Produkcja materiałów ceramicznych

1. Produkcja materiałów
ceramicznych

2. Wytwarzanie ceramiki składa się
z następujących etapów:
• Wytwarzanie proszków i mas
• Formowanie
• Suszenie
• Kształtowanie półfabrykatów w stanie nie
wypalonym
• Wypalanie
• Nanoszenie pokryd ceramicznych
• Kształtująca obróbka koocowa

3. Wytwarzanie proszków i mas:

4. Rozdrabnianie mechaniczne surowców
i mas:
Rozdrabnianie grube
Rozdrabnianie miałkie
Sortowanie
Oczyszczanie

5. Rozdrabnianie surowców
Rozdrabnianie grube.
Do rozdrabniania
grubego używa się
między innymi
kruszarkę stożkową.
Służy ona do
rozdrabniania
twardych
materiałów, np.
skalenia czy kwarcytu.
Rys.1. Kruszarka stożkowa

6. Rozdrabnianie surowców
Do rozdrabniania
grubego stosuje
się także
kruszarkę
szczękową.
Rys.2. kruszarka szczękowa

7. Rozdrabnianie surowców
Rozdrabnianie
miałkie odbywa
się zazwyczaj w
młynach
bębnowych lub
kulowych.
W urządzeniach
tych mielenie
zachodzi dzięki
elementom
mielącym.
Rys. 3. Młyn bębnowy lub kulowy

8. Rozdrabnianie surowców
Młyny
wibracyjne
mają
możliwośd
wyproduko-
wania ziarna
o bardzo
małej
wielkości.
Rys.4. Młyn wibracyjny kulowy

9. Rozdrabnianie surowców
Młyny mielące typu LME 4 służą do ultradrobnoziarnistego mielenia
Rys. 5. Młyn mielący typu LME 4

10. Rozdrabnianie surowców
Sortowanie ma na celu
rozdzielenie
mieszanin
proszkowych o różnej
wielkości ziaren.
Najprostszą metoda
jest przesiewanie
wysuszonego
surowca przez sita
wibracyjne lub sita
wiskozowe. Rys. 6. Sito wibracyjne

11. Rozdrabnianie surowców
Oczyszczanie
stosowane jest w
celu oddzielenia
cząstek żelaza od
surowców
ceramicznych.
Metoda ta opiera się
na oddzielaniu
magnetycznym. Rys. 7. Elektromagnetyczny ferrofiltr
do oczyszczania z cząstek żelaza

12. Wybrane sposoby syntezy proszków:
 Suszenie rozpyłowe
 Suszenie sublimacyjne
 Współstrącanie
 Metoda zol-żel
 Reakcje chemiczne w fazie gazowej

13. Synteza proszków
Suszenie rozpyłowe. Polega na przetworzeniu
zawiesiny wodnego roztworu soli na suchy
proszek, proces ten zachodzi poprzez
rozpylanie w gorącym gazie. Zawiesina
ta, jest pompowana do rozpylaczy a
następnie rozpryskuje się ją na ogromną
liczbę kropel.

14. Rys. 8. Suszarnia rozpyłowa współprądowa

15. Synteza proszków
W suszarkach rozpyłowych używa się
rozpylaczy obrotowych, dysz ciśnieniowych
oraz dysz pneumatycznych. Sposób
przepływu powietrza w komorze
rozpyłowej w dużym stopniu wpływa na
czas suszenia kropel, czas obecności w
komorze oraz tworzenie się osadów na
ścianach.

16. Rys. 9. Systemy mieszania kropel rozpylonej zawiesiny ceramicznej z
gorącym powietrzem w komorze rozpyłowej: a) współprądowy, b)
przeciwprądowy, c) przepływ mieszany; 1-wlot gorącego powietrza, 2-
wylot powietrza, 3-dopływ zawiesiny do rozpylacza

17. Synteza proszków
Suszenie sublimacyjne jest
procesem, w którym wodne
roztwory soli są rozpraszane
po wprowadzeniu do zimnej (-
78°C) kąpieli w heksanie lub
ciekłym azocie. Roztwór
zamarza w postaci
kropel, które następnie są
uwalniane od rozpuszczalnika i
podgrzewane aby Rys. 10. Ciekły azot
odsublimowad lód

18. Synteza proszków
Współstrącanie. Roztwór miesza się
z odczynnikiem strącającym.
Współstrącony osad zazwyczaj
oddziela się od cieczy przez
odfiltrowanie i w tym czasie ulega
on rozkładowi, w wyniku czego
uzyskuje się drobnokrystaliczny
materiał. Najłatwiejszym
wykorzystaniem tej metody jest Rys. 11. Al2O3.
wytworzenie tlenków, np. Al2O3.

