T echnol ógie zhutňovania modernej keramiky

1. Technológie zhutňovania modernej keramiky Autorka: Ing. Štefánia Lojanová (Ústav anorganickej chémie SAV, Bratislava)

2. Technológie zhutňovania modernej keramiky Po absolvovaní tejto lekcie budete vedieť: • vysvetliť princíp spekania práškových materiálov • povedať, ktoré mechanizmy sa uplatňujú pri spekaní • aké technológie sa využívajú na zhutňovanie keramických • materiálov • popísať princípy zariadení, ktoré sa využívajú na spekanie • keramiky pri rôznych technológiach • popísať princíp najnovšej technólogie, využívanej na zhutňovanie • keramických materiálov

3. Technológie zhutňovania modernej keramiky Princíp zhutňovania Prv ako prejdeme k jednotlivým technológiam zhutňovania keramických materiálov, musíme si ozrejmiť základný princíp zhutňovania keramiky. Spekanie Príčinou spekania je snaha systému zmenšiť merný povrch a tým aj voľnú energiu celého systému. Fenomenologicky môžme tento proces prirovnať k splynutiu dvoch kvapiek vody na sklenenej podložke účinkom povrchového napätia. Najskôr sa vytvorí spojovací kŕčok, ktorý sa postupne rozširuje, až sa obe kvapky spoja v jednu. Tento dej prebehne rýchlo, pretože nízka viskozita umožňuje rýchlu deformáciu kvapiek. Pevné častice je nutné najsamprv zahriať na vysoké teploty aby sa stali schopné deformácie a aj tak prebieha spájanie jednotlivých častíc pomaly a nie úplne.

4. Technológie zhutňovania modernej keramiky Princíp zhutňovania modernej keramiky Keramické materiály (telesá) sa z keramických látok (práškov) pripravujú tiež procesom, ktorý sa nazýva spekanie (sintering). Spekanie keramických materiálov je proces, pri ktorom po vytvorení telesa za studena (lisovaním, odlievaním, vstrekovacím lisovaním, vytláčaním) sa pôsobením teploty a tlaku vytvára hutné teleso. Teplota spekania je pre rôzne materiály rôzna, závisí od difúznych koeficientov východiskových práškov, a tiež od veľkostného rozdelenia častíc. Zvyčajne sa však pohybuje v intervale (0,5 až 0,9)xTM, kde TM je teplota topenia východiskovej látky.

5. Technológie zhutňovania modernej keramiky Celkový proces prípravy hutného produktu zahrňuje viacero činnosti, ktoré sú schematicky znázornene na tomto obrázku: Viac v lekcii: „Konštrukčná keramika“

6. Technológie zhutňovania modernej keramiky Štádia spekania Spekanie formálne prebieha v štyroch štádiách: Nulté štádium – reorganizácia častíc - za studena sa vyformuje teleso z prášku, čím sa formuje východisková mikroštruktúra a vytvárajú sa nové kontakty medzi časticami. Počiatočné štádium - tvorba krčkov - na teleso sa aplikuje teplota a v prípade potreby aj tlak. Častice si zachovávajú svoju identitu, formujú sa medzi nimi krčky. Za ukončenie tohto štádia spekania sa považuje stav, keď sa teleso zhutní približne o 5%. Stredné štádium – rast krčkov, rast zŕn, zmrašťovanie, súvislá sieť pórov - častice sa dostávajú do kontaktu s okolitými časticami a rastie ich koordinačné číslo. Vytvára sa valcová sieť pórov, pričom pórovitosť je rozhodujúcou makroskopickou charakteristikou telesa. Konečné štádium – rast zŕn, nesúvislá sieť pórov, eliminácia pórov na hraniciach zŕn - póry v rohoch zŕn sa začínajú uzatvárať a stávajú sa izolovanými, pričom toto štádium je sprevádzané rastom zŕn.

7. Technológie zhutňovania modernej keramiky Mechanizmy spekania Spekanie je v podstate odstraňovanie pórov (spojené so zmrašťovaním komponentu) medzi počiatočnými časticami kombinované s rastom častíc a tvorbou pevnej väzby medzi nimi. Aby sa toto splnilo, musia sa stretnúť dve následovné kritéria: • - mechanizmus pre transport materiálu a • - zdroj energie, ktorá aktivuje a udržuje materiálový transport. • Existuje viacero mechanizmov zhutňovania, pričom pri rôznych materiáloch sa využívajú rôzne mechanizmy. Zhutnenie sa môže dosiahnuť buď jedným alebo kombináciou viacerých mechanizmov. • Teplo je základným zdrojom energie v kombinácii s gradientami energie v dôsledku kontaktu častica-častica a povrchového napätia.

