SPAJANJE KERAMIKE

Keramički materijali (oksidi, silikati) su različitog sastava i kao konstrukcijski materijali koriste se u većem opsegu od 1950 g. Za primjenu u tehnici mnogo koriste se oksidi Al, Mg, Zr i Th.

Ovi oksidi imaju ove važne karakteristike:

· otporni su na koroziju pri povišenim temperaturama (vatrootpornost);

· imaju dobru čvrstoću pri visokim temperaturama (vatrostalnost);

· otporni su na trošenje.

Inače, za rad na visokim temperaturama su najotporniji Si3N4 (nitrid) i SiC (karbid), koji su nemetali, a ne spadaju u keramičke materijale.

Zbog svojih karakteristika keramički materijali su, prikladni za rad u plinskim turbinama, raketnim motorima i motorima sa unutarnjim izgaranjem. Danas se u mnogo slučajeva metali zamjenjuju keramikom.

Postoje i metalokeramike napr. Mo - ZrO2. Metalne komponente u strukturi daju žilavost, a keramika čvrstoću na visokim temperaturama.

Primjena keramičkih materijala za elemente opreme za rad na visokim temperaturama, alate, u elektronici i u elektrotehnici zahtijeva razvoj metoda spajanja dijelova iz keramike.

Prvo uspješno spajanje metala i keramike je ostvareno 1930. godine. Prvo je na keramiku nanesen metalni sloj metalizacijom, a zatim je srebrnim lemom ostvaren spoj keramike i metala. Ovakav spoj je dobar za rad na niskim temperaturama, zbog relativno niske temperature taljenja srebrnog lema.

Svojstva Al2O3 keramike

   

97% Al2O3

99.7 Al2O3

Tt - Talište oC

2 050

2 050

g - Gustoća (20 oC) g cm-3

3.7

3.99

Poroznost %

7.2

0.2

l - Koef. Topl. vodljivosti (0-100 oC) Wm-1 K-1

19.7

37.7

a - Koef. Linearnog istezanja (0-100 oC) 10-6K-1    
  (0-300 oC)

6.7

6.7

  (0-500 oC)

7.3

7.3

  (0-1100 oC)

8.5

8.5

Čvrstoća na tlak Nmm-2

3 000

4 500

Čvrstoća na savijanje Nmm-2

300

520

Za materijale međuslojeva spojeva metala i keramike poželjno je da su koeficjenti linearnog istezanja što sličniji. Niob odnosno Nb 1 Zr imaju koeficjent linearnog istezanja blizak Al2O3. FeNi, FeNiCo su legure koje imaju također sličan koeficijent linearnog istezanja, pa koriste kao materijal za međuslojeve.

Kod spajanja keramike i metala treba imati na umu i visoki koeficijent linearnog istezanja metala u odnosu na keramiku zbog porasta temperature. Javljaju se visoke temperature, napetosti i pukotine u spojevima. Da bismo izbjegli ovu nepriliku može se primjeniti spajanje u čvrstom stanju (bez taljenja) pri kojem se između metala i keramike postavlja međusloj od metala ili metal-keramike, te se mjesto spajanja zagrijava i vrši pritisak (difuzijsko zavarivanje).

Nanošenje međusloja. Spojevi se ostvaruju pomoću međusloja, koji se na različite načine nanosi. Postoje slijedeće mogućnosti: oksidi, metali ili mješavine se isparavaju, a zatim se kondenziraju na površinama, uranjanje u te materijale, premazivanje, nabrizgavanje ili galvanizacija u određenoj zaštitnoj atmosferi i pri povišenoj temperaturi. Kasnije sintetiziranje, difuzijsko zavarivanje ili lemljenje se često primjenjuju. Ako se kao lem koristi Pd-Cu ili Nb legure, tada se lemljenje međusloja obavlja na preko 1500 oC, a dozvoljene radne temperature takvih spojeva su i preko 1200 oC.

Zavarivanje trenjem: Protusmjernim okretanjem oba komada koji se spajaju ili okretanjem jednog dok je drugi učvršćen, kroz određeno vrijeme dolazi do zagrijavanje površina uslijed trenja. Nakon zagrijavanja isključi se okretanje - trenje i djeluje samo sila pritiska.

Za spajanje je korišten stroj s 300-3000 min-1, aksijalna sila pri rotaciji i zagrijavanju 5.5-18.5 kN, a nakon isključenja rotacije, korištena je aksijalna sila spajanja 11-30 kN.

Pri spajanju se mogu javiti pukotine u keramici zbog termičkog šoka i zbog momenta torozije pri zagrijavanju. Najbolji rezultati su postignuti pri 1 500 min-1 uz 5.5 kN silu pritiskivanja pri zagrijavanju i 18.5 kN i 5 sekundi vrijeme spajanja.

Pri spajanju metala na keramiku važno je da metal može vlažiti i prianjati na keramiku. Postignut je dobar spoj Al-Mg 5 na keramiku, a meki čelik i bakar se nisu mogli na ovaj način spajati.

zi6.jpg (39179 bytes)

Slika. Zavarivanje trenjem Al-legura na keramiku (Sastav napr. 94% Al2O3, 4,4% SiO2, 1,0% CaO, 0,6% MgO). Keramika je dobivena sinterovanjem na zraku pri 1 200°C.

a) oblaganjem keramike s Al - legurom, pa spajanjem

b) direktnim spajanjem keramike i Al-legure

c) izgled spoja nakon zavarivanja, te tipični parametri: broj okretaja, moment, aksijalna sila i sabijanje.

Povratak na početnu stranicu - povratak na popis pitanja iz Zavarivanja I !!