19. Synteza proszków
Metoda zol-żel. Metodę
tą często stosuje się do
otrzymywania proszków
o kształcie kulistym i
o nastawialnej wielkości
ziaren do 2000µm.
Uzyskane tą metodą
proszki posiadają lepszą
jednorodnośd i czystośd.
Rys. 11. Włókno mullitowe
otrzymane metodą zol-żel (3Al2O3 ·
2SiO2)

20. Rys. 12. Przebieg metody zol-żel

21. Mieszanie i ujednorodnianie
Na tym etapie procesu
technologicznego
dodawane są do masy
odpowiednie dodatki,
takie jak:
-środki wiążące (lepiszcza)
-środki poślizgowe lub
antyadhezyjne
-środki uplastyczniające
(plastyfikatory) Rys. 13. Gliceryna- stosowana
jako środek uplastyczniający.

22. Mieszanie i ujednorodnianie
Rys. 14. Alkohol etylowy- Rys. 15. Olej mineralny-
stosowany jako stosowany jako środek
organiczny rozpuszczalnik poślizgowy

23. Formowanie
Formowanie stanowi jeden z najważniejszych etapów
procesu wytwarzania wyrobów z ceramiki
technicznej. Służy ono do przekształcenia
nieskonsolidowanego materiału wyjściowego w
spójny, zagęszczony półfabrykat o określonej
geometrii i mikrostrukturze

24. Formowanie
Formowanie Formowanie Formowanie
przez plastyczne przez
prasowanie odlewanie

25. Formowanie przez prasowanie
Polega ono na zagęszczaniu
ziarnistych, polidyspersyjnych ceramicznych układów
materiałów, będących bezpostaciową masą ziarnistą.
Formowanie to wykonuje się za pomocą
jednoosiowego lub wieloosiowego działania
obciążenia ściskającego.

26. Formowanie przez prasowanie:
-prasowanie jednoosiowe na zimno
-prasowanie izostatyczne na zimno
-prasowanie walcowe
-zagęszczanie dynamiczne
-formowanie nadplastyczne

27. Formowanie przez prasowanie
Prasowanie jednoosiowe na zimno
można podzielid na:
prasowanie na mokro
prasowanie na sucho

28. Formowanie przez prasowanie
Poprzez prasowanie na mokro produkuje się wyroby
o relatywnie równomiernym zagęszczeniu, jest także
możliwośd wytworzenia półfabrykatów z wgłębieniami lub
rowkami prostopadłymi do kierunku prasowania.
Rys. 17. Prasowanie izostatyczne na mokro

29. Formowanie przez prasowanie
W prasowaniu na sucho nie ma możliwości dozowania
formy z nadmiarem. Naciski stempla znacznie
przekraczają 30 MPa.
Rys. 18. Prasowanie izostatyczne na sucho

30. Formowanie przez prasowanie
Prasowanie izostatyczne na zimno. stosowane jest
zazwyczaj, gdy w czasie spiekania potrzebna jest
duża, prawie równomierna gęstośd wyjściowa
sprasowanego półfabrykatu.
Prasowanie izostatyczne na zimno można podzielid na:
-prasowanie izostatyczne w mokrej matrycy
-prasowanie izostatyczne w suchej matrycy

31. Formowanie przez prasowanie
Prasowanie izostatyczne w mokrej matrycy
przebiega poprzez napełnienie elastycznej
formy proszkiem ceramicznym, szczelne jej
zamknięcie, odpowietrzenie oraz prasowanie .
Prasowanie izostatyczne w suchej matrycy różni
się od prasowania w mokrej matrycy, tym, że
napełnianie formy odbywa się w naczyniu
ciśnieniowym.