8. Technológie zhutňovania modernej keramiky Mechanizmy spekania Dva mechanizmy, ktorými dochádza k transportu látky čo vedie súčasne k spevneniu aj k eliminácií pórov sú: Makroskopický tok – (viskózny alebo plastický), ktorý je vyvolaný napätím v okolí zakrivených rozhraní Objemový difúzny tok - vyvolaný rozdielmy koncentrácie vakancií V oboch prípadoch sa zachováva pôvodný tvar častíc, takže stredy častíc sa k sebe približujú - bez tejto podmienky by sa systém nemohol zhutniť. Okrem toho existujú ďalšie dva možné mechanizmy transportu, ktoré vyvolávajú len spevnenie (vznik spojovacích kŕčkov) nie však zhutnenie: Vyparovanie a kondenzácia – u látok s dostatočným tlakom pár môže k transportu hmoty dochádzať v plynnej fáze. Tlak pár opäť závisí na zakrivení povrchu a je vyšší nad vypuklým povrchom. Preto pary z týchto povrchov prechádzajú do konkávnych stykových miest, kde dochádza k ich kondenzácii. V tomto prípade sa častice k sebe nepribližujú, ale mení sa ich tvar. Objem pórov sa nemení a neobjavuje sa zmraštenie. Povrchová difúzia – má podobný priebeh ako objemová difúzia, ale transport látky prebieha po povrchu častíc nie skrz ich objem.

9. Technológie zhutňovania modernej keramiky

10. Technológie zhutňovania modernej keramiky Spekanie v plynnej fáze Spekanie v plynnej fáze sa uplatňuje iba pri niektorých materiáloch. Hnacou silou je rozdiel v tlaku pary ako funkcie zakrivenia povrchu. Materiál sa prevádza z povrchu častíc (vyparovanie a kondenzácia), ktoré majú kladný polomer zakrivenia a relatívne vysoký tlak pár, do oblasti kontaktu medzi časticami, ktorý má záporný polomer zakrivenia a oveľa nižší tlak pár. Transport plynnej fázy mení tvar pórov a dosahuje sa väzbenie medzi susednými časticami, a tým aj nárast pevnosti materiálu. Napriek tomu však nedochádza k zmrašťovaniu, a teda k zhutňovaniu materiálu. Preto spekanie v plynnej fáze musí byť sprevádzané ďalším mechanizmom, ktorý zabezpečí transport materiálu alebo transport pórov k vonkajšiemu povrchu. kontakt susedných častíc tvorba krčku transportom plynnej fázy (vyparovanie a kondenzácia) transport plynnej fázy ukončený

11. Technológie zhutňovania modernej keramiky Spekanie v tuhej fáze Spekanie v tuhej fáze zahrňuje transport atómov alebo vakancií pozdĺž povrchu alebo hranice zrna alebo cez objem materiálu. Povrchovou difúziou nedochádza k zhutňovaniu materiálu. Objemová difúzia alebo difúzia pozdĺž hraníc zŕn (hraničná difúzia)alebo mriežkových porúch končí zmenšením objemu materiálu (zmrašťovanie). Hnacou silou spekania v tuhej fáze je rozdiel vo voľnej energii alebo chemického potenciálu medzi voľným povrchom častice a dotykovými bodmi medzi susednými časticami. d3 d2 d1 kontakt susedných častíc tvorba krčku difúziou menšia vzdialenosť medzi časticami, pokles veľkosti pórov, väzba medzi časticami

