Trifu Alexandru Ioan * Lapadat Ionut Adrian
Bobes Mihai Daniel
Ceramica tehnica se impune in toate sectoarele constructiei de masini, ca si in electrotehnica, energetica, metalurgie, precum si in domenii precum cel medical, sportiv, casnic, datorita unor caracteristici exceptionale fizice, mecanice, termice, electrice, chimice. In present putem afirma ca materialele ceramice afecteaza orice ramura tehnica moderna, aceasta tendinta accentuandu-se, deoarece la parametrii functionali mentionati se adauga si factori economici deloc neglijabili, cum ar fi abundenta materiei prime si scaderea continua a pretului de cost, datorita permanentei imbunatatiri a metodelor de elaborare a acestor material si extinderii ariei lor de utilizare.
Materialele ceramice atat carburi ale materialelor cat si acelea cunoscute in tehnologia prelucrarilor mecanice sub denumirea de mineraloceramice (oxizi ai metalelor si metaloizilor, diamante etc.), sunt larg utilizate ca scule aschietoare datorita duritatii lor (diamantul, nitrura cubica de bor, carborundul, s.a. sunt cele mai cunoscute materiale dure) si pastrarii acestei proprietati la temperaturi foarte ridicate; in acelasi scop se utilizeaza si materiale composite granulare de tipul cermenturilor.
Folosirea materialelor mineraloceramice in afara diamantului natural dateaza din anii 1930 cand s-a utilizat corindonul artificial (alumina cristalizata trigonal, cea naturala avand in functie de pigmentare culoarea rosu rubin sau albastru safir) pentru prelucrarea maselor plastice, aliajelor usoare si pentru taierea ceramicii.
Placutele din carburi metalice sunt cele mai interesante, datorita unui cost moderat, duritate ridicata (peste 80 HRC) rezistentei mari la uzura si stabilitatii termice in jur de 900 0 Celsius, ceea ce permite folosirea lor pentru prelucrari prin aschiere a majoritatii materialelor metalice si nemetalice. Dezavantajele constau in fragilitatea lor in prezenta socurilor si vibratiilor, deteriorandu-se rapid; este absolut obligatorie alegerea placutei in functie de natura si tehnologia materialului prelucrat.
Placutele din carburi minerale se clasifica din punct de vedere al compozitiei chimice astfel:
Grupa P: include placutele din carbora de wolfram (29-80%), carburi de titan si tantal (65-80%) si cobalt (6-18%) folosite pentru prelucrarea otelurilor si amterialelor plastic ce dau aschii lungi.
Grupa M: cuprinde placate din carbora de wolfram (79-84%), carburi de titan si tantal (6-12%) si cobalt (7-15%) folosite la oteluri, mase plastice etc.
Grupa K: este compusa din carbora de wolfram (88-92%), carburi de titan si tantal (0-4%) si cobalt (4-12%) utilizandu-se pentru aschierea materialelor cu rezistenta mare la compresiune (fonta, material neferoase si sintetice) in general materialelor casante ce dau aschii scurte si la prelucrari fine.
Placutele din carburi metalice se obtin in general, in general, plecand de la trioxide de wolfram, dioxid de titan si de tantal cu adios de carbon si cobalt, prin reducere, macinare, amestecare, presare la cote bine definite si sintetizate in cuptoare cu vacuum la temperaturi intre 1300 si 1600 grade Celsius.
Materiale mineraloceramice utilizate la prelucrarile prin aschiere cuprind o larga varietate de proveniente, structuri si proprietati distingandu-se:
Materiale natural ca diamantul, cuartul, novoculitul, caroxul etc.
Materiale sintetice ca diamantul, corindonul, nitrura cubica de bor, carbora de bor, oxizi ai metalelor si metaloizilor; la acestea se adauga acaperiri si substraturi de carbora si nitrura de titan utilizarea unor material vitroceramice ca liantii pentru discuri abrazive etc.