32. Rys. 19. Izostatyczne prasowanie na zimno: a) w mokrej matrycy,
b) w suchej matrycy

33. Formowanie przez prasowanie
Prasowanie walcowe.
Stosuje się do
formowania
cienkościennych części
ceramicznych
w postaci pełnej lub
wewnętrznie drążonej.
Tym sposobem można
wyprodukowad części
płaskie o grubości 0,5-
10mm oraz płyty
wielowarstwowe.
Rys. 20. Prasowanie walcowe

34. Formowanie przez prasowanie
Formowanie nadplastyczne
wykonuje się dzięki
podatności
drobnoziarnistych
materiałów ceramicznych
na znaczne wydłużanie w
czasie rozciągania. Obok
pokazano przykład
elementu
ceramicznego, który pod Rys. 21. Przykład formowania
wpływem nadplastycznego rury a) stan
początkowy, b) stan po ściśnięciu
ciśnienia, dostosowuje się suwaków
do kształtu matrycy.

35. Formowanie plastyczne
pasmowe wtryskowe termoplastyczne

36. Formowanie plastyczne
Formowanie pasmowe . Tą metodą można wyprodukowad
wydłużone półfabrykaty o niezmiennym przekroju
poprzecznym.
Rys. 22. Ślimakowa pompa próżniowa do pasmowego wytłaczania masy
ceramicznej

37. Formowanie plastyczne
Formowanie
wtryskowe polega
na wtryskiwaniu
drobnoziarnistego
proszku
ceramicznego i
organicznych
substancji
plastycznych do
zamkniętej, stalow
ej, chłodnej formy.
Rys.23. Ślimakowe formowanie wtryskowe półfabrykatów
ceramicznych: a) wtryskiwanie, b) dociskanie ślimaka, c)
wyrzucanie z formy półfabrykatu

38. Formowanie przez odlewanie:
 Odlewanie z gęstwy
 Odlewanie ciśnieniowe
 Odlewanie folii
 Odlewanie odśrodkowe
 Odlewanie żelowe
 Odlewanie wspomagane
elektroforetycznie

39. Formowanie przez odlewanie
Odlewanie z gęstwy odbywa się
poprzez wlanie gęstwy do
porowatej, wieloczęściowej
formy, zazwyczaj gipsowej. Woda
zostaje odciągana przez formę, przez
co gęstwa umacnia się.

40. Rys. 24. Odmiany odlewania z gęstwy na przykładzie wytwarzania dyszy palnika: a)
odlewanie jednostronne, b) odlewanie dwustronne; 1-wlewanie gęstwy do formy, 2-
tworzenie się czerepu, 3-wylewanie niepotrzebnej gęstwy, 4-wysuszanie i obkurczanie się
półfabrykatu dyszy, 5-odcinanie nadlewu technologicznego, 6-wyrób uformowany
odlewaniem z gęstwy; A-gęstwa, B- forma gipsowa, C- rdzeo

41. Formowanie przez odlewanie
Odlewanie ciśnieniowe.
Odlewanie pod
ciśnieniem znajduje
zastosowanie w
ceramice sanitarnej
oraz technicznej. Zaletą
odlewania
ciśnieniowego jest duża
szybkośd tworzenia
czerepu. Rys. 25. Koło wirnikowe pompy
wykonane odlewaniem
ciśnieniowym

42. Formowanie przez odlewanie
Odlewanie z folii
stosuje się do
produkcji
cienkich, elastycznyc
h, wielkopowierzchni
o-wych wyrobów
ceramicznych.
Grubośd odlewanej
Rys. 26. Wypalona mikrokonstrukcja z
folii wynosi ceramiki ZrO2: a) widok folii z
wgłębieniami, b) metalowe narzędzie
0,1-1,0mm. wytłaczające z kwadratowymi słupkami

43. Formowanie przez odlewanie
Odlewanie odśrodkowe polega na sedymentacji
koloidalnych cząstek proszku ceramicznego pod
wpływem działania przyśpieszenia odśrodkowego.
Rys. 27. Schematyczne przedstawienie zasady odlewania odśrodkowego

44. Formowanie przez odlewanie
Odlewanie żelowe. Odlewanie tego typu może byd
stosowane do produkcji części ceramicznych o
relatywnie znacznie większym zagęszczeniu z
różnych materiałów oraz o dowolnym kształcie i
wielkości. Czas wytwarzania jest znacznie krótszy od
tego, który potrzebny jest przy odlewaniu z gęstwy
czy formowaniu wtryskowym.