12. Technológie zhutňovania modernej keramiky Spekanie v kvapalnej fáze • Spekanie v kvapalnej fáze je základný spôsob zhutňovania pre mnohé silikáty. Pri tomto spôsobe spekania sa zhutňuje v prítomnosti kvapalnej fázy, t.j. prídavku ku spekanému materiálu, ktorý je pri teplote spekania roztavený (nižšia teplota topenia). Rýchlosť spekania je pri tomto spôsobe kontrolovaná tromi faktormi: • - Veľkosť častíc • - Viskozita kvapalnej fázy • - Povrchové napatie • Viskozita a povrchové napätie sú silne ovplyvňované zložením a teplotou. Menšie častice majú vyššie povrchové napätie kvôli malému polomeru zakrivenia, a tým väčšiu hnaciu silu zhutňovania ako veľké častice. Kvapalina je medzi časticami vo forme úzkych kanálikoch, čím vytvára kapilárne tlaky medzi časticami, a tým dochádza k reorganizácii častíc (viskózny tok), a tým k prudkému nárastu hutnosti spekaného materiálu. Zvyšovanie hutnosti sa tiež dosahuje rozpúštaním tuhých zŕn v kvapalnej fáze a následným vylučovaním (difúzia). Nato, aby dochádzalo k transportu materiálu, a tým k zhutňovaniu, musí kvapalná fáza zmáčať povrch tuhej fázy. Pre kompletné zmáčanie častíc (zŕn) kvapalnou fázou a preniknutie medzi všetky zrná je potrebné, aby medzifázové energie (g) v systéme spĺňali podmienku • gsg glggssgsl • kde symboly s, l, a g označujú tuhú, kvapalnú a plynnú fázu.

13. Technológie zhutňovania modernej keramiky Spekanie v reakčnej kvapalnej fáze Pri tomto spôsobe spekania má kvapalná fáza rovnakú úlohu ako pri predošlom spôsobe, navyše však mení zloženie alebo sa stráca v procese spekania. Keďže sa kvapalná fáza pri reakcii spotrebuje, výsledný materiál má oveľa lepšie vysokoteplotné vlastnosti a v niektorých prípadoch sa dokonca môže použiť i pri teplotách vyšších ako je teplota spekania.

14. Technológie zhutňovania modernej keramiky Častica (A)‏ Častica (B)‏ 1 vyparovanie a kondenzácia 2 objemová difúzia 3 povrchová difúzia 4 hraničná difúzia Na tomto obrázku sú súhrnne znázornené mechanizmy pri raste krčku medzi dvoma časticami:

15. Technológie zhutňovania modernej keramiky Technológie spekania Modernú keramiku je možné zhutniť viacerými metódami. V závislosti od použitého materiálu sa použivajú tieto technológie spekania: - Voľné spekanie - Reakčné spekanie - Pretlakové spekanie - Horúce lisovanie - SPS (FAST)

16. Technológie zhutňovania modernej keramiky Voľné spekanie Voľné spekanie sa využíva predovšetkým pri príprave oxidovej keramiky vďaka dostatočne vysokým koeficientom samodifúzie, alebo tiež pri spekaní materiálov s dostatočne vysokým množstvom kvapalnej fázy (spekacie prísady s nižšou teplotou topenia ako samotný materiál), ktorá napomáha aktivizovať proces spekania. Surové výlisky (green body) sa voľne uložia do pecného zariadenia s homogénnym teplotným poľom a zahrejú sa na teplotu spekania daného materiálu. Optimálny proces spekania výrazne závisí od použitého pecného zariadenia. Správny výber pece zahrňuje požiadavky na teplotnú kapacitu, homogenitu teplotného poľa, kontrolu teploty a na kontrolu atmosféry v danej peci. Neoxidová keramika musí byť spekaná v redukčnej atmosfére, prípadne vo vákuu. Hlavnou výhodou tejto metódy je nenáročnosť a možnosť spekania veľkého množstva výliskov súčasne. Schematické znázornenie pecných zariadení pre voľné spekanie

17. Technológie zhutňovania modernej keramiky Reakčné spekanie Reakčné spekanie je charakteristické tým, že sa pri syntéze látky tvoriacej keramiku súčasne znižuje pórovitosť telesa a rastie jeho mechanická pevnosť. Týmto spôsobom je možné pripraviť vysokočisté materiály, ktoré neobsahujú cudzie fázy na hraniciach zŕn. Čisté hranice zŕn spôsobujú, že sa tieto materiály vyznačujú napriek vysokej pórovitosti (cca. 20%) vysokými pevnosťami pri vysokých teplotách. Výroba keramických produktov reakčným spekaním je ekonomicky a technicky pomerne nenáročná. Teploty v reaktoroch – peciach neprevyšujú 1600 °C a potrebné nie sú ani vysoké tlaky. V technickej praxi i odbornej literatúre sa výrobky pripravené týmto spôsobom označujú veľkými písmenami RB (reaction bonded - reakčne viazaný)