Tehnologia de fabricare a placutelor pe baza de alumina consta in amestecarea acesteia sub forma de particule fine, extrase din bauxita, cu eventualele elemente de aliere si cu materiale de legatura ce influenteaza favorabil si procesul de sintetizare, cum ar fi FeO, borax, colofoniu etc., dupa care urmeaza presarea in forme, la cote precise, si sinterizarea in vacuum la 1500-2000 0 Celsius. In functie de lipsa sau prezenta elementelor de aliere, se obtin doua categorii de placute, si anume:
din alumina pura sau foarte putin aliata (de culoare alba, cenusiu deschisa, albastra sau cu o nuanta rosie);
cu o cantitate insemnata de elemente de aliere (carburi metalice in proportie de 40-60%) avand in acest caz o culoare cenusiu inchis pana la negru.
Se constata ca placutele mineraloceramice permit viteze de aschiere de peste 1000 m/min si uzurile cele mai reduse in cnditiile vitezelor de aschiere maxime, datorita unei conductivitati termice mici, temperaturi inalte de inmuiere si pasivitatii fata de reactiile chimice. Dezavantajele constau intr-o mai slaba rezistenta la tractiune si la incovoiere, la vibratii si la incalziri bruste, impunandu-se o serie de masuri privind geometria sculei, parametrii de aschiere, fixarea piesei de prelucrat si rigiditatea masinii care se prelucreaza.Domeniul recomandat pentru placutele mineraloceramice sunt operatiunile de finisare si suprafinisare, la care vitezel economice de asschiere sunt cel putin duble fata de acelea permise in cazul placutelor din carburi metalice.
Diamantul si sculele diamante au o lunga istorie privind diversele utilizari, incepand cu prelucrarea sticlei. Producerea diamantelor sintetice pe scara industriala in anii '50 a resuscitat interesul pentru aceste materiale, dublat si de necesitatea aparuta intre timp de prelucrare a noilor materiale ceramice cu duritate foarte ridicata (produsele pe baza de alumina; ascutirea sculelor, prelucrarea reperelor folosite in electronica, a etansarilor din industria chimica etc. realizate din materiale cu peste 90% alumina nu se pot prelucra economic, din cauza duritatii extrem de ridicate, decat cu scule pe baza de diamant).
Sculele cu diamant sunt larg utilizate in prezent la masinile cu comanda numerica si la agregatele de prelucrari, putand fi grupate in doua categorii:
Pentru prelucrari neabrazive: indreptare, aschiere, profilare a discurilor abrazive, netezirea, trefilarea, taierea sticlei, varfurile pentru durimetre, scule pentru foraj etc;
Pentru prelucrari abrazive: ascutirea sculelor, slefuirea, rectificare, honuire, suprefinisare-lepuire, la care se pot adauga operatiuni de gaurire, debitare etc;
Cea mai mare pondere de utilizare a sculelor cu diamant in constructia de masini o au insa prelucrarile abrazive, ce folosesc granule dure de diamant inglobate intr-o masa de liant, rezultatul putand fi comparat cu o scula multitais. In prezent, granulele de diamant natural au fost aproape in intregime inlocuite cu produse sintetice, mult mai ieftine. Prima meniune asupra utilizarii abrazive a diamantului dateaza de peste un secol si jumatate, cand s-a inregistrat rectificarea" lentilelor optice cu ajutorul unui disc de fonta pe suprafata caruia se imprimasera granule de diamant sortate dimensional.
O alta operatiune cu multiple aplicatii, honuirea, foloseste de asemenea scule abrazive diamantate (capete de honuit), cu care se pot prelucra toate tipurile de materiale intalnite la piesele de mare precizie din industria constructiilor de masini: motoare, aeronave, masini-unelte, echipamente hidropneumatice, organe de asamblare s.a.
Pastele abrazive isi gasesc de asemenea o larga utilizare pentru suprafinisarea suprafetelor de mare precizie din domeniul mecanicii fine, a prelucrarii sticle si ceramicii, a bijuteriilor (doar astfel se poate slefui diamantul insusi).