45. Suszenie
Suszenie ma na celu
usunięcie ciekłej fazy
międzywęzłowej.
Suszenie dzielimy na:
-konwekcyjne
- mikrofalowe
-bezpowietrzne
Rys. 28. Schematyczne
przedstawienie budowy i zasady
działania suszarki bezprzewodowej

46. Kształtowanie półfabrykatów w stanie
nie wypalonym
Kształtowanie ubytkowe Kształtowanie przyrostowe
-obróbka w stanie zielonym -selektywne scalanie
-obróbka w stanie białym laserowe
-scalanie proszku
strumieniem kropli
lepiszcza

47. Kształtowanie półfabrykatów w stanie
nie wypalonym
Kształtowanie ubytkowe ma
na celu uzyskanie
półfabrykatu o
odpowiednim
kształcie, poprzez usunięcie
części materiału.
Kształtowanie ubytkowe
dzieli się na obróbkę w
stanie zielonym oraz
obróbkę w stanie białym.
Rys. 29. Toczenie wzdłużne ceramiki
SiC w stanie "zielonym" nożem z
ostrzem z węglików spiekanych

48. Kształtowanie ubytkowe
Obróbka w stanie
zielonym polega na
nadaniu
niewypalonym
półfabrykatom
konturów zbliżonych
do koocowych ich
kształtów. Po obróbce
w stanie zielonym
wyroby posiadają
tolerancję 3%. Rys. 30. Pochłaniacze ciepła z ceramiki
SiSiC, obrobione w stanie zielonym za
pomocą szlifowania ściernicami

49. Kształtowanie ubytkowe
Obróbka w stanie białym
stosowana jest na
wyrobach o większej
wytrzymałości. Obróbkę
tą przeprowadza się
toczeniem, wierceniem,
frezowaniem i
szlifowaniem
Rys. 31. Obróbka w stanie "białym"
półfabrykatu z ceramiki SiC
narzędziem z ostrzem
z polikrystalicznego diamentu.

50. Kształtowanie przyrostowe
Kształtowanie przyrostowe charakteryzuje się
stopniowym kreowaniu lub dodawaniu
materiału. Kształtowaniem przyrostowym
produkuje się części o skomplikowanych
kształtach wewnętrznych.

51. Kształtowanie przyrostowe
Selektywne scalanie
laserowe polega na
nanoszeniu warstwy
poprzez aktywowanie
cieplne wiązką
laserową. Wymiary
części przetwarzane są
w zbiór danych, który
dzielony jest na plastry.
Proszek jest nakładany
Rys. 32. Zasada selektywnego scalania
warstwami. laserowego

52. Kształtowanie przyrostowe
Scalanie proszku strumieniem kropli lepiszcza
polega na nanoszeniu proszku przy użyciu
rolki rozprowadzającej, następnie proszek
jest scalany za pomocą głowicy. Przy użyciu
tej metody można wyprodukowad
kształtowe części np. z Al2O3 lub SiO2

53. Kształtowanie przyrostowe
Rys. 33. Zasada scalania proszku Rys.34. Przykład części
ceramicznego strumieniem kropli ceramicznej wykonanej z Al2O3
lepiszcza procesem TDP

54. Wypalanie
Wypalanie polega na
poddaniu
wysuszonego wyrobu
działaniu temperatury
w piecu, aby czerep
ceramiczny uzyskał
odpowiednie
właściwości.
Rys. 34. Piec do wypalania ceramiki

55. Wypalanie:
-spiekanie swobodne
-prasowanie jednoosiowe na gorąco
-prasowanie izostatyczne na gorąco
-spiekanie plazmowe
-spiekanie mikrofalowe

56. Spiekanie swobodne
Spiekanie swobodne jest
procesem
nieodwracalnym. Na
początku zmniejsza się
objętośd
porów, następnie ziarna
się zagęszczają a pory
zanikają, ostatecznie
cząstki powiększają się
a granice Rys. 35. Model procesu spiekania
międzycząsteczkowe zbioru cząstek
przemieszczają się.