18. Technológie zhutňovania modernej keramiky Reakčne spekaný Si3N4 Reakčne spekaný Si3N4 sa pripravuje nitridáciou kremíkového prášku v prietočnej atmosfére dusíka alebo zmesi dusík/vodík. V prvej fáze sa dusík dostáva do pórovitého Si telesa a začína s ním reagovať pri teplotách od 1200 – 1250 °C. Pri tejto teplote začínajú rásť a-Si3N4 vlákna z Si častíc smerom do pórov telesa, dochádza k pomalému nárastu teploty až na 1400 °C, čo je blízko teploty topenia Si a reakcia sa stáva vysoko exotermická. Teplota sa naďalej zvyšuje, pričom dochádza k tvorbe b-Si3N4fázy. póry Si3N4 Mikroštruktúra reakčne spečeného Si3N4

19. Technológie zhutňovania modernej keramiky Pretlakové spekanie Technológia pretlakového spekania je špecifickou technológiou prípravy materiálov na báze nitridu kremíka, ktorý pri vysokých teplotách podlieha rozkladu (teplota disociácie 1830°C pri 0,1 MPa N2). Si3N4(s) 3Si(l) + 2N2(g) Tomuto rozkladu je možné predísť dvoma spôsobmi. Prvý je použitie ochranného zásypu s rovnakým zložením ako má spekaný materiál, alebo aplikáciou dostatočného pretlaku dusíka (produkt tepelného rozkladu). Princíp metódy spočíva v tom, že sa spekané teleso dostane do stavu uzavretej pórovitosti pri miernom pretlaku dusíka a neskôr sa zvýšeným tlakom (do 10 MPa) plynu dosiahne fyzikálne pôsobenie na vzorku, čo spravidla spôsobí jej ďalšie zhutnenie rovnomerne vo všetkých smeroch. Touto metódou sa dajú pripravovať aj zložitejšie tvary viacerých telies súčasne.

20. Technológie zhutňovania modernej keramiky Pretlakové spekanie Danou technológiou sa síce pripravujú predovšetkým hutné materiály na báze Si3N4 a SiAlONov, avšak zintenzívniť proces spekania využitím zvýšeného pretlaku inertného plynu (argón, dusík) sa dá aj pri zhutňovaní iných materiálov (SiC, Al2O3, MgO, ZrO2a iné). Sekundárna fáza Si3N4 Mikroštruktúra Si3N4 pripraveného metódou pretlakového spekania

21. Technológie zhutňovania modernej keramiky Schematické znázornenie pretlakového spekania

22. Technológie zhutňovania modernej keramiky Horúce lisovanie Horúce lisovanie (HP – hot-pressing) je v princípe jednoduchá technológia výroby keramických telies, ktorej základom je lisovacia forma typu piest – cylinder zahrievaná na teplotu spekania. Jednoosový tlak je aplikovaný hydraulicky, alebo pákovým prenosom sily. Teplota je dosahovaná nepriamym ohrevom lisovacej formy vonkajšou odporovou pecou, alebo v prípade grafitových foriem priamym ohrevom odporovej formy, alebo jej indukčným ohrevom. Hlavnou nevýhodou tejto technológie je veľké obmedzenie, čo sa týka tvaru spekaných výrobkov (poväčšine je to disk) a problémy pri zhutňovaní viacerých vzoriek súčasne. Spekaný materiál je vo väčšine prípadov nutné izolovať od stien formy materiálom, ktorý je inertný jednak k lisovacej forme, ale tiež ku spekanému materiálu. Danou technológiou sa dajú pripravovať hutné materiály predovšetkým na báze neoxidovej keramiky (Si3N4, SiC, SiAlON a iné), ale pri dostatočnej izolácii spekaného materiálu od grafitovej lisovacej formy sa dá pripraviť aj hutná oxidová keramika (Al2O3, MgO, ZrO2a iné).

23. Technológie zhutňovania modernej keramiky Horúce lisovanie môže zapríčiniť prednostnú orientáciu zŕn pri niektorých materiáloch, a tým aj spôsobiť zmeny vo vlastnostiach materiálu v rôznych smeroch.