British Ceramic Research Association considera ca extinderea utilizarii ceramicii avansate in domenii a temperaturile inalte, mediile agresive din punct de vedere chimic, fizica nucleara, biomedicina ar putea inregistra salturi spectaculoase, ceea ce justifica eforturile investite in cercetarea noilor materiale ceramice, cuprinzand o larga paleta de aspecte, incepand cu un control adecvat al ciclului de elaborare – cu consecinte directe asupra structurii si proprietatilor - si continuand cu tehnologiile de fabricatie propriu-zise.
Ceramicele sunt definite ca fiind materiale nemetalice de natura anorganica, greu solubile in apa, obtinute pe cale naturala sau artificiala la temperaturi si presiuni ridicate.In functie de temperaturile de formare si comportarea produsului finit la temperatura ridicata materialele ceramice sunt:
refractare;
nerefractare;
In functie de nivelul de temperaturii maxime de topire exista ceramice refractare obisnuite (1770 0C), cu refractaritate inalta (2000 0C) si super-refractare (peste 2000 0C). Dupa microstructura materialele ceramice pot fi monocristaline si policristaline.Materialele policristaline pot fi dupa compozitia chimica monofazice, polifazice sau multifazice iar dupa textura pot fi poroase/dense sau lipsite de porozitate.
Dupa natura si destinatia produselor, materialele se clasifica astfel:
Ceramica traditionala;
Ceramica tehnica – materii prime de puritate inalta, oxidice sau neoxidice, utilizate in aproape toate domeniile de activitate: constructiile de masini, electronica, tehnica nucleara, tehnologia spatiala etc;
Clasificarea ceramicii tehnice din punct de vedere al compozitie chimice si principalele utilizari:
A. Ceramice silicioase (vitroceramice) -> se obtin prin cristalizarea dirijata a sticlelor cu ajutorul unor agenti de nucleatie (catalizatori) metalici, halogenuri sau compenenti oxidici. Prin tratamentul termic corespunzator poate fi modificata microstructura materialului ceramic rezultand imbunatatiri ale proprietatilor mecanice, termice, optice si electrice.(Li2O-Al2O3-SiO2, Na2- Al2O3-SiO2);
a)Portelanul tehnic: poate cel mai cunoscut material ceramic fiind produs din cuart, feldspat si caolin. Prin schimbarea compozitiei chimice portelanul poate ajunge la urmatoarele performante:
dublul rezistentei mecanice obisnuite;
rezistenta mare la solicitari termice permanente;
comportare favorabila in conditii de actiune a unui mediu exterior agrasiv;
b)Steatita: material format in principal din materii prime naturale care sunt cuprinse in grupa silicatilor de magneziu.Aditivii utilizati pentru formarea acestor materiale influenteaza caracteristicile electrice si conduc la urmatoarele diferentieri:
steatita pentru frecventa joasa (C210);
steatita normala (C221);
steatita speciala cu factor de pierdere" scazut (C221) sau steatita de frecventa inalta;
c)Cordierita: silicat magnezic (din grupa C400) care apare in timpul sintetizarii de steatita prin dispersare de caolin, carborundum, sau mulit. Prezinta coeficient scazut de dilatare termica liniara si inalta rezistenta la soc termic. Ea este utilizata de obicei in ingineria caldurii si ingineria electrica.