57. Prasowanie jednoosiowe na gorąco
Prasowanie jednoosiowe na gorąco polega na nagrzewaniu i
formowaniu jednocześnie. Proces ten przebiega w temperaturze
1000-1800°C.
Rys. 36. Schematy urządzeo do prasowania na gorąco: a) pośrednie nagrzewanie
oporowe, b) bezpośrednie nagrzewanie oporowe z doprowadzeniem prądu do
stempli, c) pośrednie nagrzewanie oporowe z doprowadzeniem prądu z matrycy, d)
indukcyjne nagrzewanie przewodzącej matrycy grafitowej, e) indukcyjne nagrzewanie
proszku w nieprzewodzącej matrycy

58. Prasowanie izostatyczne na gorąco
Technika ta, w
porównaniu
do
prasowania
jednoosioweg
o na
gorąco, lepiej
przybliża
wyrób do
kształtu
ostatecznego.
Rys. 37. Schemat urządzenia do izostatycznego
prasowania na gorąco

59. Spiekanie plazmowe
Służy przede
wszystkim do
zagęszczania
elementów w
kształcie
prętów lub rur.
RYS. 37.
Schemat
urządzenia
do spiekania
plazmowego

60. Spiekanie mikrofalowe
Spiekanie mikrofalowe
daje możliwośd
szybkiego i
jednorodnego
nagrzewania
półfabrykatów
różnych
kształtów, usuwania
lotnych składników
oraz obniża Rys. 38. Schemat wzbudnika zastosowanego
naprężenia cieplne. do spiekania mikrofalowego ceramiki ZrO2

61. Nanoszenie pokryd ceramicznych
Chemiczne Fizyczne Natryskiwanie
osadzanie z osadzanie z cieplne
fazy gazowej fazy gazowej
Stosowanie pokryd, posiadających odpowiednie
właściwości, w większości przypadków jest bardziej
ekonomiczne w porównaniu do wytworzenia całego
wyrobu z droższego materiału.

62. Chemiczne osadzanie z fazy gazowej
(CVD)
Poprzez CVD można nanosid pokrycia o grubości do 20μm. Metodę
tą przeprowadza się w temperaturze 900-1400°C.
RYS. 39. Niektóre ważne etapy typowego, aktywowanego ciepłem procesu CVD: a)
doprowadzenie substratów w parze, b) jednofazowe reakcje zachodzące w parze, c) adsorpcja
cząsteczek gazu, d) dyfuzja powierzchniowa zaabsorbowanych cząsteczek, e) reakcje chemiczne
na powierzchni podłoża, f) desorpcja produktów reakcji, g) odprowadzanie gazowych produktów
ubocznych

63. Chemiczne osadzanie z fazy gazowej
(CVD)
Rys. 40. Schemat instalacji do chemicznego osadzania pokryd SiC z fazy gazowej

64. Fizyczne osadzanie z fazy gazowej
(PVD)
Magnetronowe Reaktywne
Rozpylanie
rozpylanie rozpylanie
jonowe
jonowe jonowe
W procesie PVD materiał pokryciowy znajduje się w
atmosferze próżni. W porównaniu z CVD , nanoszenie
powłok odbywa się w temperaturze 200-500°C.

65. Natryskiwanie cieplne
wybuchowo-
płomieniowe płomieniowe
łukowe plazmowe laserowe
Natryskiwanie cieplne w porównaniu z CVD i PVD, umożliwia
nanoszenie grubszej warstwy, mieszczącej się w zakresie
10²-104μm, a nawet kilkudziesięciu milimetrów.

66. Kształtująca obróbka koocowa
Obróbkę koocową ceramiki technicznej wykonuje się
między innymi poprzez skrawanie, ścieranie oraz
erodowanie

68. Test sprawdzający wiedzę
Test składa się z 11 pytao.
Maksymalna liczba punktów, którą można
uzyskad wynosi 16pkt.
Aby uzyskad pozytywny wynik testu należy
zdobyd minimum 50% punktów.

69. Instrukcja do testu
1.Gdy otworzy się strona z testem naciśnij
przycisk „continue”
2. Gdy odpowiesz na pytanie, naciśnij na
przycisk „submit”, znajdujący się w prawym
dolnym rogu.
3. Po zakooczeniu testu pojawi się
informacja, czy test został zaliczony.
4. W tabelce w pozycji „your score” pokazane
jest ile uzyskałeś punktów

70. Test koocowy