24. Technológie zhutňovania modernej keramiky Schematické znázornenie horúceho lisovania

25. Technológie zhutňovania modernej keramiky Technologický postup pri príprave keramiky metódou horúceho lisovania Počiatočný prášok + Spekacie prísady Mlecie médium(kvapalina, mlecie guľôčky) Mechanický tlak Homogenizácia Sušenie/Sitovanie ohrev Zmes pre spekanie Naplnenie formy

26. Technológie zhutňovania modernej keramiky Horúce izostatické lisovanie Tieto problémy odstraňuje vylepšená technológia horúceho lisovania, a to horúce izostatické lisovanie HIP (hot isostatic pressing). Pri tejto metóde je tlak inertného plynu aplikovaný zo všetkých strán, čím sa umožní dodržanie pôvodneho tvaru (pripraveného napr. odlievaním) spekaného telesa. Pri tejto metóde sa využíva vysoký tlak plynu (až 200-800 MPa). Počas takéhoto spekania nedochádza k tvorbe textúry. Východiskové materiály s otvorenou pórovitosťou sú pred spekaním obalené nepriepustným materiálom, najlepšie vo vákuu. Tento zabráni prístupu plynu do pórov spekaného telesa. Obaly bývajú väčšinou viacvrstvové a ich zloženie si výrobcovia prísne chránia. Obalové vrstvy musia byť po spekaní odstránené chemicky alebo pieskovaním.

27. Technológie zhutňovania modernej keramiky Field Assisted Sintering Technology (FAST) Metóda FAST (známa tiež ako SPS – spark plasma sintering) je novo vyvinutá metóda, ktorá sa využíva nielen na spekanie konvenčných kovových práškov, ale aj na spekanie väčšiny exotických a ultračistých práškov, keramiky, polymérno-kovových kompozitov a pórovitých materiálov. Výhodou tejto metódy je, že nevyžaduje špeciálnu prípravu materiálov ako napr. lisovanie, predspekanie alebo použitie pojív a požadované tvary výrobku sa získajú v priebehu niekoľkých minút priamo z prášku. Výhody, ktoré zahŕňa táto metóda sú: • precízna kontrola ohrevu, chladnutia a tlaku, • rýchle spekanie, • homogénne spekanie, • nízke prevádzkové náklady (20 – 30% nižšie ako pri žiarovom lisovaní), • jednoduchá obsluha.

28. Technológie zhutňovania modernej keramiky Princíp a mechanizmus FAST FAST metóda využíva na ohrev vzorky pulzný jednosmerný elektrický prúd. Pulzy s vysokou energiou ohrievajú práškovú vzorku veľmi rýchlo, čím sa natavuje povrch čiastočiek prášku, tvoria sa krčky v kontaktoch medzi jednotlivými čiastočkami, ktoré sa postupne spájajú, a tým sa získa spečený kompakt s vyše 99% hustotou. Teplota vzorky dokáže okamžite narásť na 1000-2500°C. Takýmto spôsobom sa dajú získať hutné materiály v priebehu niekoľkých minút (5 – 20 min.). Faktory, ktoré prispievajú k rýchlemu zhutňovaniu: aplikovaný mechanický tlak rýchly ohrev použitie pulzného jednosmerného prúdu navrhnutého tak, aby aj vzorka bola vystavená elektrickému poľu. Aplikácia mechanického tlaku pomáha k odstraňovaniu pórov z kompaktu a zvyšuje difúziu.

29. Technológie zhutňovania modernej keramiky tlak Rýchle chladnutie kondenzácia anóda Migrácia častíc a plasticka deformácia Pole tepelnej difúzie Krčok (roztavená časť)‏ katóda tlak Tvorba krčkov pri spekaní metódou FAST Povrchová teplota častíc narastá rýchlo pomocou samoohrevu, a preto nedochádza k veľkému nárastu častíc. 1 vyparovanie a kondenzácia 2 objemová difúzia 3 povrchová difúzia 4 hraničná difúzia Mechanizmus tvorby krčku metódov FAST

30. Technológie zhutňovania modernej keramiky Horná elektróda Špeciálny tlakový systém Forma a piest Generátor jednosmer-ného prúdu Vákuovaná komora Kontrola • Systém kontroly: • - atmosféry • chladenia • teploty • dilatácie Prášok Spodná elektróda Schematické znázornenie metódy FAST

31. Technológie zhutňovania modernej keramiky Porovnanie metódy FAST s konvenčnými metódami Proces pri metóde FAST je podobný ako pri konvenčnom žiarovom lisovaní. Vzorka je umiestnená vo forme a počas spekania sa aplikuje jednoosový (uniaxial) tlak. Narozdiel od žiarového lisovania sa namiesto externého ohrevu využíva pulzný jednosmerný prúd, ktorý prechádza elektricky vodivou formou a pri vhodnej vzorke aj cez vzorku. To značí, že forma pôsobí tiež ako zdroj ohrevu.