d)Mulitul ceramic: aceste materiale pot avea in componenta lor Al2O3 sau SiO2. In aceste conditii se poate obtine fie un mulit ceramic per, dens, obtinut prin sinterizare sau un mulit ceramic poros. Proprietatile mulitului sinterizat sunt:
rezistenta mecanica ridicata;
coeficient scazut la dilatare termica redusa;
inalta rezistenta la soc termic;
limita de curgere ridicata la temperaturi inalte;
Aceste proprietati il recomanda pentru:
tuburi de protectie a termocuplelor;
role de transport pentru cuptoare;
alte utilizari in ingineria caldurii pana la temperaturi de 1650 0C;
B. Ceramice nemetalice -> se caracterizeaza prin structuri complexe realizabile prin presare la temperaturi de 1700 0C si presiuni de peste 14 MPa rezultand de aici produse cu compactitate ridicata. Principalele materiale apartinand acestei categorii de ceramice sunt: nitrura de siliciu (Si3N4), carbura de siliciu (SiC), carbura de bor (B4C);
C. Ceramice metalice sau cermenti -> au o structura metalografica complexa, foarte rezistente la solicitarile dinamice, temperaturi ridicate si coroziune. Materialele specifice apartinand acestei grupe sunt cermenti de tip wolfram-cobalt (W-Co), cermenti cu ami multe carburi (TiC-TaC-WC), cermenti cu alumina (Al2O3);
D. Ceramice oxidice -> sunt de forma Al2O3 in proportie de 99%: ZrO2, SnO2 etc, tot din aceasta categorie mai fac parte si solutiile acide cum sunt titanatul-zirconat de plumb (ceramica PZT), titanatul de bariu etc;
a)Oxidul de Al (Al2O3): alumina cu Al2O3 in proportie de 80% pana la 99% este, din punct de vedere tehnic, cel mai important material ceramic oxidic. Acest material este caracterizat prin:
rezistenta mecanica ridicata;
rezistenta buna la apa si coroziune;
excelente proprietati de izolator;
tenacitate ridicata;
rezistenta la temperaturi inalte;
b)Oxidul de zirconiu: apare sub forma de cristale mococlinice, tetragonale si cubice. Este produs sub forma total stabilizata (FSZ) sau partial stabiliata (PSZ). Acest oxid are urmatoarele proprietati mecanice si tehnologice excelente:
rezistenta buna la incovoiere si tractiune;
tenacitate de fisurare ridicata;
conductivitate termica scazuta;
conductivitate a ionilor de oxigen;
modul de elasticitate longitudinal apropiat de al otelurilor;
Datorita acestor proprietati ceramicele din oxid de zirconiu sunt preferate pentru componente foarte solicitate din punct de vedere mecanic si pentru catalizatorii din sondele Lambda.
c)Piezoceramica (PZT): cele mai importante materiale piezoceramice sunt amestecuri oxidice bazate pe zirconiu si titan. Proprietatile acestora depind de proportiile componentelor in materialul rezultat (de la zirconate la titanate). Piezoceramicele au abilitati de a fixa o anumita incarcare electrica libera in timpul distorsiunilor mecanice. Acestea constituie componente pentru:
senzori;
generatoare sonice de inalta frecventa;
E. Ceramicele magnetice -> constituite din ferite de forma MFE2O4 in care Fe este trivalent iar metalul M este bivalent, fiind reprezentat de Ni, Mg, Mn, Zn, Cu etc;
Materialele ceramice tehnice sunt caracterizate prin unele proprietati fizico-chimice superioare materialelor metalice dure si extradure:
Duritate cuprinsa intre 1500 si 2100 HV;
Rezistenta la uzura de 2-3 ori mai mare;
Stabilitate dimensionala si de forma geometrica de pana la temp de 2000 grade C;
Rezilienta cuprinsa intre 32 si 117 J/m2;
Domenii de utilizare a ceramicelor tehnice:
A. In constructia de masini:
Materialele ceramice au o larga utilizare mai ales in domeniul fabricarii sculelor aschietoare sub forma de placute din aliaje sinterizate sau sub forma de armare ori placare a zonelor active ale sculelor aschietoare, discuri abrazive, etc. Avantajele folosirii materialelor ceramice in acest domeniu sunt: rezistenta ridicata la uzura, utilizarea pana la temperaturi de 2000 0C, duritate de pana la 2100 HV si rezilienta de pana la 117 J/cm2. Sculele astfel obtinute pot fi folosite la aschierea metalelor cu viteze cuprinse intre 150 si 500 m/min si temperaturi de 1000-1500 0C. De asemenea materialele ceramice de tipul Al2O3, ZrO2 si Si3N4 sunt folosite la realizarea rulmentilor, in totalitate din materiale ceramice, sau hibrizi (bile din material ceramic), a filtrelor de trefilat, conductelor si elementelor constitutive ale pompelor ce lucreaza in/cu medii corozive, inelelor de etansare pentru utilaje chimice. Rulmentii confectionati din materiale ceramice pot lucra fara ungere pana la temperaturi de 800 0C, motiv pentru care sunt folositi cu precadere in constructia de motoare turboreactoare.
