Керамические материалы

Керамические материалы

Керамики в широком смысле слова можно определить как неорганические вещества с ионной и ковалентной межатомной связью (оксиды, карбиды, нитриды и др.).

“Традиционная” керамика имеет более узкое значение термина -изделия из обожженной глины. Содержит значительное количество стеклообразной (аморфной) фазы, которая окружает кристаллические образования. Главным сырьем ”традиционных” керамик является глина (смесь соединений, содержащих в различных пропорциях Al2O3, SiO2 и H2O).

“Новые” керамики - в узком смысле слова - различные чистые соединения, такие как оксиды, карбиды и нитриды, бориды, силициды.

В настоящее время путем спекания чистых веществ получают детали. Керамику применяют для тепло- и электроизоляторов, для футеровки печей и высокотемпературных реакторов, фильтров для очистки промышленных газов.

Керамика на основе чистых оксидов. В производстве оксидной керамики используют в основном следующие оксиды: Al2O3, ZrO2, MgO, CaO, BeO, ThO2, UO2. Структура керамики однофазная поликристаллическая. Кроме кристаллической фазы, может содержаться небольшое количество газов (поры) и стекловидной фазы, которая образуется в результате наличия примесей в исходных материалах. Температура плавления чистых оксидов превышает 2000 0С, поэтому их относят к классу высокоогнеупоров. Оксидная керамика обладает высокой прочностью при сжатии (980...3000 МПа). С повышением температуры прочность керамики понижается. Керамика из чистых оксидов, как правило, не подвержена процессу окисления.

Керамика на основе Al2O3 (корундовая) обладает высокой прочностью, которая сохраняется при высоких температурах, химически стойка, отличный диэлектрик. Применяется для изготовления деталей высокотемпературных печей, подшипников печных конвейеров, свечей зажигания, резцов, калибров, фильер для протяжки проволоки. Пористую керамику применяют как термоизоляционный материал. Корундовый материал микролит (ЦМ-332) превосходит другие инструментальные материалы (красностойкость до 1200 0С). Из микролита изготавливают резцовые пластинки, фильеры, насадки, сопла и др. В загрязненном состоянии в виде крошки корунд применяется как абразивный материал.

Керамика на основе оксида циркония (ZrO2). Рекомендуемые температуры применения 2000...2200 0С. Она используется для изготовления огнеупорных тиглей, для плавки металлов и сплавов, как тепловая изоляция печей, аппаратов и реакторов, в качестве покрытия на металлах, для защиты их от действия температур.

Керамика на основе оксида бериллия (ВеО) отличается высокой теплопроводностью, что сообщает ей высокую термостойкость. Прочностные свойства невысокие. Оксид бериллия обладает способностью рассеивать ионизирующее излучение высоких энергий, применяется для изготовления тиглей, для плавки некоторых чистых металлов, в качестве вакуумной керамики в ядерных реакторах.

Бескислородная керамика. К тугоплавким бескислородным керамикам относятся карбиды, бориды, нитриды, солициды, сульфиды. Они отличаются высокими огнеупорностью (2500...3500 0С), твердостью (иногда как у алмаза) и износостойкостью по отношению к агрессивным средам, хрупкостью. Окалиностойкость карбидов и боридов 900...1000 0С, несколько ниже она у нитридов. Силициды могут выдерживать температуру 1300...1700 0С.

Карбиды. Широко применяется карбид кремния - карборунд (SiС). Он имеет высокую жаропрочность (1500...1600 0С), твердость, устойчивость к кислотам и неустойчивость к щелочам. Применяется в качестве нагревательных стержней, защитных покрытий графита. В загрязненном состоянии в виде крошки карборунд применяется как абразивный материал.

Бориды. Эти соединения обладают металлическими свойствами. Имеют высокую электропроводность, износостойкость, твердость, стойки к окислению. Диборид циркония (ZrB2) используют для изготовления термопар, работающих при температуре свыше 2000 0С в агрессивных средах, труб, емкостей, тиглей. Покрытия из боридов повышают твердость, химическую стойкость и износостойкость изделий.

Нитрид кремния (Si3N4) более других нитридов устойчив на воздухе и в окислительной атмосфере до 1600 0С. По удельной прочности при высоких температурах Si3N4 превосходит все конструкционные материалы, а по стоимости он дешевле жаропрочных сплавов в несколько раз. Он прочный, износостойкий, жаропрочный материал. Применяется в двигателях внутреннего сгорания (головки блока, цилиндров, поршни и др.), стоек к коррозии и эрозии, не боится перегрева теплонагруженных деталей.

Силициды отличаются от карбидов и боридов полупроводниковыми свойствами, окалиностойкостью, они стойки к действию кислот и щелочей. Их можно применять при температуре 1300...1700 0С. Дисилицид молибдена (МоSi2) используется в качестве стабильного электронагревателя в печах при температуре 1700 0С в течение нескольких тысяч часов. Из спеченного МоSi2 изготовляют лопатки газовых турбин, сопловые вкладыши двигателей; его используют как твердый смазочный материал для подшипников, для защитных покрытий тугоплавких металлов от высокотемпературного окисления.

Керметы. Это материалы, состоящие из частиц кристаллической керамики, заключенных в металлическую (тоже кристаллическую) матрицу, количество которой составляет 5...15 % по массе. Роль металла в керметах -создание вязкой, пластичной связующей для снижения хрупкости керамической основы.

Основу керметов составляют химические соединения. Среди них находятся вещества с особо высокой температурой плавления. Это, например, карбид ниобия (tпл = 3770 0С), карбид циркония (3800 0С), карбид тантала (4150 0С) и самое тугоплавкое вещество карбид гафния(4200 0С).

В чистом виде они оказались практически непригодными, так как имеют низкую теплопроводность и легко разрушаются при нагрузке. Поэтому керметы изготавливают спеканием спрессованных порошков карбидов с металлами.

Сочетание исключительно высокой твердости с хорошей ударной вязкостью, которое сохраняется при высоких температурах, привело к широкому применению керметов для изготовления режущего инструмента, покрытий от газовой коррозии сопел газовых турбин.