32. Technológie zhutňovania modernej keramiky Elektrický ohrev 500 A Elektrický ohrev Žiarové lisovanie HP FAST Porovnanie HP (hot-pressing) a FAST

33. Technológie zhutňovania modernej keramiky Čo dokáže FAST? Táto technológia umožňuje: Spekanie Spájanie Povrchovú úpravu – úprava a vytvrdzovanie povrchových vrstiev Syntézu

34. Technológie zhutňovania modernej keramiky 1. Jemné keramické materiály - oxidy, karbidy, nitridy, atď. 2. Funkčné materiály - kovo-keramické, kovo-polymérne a ostatné materiály s vysokou tvrdosťou, elektrickou vodivosťou, žiaruvzdorné materiály, atď. 3. Materiály pre elektroniku - termoelektrické semikonduktory, magnetické a dielektrické materiály, atď. 4. Nanofázové materiály Al-High-Si zliatiny 5. Tvrdé nástrojové materiály - WC/Co, rezné nástroje z keramiky alebo cermetov, materiály s odolnosťou voči korózii a opotrebeniu, atď. 6. Rezné materiály s diamantom - kobaltové a bronzové kotúče na rezanie a brúsenie, atď. 7. Biomateriály • titánové alebo apatitové implantáty, umelé kosti a kĺby, atď. 8. Porózne materiály • keramické a kovové bioreaktory, filtre, batérie, atď. 9. Materiály pre formy FAST aplikácie

35. Technológie zhutňovania modernej keramiky Kontrolné otázky: 1. Čo je to spekanie? 2. Aký je mechanizmus transportu materiálu pri spekaní v plynnej fáze? 3. Aký je mechanizmus transportu materiálu pri spekaní v tuhej a kvapalnej fáze? 4. V akom štádiu spekania sa začínajú tvoriť krčky? Nápoveda Nápoveda Nápoveda Nápoveda POKRAČOVAŤ

36. Technológie zhutňovania modernej keramiky Kontrolné otázky: 5. Aké technológie spekania poznáte? 6. Aký tlak sa aplikuje v prípade horúceho lisovania? 7. Aký je hlavný rozdiel medzi medzi technológiou horúceho lisovania a technológiou horúceho izostatického lisovania? 8. V čom spočíva princíp SPS? 9. Aký je hlavný rozdiel medzi technológiou HP a SPS (FAST)? Nápoveda Nápoveda Nápoveda Nápoveda Nápoveda POKRAČOVAŤ

37. Odporúčaná literatúra: • Z. Pánek, V Figusch, M. Haviar, T. Ličko, P. Šajgalík, J. Dusza,: „Konštrukčná keramika“, R&D Print, Bratislava 1992. • David W. Richerson: „Modern Ceramic Engineering: Properties, Processing, and Use in Design“, ISBN 0-8247-8634-3, New York 1992. • W.D. Kingery, H.K. Bowen, D.R. Uhlmann,: Intoduction to Ceramics, Second edition, A Wiley-Interscience Publication John Wiley & Sons New York, 1976 Koniec

38. 1. Čo je to spekanie? Spekanie (sintering)je proces, pri ktorom po vytvorení telesa za studena (lisovaním, odlievaním, vstrekovacím lisovaním, vytláčaním) sa pôsobením teploty a prípadne tlaku vytvára hutné teleso. Je to proces, ktorým sa spevňujú disperzné systémy za zvyšenej teploty. Obvykle je sprevádzaný objemovým zmraštením a zhutnením, t.j. znížením pórovitosti. Späť na otázky