Ceramica de tip nitrura cubica de bor are duritate mare si este utilizata la confectionarea discurilor abrazive. Ceramicele de tip carbura de bor B4C sunt utilizate la fabricarea duzelor pentru instalatiile ce functioneaza cu jet de apa, medii corozive sau pulberi in suspensie. Tot din aceasta ceramica se confectioneaza elementele de etansare, trecere sau protectie folosite in instalatiile chimice ce lucreaza in medii oxidante si corozive. Carbura de bor este folosita pe scara larga si sub forma de pulbere pentru operatii de rodare, lepuire, lustruire, precum si pentru fabricarea discurilor abrazive.
B. In contructia de automobile:
Materialele ceramice de tipul oxidului de aluminiu (Al2O3) sau de zirconiu (ZrO2) sunt utilizate la cofectionarea corpului bujiilor iar cele de tip nitrura de siliciu (Si3N4) se folosesc la executarea galeriei de evacuare a gazelor. Ca si ceramicele pe baza de SiC si Si3N4, titanatul de aluminiu (Al2TiO5) este utilizat cu rezultate deosebite la realizarea de matrite pentru turnarea sub presiune a pieselor de aluminiu si fonta cenusie. Deoarece densitatea titanatului de aluminiu este egala cu 1/3 din densitatea otelului iar comportarea sa la temperaturi inalte, uzura si coroziune este foarte buna, acesta fiind folosit la captuselile termoizolante si rotoarele a rotoarelor de turbina.
C.In industria chimica:
Ceramicele de tip nitrura de siliciu (Si3N4), carbura de siliciu (SiC), dioxidul de zirconiu (Zr2O2), sunt folosite pentru executarea de instalatii chimice si armaturi care lucreaza in conditii de eroziune, reactii chimice agresive si temperaturi ridicate. Ceramica de tip SiC este folosita in constructia de lagare si ghidaje precum si la realizarea segmentilor de etansare, componente utilizate la pompele care au ca fluid de lucru medii agresive chimic. Ceramica de tip ZrO2 este utilizata la realizarea lagarelor si altor elemente constructive din componenta instalatiilor dinamice si vaselor care lucreaza in mediu puternic corziv.
D. In industria electronica si electrotehnica:
Materialele ceramica de tipul tipul oxidului de aluminiu (Al2O3), nitrurii de aluminiu (AlN), oxidului de beriliu (BeO2), carburii de siliciu (SiC) si ceramica transparenta pe baza de Mg-Al-silicati, sunt folosite la confectionarea de termocuple, carcase de protectie de inalta tensiune, izolatori de tensiune, socluri, sigurante, etc. Ceramicele de tip carbura de siliciu (SiC) isi pastreaza conductivitatea electrica pana le temperaturi de 1500 0C motiv pentru care este folosita la executarea electrozilor pentru cuprtoare electrice si constructia de dilatometre. Ceramicele pe baza de titanat de bariu (BaTi) sau zirconiu titanat de plumb (Zr-Pb-Ti) sunt folosite la executarea de grile, condensatori, ferite si elemente piezoelectrice.
E. In domenii speciale:
Sunt utilizate ceramicele de tip nitrura hexagonala de bor, silicati de carbura de siliciu (SiSiC), etc., din care se executa: discuri abrazive, straturi extradure de protectie a pieselor metalice (acoperiri) care lucreaza in conditii grele la temperatura, uzare, agenti chimici si solicitari mecanice, lacuri protectoare anticorozive si rezistente la abraziune si temperaturi inalte.
Bibliografie:
Viorel Goanta – Materiale ceramice tehnice – Studiul proprietatilor mecanice", ed. Performantica, Iasi, 2003
Aschiere, scule aschietoare, dispozitive si verificatoare" , Iasi, 1992
Dinescu R., Surdeanu T., Ceramica din oxid de aluminiu", ed. Tehnica, Bucuresti, 1979
Ghergu N., Industria materialelor ceramice", INID, 1989
Nica Al., Ceramica tehnica", ed. Tehnica, Bucuresti, 1988