Keramer

Med keramer menas material som är oorganiska och icke-metalliska. Man brukar skilja på s k traditionella keramer och tekniska keramer.

Till de traditionella keramiska materialen hör t ex byggnadstegel och hushållsporslin. De är således inte primärt avsedda för tekniska tillämpningar och kommer därför inte att behandlas vidare här.

De för mekanikkonstruktören intressanta keramerna är konstruktionskeramerna. Dessa kan vara monolitiska eller kompositer. De monolitiska har samma uppbyggnad tvärs genom materialet medan kompositerna innehåller förstärkningslement som ligger fördelade i en kerammatris.

Konstruktionskeramers egenskaper karaktäriseras av att de har hög elasticitetsmodul, smältpunkt och hårdhet. Vidare har de liten brottöjning, är kemiskt stabila och korrosionshärdiga och har låg termisk utvidgning och konduktivitet. Keramer är spröda men fiberförstärkning ger förhöjd brottseghet och ett mindre sprött brottbeteende.

Så kallade funktionskeramer har elektriska, magnetiska och optiska egenskaper som utnyttjas i speciella tillämpningar. Andra keramiska materialgrupper som är avsedda för tekniska tillämpningar är fiberisolering, glaskeramer, glas och tekniskt porslin.

En översikt över de olika keramgrupperna ges i denna bild.
Klicka för att få en klickbar förstoring!
keramer tekniska konstruktionskeramer monolitiska kiselnitrid reaktionsbunden sintrad hetisostatpressad kiselkarbid rekristalliserad kiselinfiltrerad zirkoniumdioxid partiellt stabiliserad yttrium magnesium stabiliserad borkarbid titandiborid aluminiumoxid teknisk porslin glas glaskeramer keramkompositer partikelförstärkta whiskersförstärkta fiberförstärkta funktionskeramer elektromagnetiska termiska optiska nukleära kemiska traditionella

Översikt över keramer.

Här följer en översiktlig beskrivning av egenskaperna hos olika typer av keramer. Det är viktigt att komma ihåg att många keramiska material befinner sig under stark utveckling och därför förbättras prestanda med tiden. Detta gäller speciellt hållfasthetsegenskaperna [Keramguiden, 89, MMS, 95].

Kiselnitrid/Sialoner (Si3N4)

Kiselnitrid förekommer som bindefas för kiselkarbidbaserade eldfasta material och som konstruktionskeram i huvudsakligen tre former: reaktionsbunden, sintrad (hetpressad, hetisostatpressad (HIP)) och i form av keramiska legeringar, sialoner.

Reaktionsbunden kiselnitrid medger tillverkning av komponenter med krav på mättoleranser. Den är dock porös, vilket leder till något lägre hållfasthet, men relativt liten hållfasthetsspridning. Frånvaro av sekundära faser gör att hållfastheten ligger på samma nivå upp till ca 1 500 °C.

Sintrad kiselnitrid är normalt ett helt tätt material som kännetecknas av hög hållfasthet, brottseghet och termochockresistens. Även slitstyrka, hårdhet och korrosionsresistens ligger på hög nivå. Dessa egenskaper behålls normalt till ca 1 000 - 1 100 °C. Däröver minskar särskilt hållfastheten men även krypresistensen och hårdheten. Bättre högtemeraturegenskaper erhålls med hetpressad eller HIP-ade material, vilka innehåller lägre mängd sekundär korngränsglasfas.

Sialoner, som framställs genom inlegering av huvudsakligen aluminiumoxid i kiselnitrid, har likartade egenskaper som sintrad kiselnitrid. Vanligtvis har de något lägre brottseghet, men i gengäld bättre högtemperaturegenskaper. Detta tillsammans med deras något högre oxidationsegenresistens och lägre metallöslighet gör dem lämpligare för skärande bearbetning.

Kiseknitridbaserade material är korrosiosbeständiga både i sur och basisk vätskemiljö. De motstår även sura smältor, men angrips av basiska. Saltsmältor som kan reagera med det skyddande kiseldioxidskiktet kan också orsaka korrosionsangrepp. Resistensen mot smälta icke-järnmetaller är mycket god.

Användningsområden: deglar, rör , dysor, skär, tätningsringar, valsar, kullager och motordelar.

Kiselkarbid (SiC)

Kiselkarbid förekommer som huvudmaterial i flera typer av keramer. Det finns lerbunden kiselkarbid, rekristalliserad kiselkarbid, kiselinfiltrerad kiselkarbid och sintrad kiselkarbid.

Lerbunden kiselkarbid är ett material med låg hållfasthet och det används främst i eldfasta sammanhang som kapslar i ugnar, deglar, sättmaterial för ugnar m m.

Rekristalliserad kiselkarbid har samma användningsområden men på grund av sin något högre hållfasthet kan konstruktionerna göras smäckrare och även andra typer av användningar förekomma. Den är helt fri från främmande ämnen och har därför mycket goda högtemperaturegenskaper. Detta gör att den t ex används i maskiner för hållfasthetstestning vid höga temperaturer i luft.

Kiselinfiltrerad kiselkarbid har högre hållfasthet och används i mer krävande sammanhang. Eftersom den innehåller en del kisel begränsas högtemperaturtåligheten av kislets smältpunkt (ca 1 400 °C). Kiselinfiltrerad kiselkarbid har en förhållandevis hög elektrisk ledningsförmåga och är därför en av få keramer som kan gnistbearbetas.

