända isärtagbara och icke isärtagbara fogningsmetoderna användas, med
undantag för svetsning. Här skall
keramikens unika egenskaper tas
14
Inkrympning
tillvara och utnyttjas. De vanligaste
fogningsmetoderna för keramik är:
klämning, limning, kittning, fastskruvning, säkring med stift eller
spår och fjäder, inkrympning i metall,
lödning samt inbäddning med plast.
En viktig metod är inkrympning av
keramik i en metallhållare. Med rätt
Limning
• Skarpa och grova övergångar bör undvikas. Stora radier,
mjuka kurvor vid diameterför- ändringar, konkava inner-
kanter och brutna kanter är att föredra.
• Snäva toleranskrav endast där det är absolut nödvändigt.
• Tryckbelastning på detaljen är att föredra. Spänningstoppar, dragspänningar och punkt-
Tryckbelastning på detaljen är att föredra
• Undvik konvexa radier och spetsiga vinklar, försök nå 45º faser.
• Avlånga hål utjämnar måttav-
vikelser och tjänar som
montagehjälp.
Insintring
Glaslödning
belastningar bör undvikas och liksom hos andra material är
spår kritiska.
• Upphöjning av slipytan minskar
slipkostnaderna, då en mindre yta behöver bearbetas.
Diffusionssvetsning
krympparametrar krymps metallen utanpå keramiken till varvid
keramdelen utsätts för tryck.
Därigenom kompenseras eventuella
dragspänningar vid användandet. Vid
konstruktion av sammanfogningen
måste hänsyn tas till materialens
olika värmeutvidgning samt till rätt
fördelning av kraften i detaljen.
FRIALIT ®-DEGUSSIT ® High-Performance Ceramics
15
Norway, Sweden and Finland
Denmark:
Production site:
Aliaxis Utilities & Industry AB
Ceramics Division
Stormbyvägen 6 - SE-163 55 Spånga - Sweden
Tel: +46 8 44 66 910 - Fax: +46 8 44 66 911
E-mail: [email protected]
Aliaxis Utilities & Industry A/S
Ceramics Division
Sandvadsvej 1 - DK-4600 Køge - Denmark
Tel: +45 46 77 25 75 - Fax: +45 46 75 54 30
E-mail: [email protected]
www.aliaxis-ui.se
www.aliaxis-ui.dk
FRIATEC AG
Ceramics Division
Postfach 710261 - D-68222 Mannheim
Steinzeugstraße 50 - D-68229 Mannheim - Germany
Tel: +49 6 21/4 86-0 - Fax: +49 6 21/4 77-9 99
E-Mail: [email protected]
16
www.friatec.de