Sintrad kiselkarbid är den konstruktionskeram som har den högsta hållfastheten i temperaturområdet 1 300 - 1 500 °C. Vid lägre temperaturer överträffas den av kiselnitrid och vid ännu lägre temperatur även av zirkoniumdioxid. Eftersom det färdiga materialet inte innehåller någon glasfas är krypresistensen vid höga temperaturer mycket god.

Kiselkarbid är beständig mot de flesta kemikalier inklusive koncentrerade syror och baser. Kiselkarbid korroderar kraftigt av klor vid temperaturer över 800 °C samt alkaliska saltsmältor.

Zirkoniumdioxid (ZrO2)

Zirkoniumdioxid förekommer i stabiliserad och partiellt stabiliserad form. Utmärkande egenskaper (vid rumstemperatur) för den partiellt stabiliserade ZrO2 (PSZ) är brottseghet, hållfasthet och nötningsmotstånd som är högre än vad som kan förväntas av oxidiska keramer. ZrO2 har dessutom god värmeisoleringsförmåga. Densiteten är hög jämfört med de flesta andra keramer och den termiska expansionen ligger närmare metallers än värdena för flertalet andra keramer.

Zirkoniumdioxid stabiliserad med yttrium är ett av de starkaste keramiska material som finns kommersiellt tillgängligt. Emellertid gäller de höga hållfasthetsvärdena endast för rumstemperatursbruk. Redan vid temperaturer över 300 °C börjar hållfastheten avta märkbart. Yttriumstabiliserad zirkoniumdioxid är dessutom mycket känslig för fukt vid temperaturer kring 250 °C. Den magnesiumstabiliserade zirkoniumdioxiden har lägre hållfasthet, men uppvisar ingen fukt- och temperaturkänslighet under 800 °C. Stabiliserad ZrO2 kan användas upp till 2300 °C.

Användningsområden: verktyg för metaller, saxar, komponenter till adiabatiska motorer m m.

Aluminiumoxid (Al2O3)

Aluminiumoxid är en god elektrisk isolator och har samtidigt acceptabel termisk ledningsförmåga. På grund av de elektriskt isolerande egenskaperna används materialet för tillverkning av substrat på vilka elektroniska komponenter monteras, isolering på tändstift och för isolering i högspänningssammanhang.

Aluminiumoxid används också som degelmaterial för smältning av glas och metaller.

Aluminium är kemiskt inert och stabil i många miljöer. En viss upplösning sker dock i starka syror och baser. Den har en hållfasthet och slitstyrka som är högre än för porslin, men lägre än för t ex kiselkarbid och kiselnitrid.

Det finns många olika typer av aluminiumoxidkeramik på marknaden och dessa är ofta utvecklade för speciella ändamål. Detta gör att aluminiumoxidkeramik utvecklad för att optimera elektriska egenskaper kan uppvisa relativt dåliga mekaniska egenskaper och vice versa. De egenskaper aluminiumoxiden får är beroende av renheten hos råvaran, övriga tillsatser av mineral, kornstorlek i mikrostrukturen och porositet. På grund av det stora utbudet finns det goda möjligheter att välja material med optimalt pris/prestandaförhållande för en viss tillämpning. Genom inblandning av zirkoniumdioxid kan brottsegheten ökas.

Borkarbid (B4C)

Borkarbid är ett mycket hårt och slitstarkt material. Hårdheten och slitstyrkan är större än för kiselkarbid. Borkarbid är känsligt för oxidation och används därför främst vid låga temperaturer.

Användningsområden: slitagetillämpningar, munstycken och lättviktspansar.

Titandiborid (TiB2)

Titandiborid är ett material med goda slitageegenskaper.

Användningsområden: slitagetillämpningar, lättviktspansar.

Bornitrid (BN)

Den kubiska formen av bornitrid har liknande egenskaper som diamant och tillverkas med liknande metoder. Den hexagonala formen har egenskaper som grafit och används bl a som högtemperatursmörjmedel.

Fiberförstärkta keramer

Fiberförstärkning av spröda material som keramer resulterar i en komposit med ickesprött brottbeteende, hög brottseghet och hög brottenergi. Detta medför en större tillförlitlighet med mindre känslighet mot defekter, slag och punktlaster. Ett antal keramkompositer med olika egenskaper har utvecklats.

SiC-fibrer (långa)/glaskerammatris-material är helt täta, uppvisar ickesprött brottbeteende, men begränsas som högtemperaturmaterial av att matrisen mjuknar och fibrerna förlorar hållfasthet (vid ca 1000 °C).

SiC-fibrer (långa)/SiC-kompositer har hög brottenergi, bra termochockresistens och bättre högtemperaturhållfasthet än glaskeramerkompositer. De är dock inte täta (porositet omkring 10 %) och tillverkningsmetoden är dyr.

C-fibrer (långa)/C-kompositer är det material som har i särklass högst högtemperaturhållfasthet som bibehålls upp till 2 000 °C i inert atmosfär. Kompositen är begränsad till icke oxiderande atmosfär, men oxidationsskyddande ytbeläggningar är under utveckling.

SiC-whisker/Al2O3 - matriskompositer är kommersiellt tillgängliga som skärverktyg och diverse slitdelar. SiC- whisker är mycket korta enkristallina "fibrer", som har mycket hög hållfasthet och styvhet. Whiskersförstärkta keramer är spröda. Brottsegheten kan dock i vissa fall fördubblas med whiskersförstärkning jämfört med ren matris.