39. 2. Aký je mechanizmus transportu materiálu pri spekaní v plynnej fáze? Hnacou silou je rozdiel v tlaku pary ako funkcie zakrivenia povrchu a mechanizmom je vyparovanie a kondenzácia. Hnacou silou je rozdiel v tlaku pary ako funkcie zakrivenia povrchu. Materiál sa prevádza z povrchu častíc, ktoré majú kladný polomer zakrivenia a relatívne vysoký tlak pár, do oblasti kontaktu medzi časticami, ktorý má záporný polomer zakrivenia a oveľa nižší tlak pár. Transport plynnej fázy mení tvar pórov a dosahuje sa väzbenie medzi susednými časticami, a tým aj nárast pevnosti materiálu. Napriek tomu však nedochádza k zmrašťovaniu, a teda k zhutňovaniu materiálu. Preto spekanie v plynnej fáze musí byť sprevádzané ďalším mechanizmom, ktorý zabezpečí transport materiálu alebo transport pórov k vonkajšiemu povrchu. Späť na otázky

40. 3. Aký je mechanizmus transportu materiálu pri spekaní v tuhej a kvapalnej fáze? Spekanie v tuhej fáze zahrňuje transport atómov alebo vakancií pozdĺž povrchu alebo hranice zrna alebo cez objem materiálu. Povrchovou difúziou nedochádza k zhutňovaniu materiálu. Objemová difúzia alebo difúzia pozdĺž hraníc zŕn (hraničná difúzia)alebo mriežkových porúch končí zmenšením objemu materiálu (zmrašťovanie). Hnacou silou spekania v tuhej fáze je rozdiel vo voľnej energii alebo chemického potenciálu medzi voľným povrchom častice a dotykovými bodmi medzi susednými časticami. • Spekanie v kvapalnej fázet.j. spekanie s prídavkom ku spekanému materiálu, ktorý je pri teplote spekania roztavený (nižšia teplota topenia) je kontrolované tromi faktormi: • - Veľkosť častíc • - Viskozita kvapalnej fázy • - Povrchové napatie • Viskozita a povrchové napätie sú silne ovplyvňované zložením a teplotou. Kvapalina je medzi časticami vo forme úzkych kanálikoch, čím vytvára kapilárne tlaky medzi časticami, a tým dochádza k reorganizácii častíc, k viskóznemu toku a tým k prudkému nárastu hutnosti spekaného materiálu. Zvyšovanie hutnosti sa tiež dosahuje rozpúštaním tuhých zŕn v kvapalnej fáze a následným vylučovaním teda difúziou. Nato, aby dochádzalo k transportu materiálu, a tým k zhutňovaniu, musí kvapalná fáza zmáčať povrch tuhej fázy. Späť na otázky

41. 4. V akom štádiu spekania sa začínajú tvoriť krčky? V počiatočnom štádiu – na teleso sa aplikuje teplota a v prípade potreby aj tlak. Častice si zachovávajú svoju identitu, formujú sa medzi nimi krčky. Za ukončenie tohto štádia spekania sa považuje stav, keď sa teleso zhutní približne o 5%. Späť na otázky

42. 5. Aké technológie spekania poznáte? Voľné spekanie Reakčné spekanie Tlakové spekanie Žiarové lisovanie Horúce izostatické lisovanie Mikrovlnné spekanie (MWS) Spekanie za prítomnosti plazmy (SPS) Spekanie pomocou pulzného elektrického prúdu/výboja (PECS) Centrifugálne spekanie (CFS) Späť na otázky

43. 6. Aký tlak sa aplikuje v prípade horúceho lisovania? Horúce lisovanie (HP – hot-pressing) je v princípe jednoduchá technológia výroby keramických telies, ktorej základom je lisovacia forma typu piest – cylinder zahrievaná na teplotu spekania. Jednoosový tlak je aplikovaný hydraulicky, alebo pákovým prenosom sily. Teplota je dosahovaná nepriamym ohrevom lisovacej formy vonkajšou odporovou pecou, alebo v prípade grafitových foriem priamym ohrevom odporovej formy, alebo jej indukčným ohrevom. Späť na otázky

44. 7. Aký je hlavný rozdiel medzi medzi technológiou horúceho lisovania a technológiou horúceho izostatického lisovania? Pri horúcom izostatickom lisovaní sa na zefektívnenie procesu zhutnenia využíva vysoký tlak plynu (až 200-800 MPa) na rozdiel od horúceho lisovania, kde sa využíva mechanický tlak piestov v jednom smere. Pri HIP je tlak inertného plynu aplikovaný zo všetkých strán, čím sa umožní dodržanie pôvodneho tvaru (pripraveného napr. odlievaním) spekaného telesa. Počas takéhoto spekania nedochádza k tvorbe textúry. Späť na otázky

45. 8. V čom spočíva princíp SPS? SPS alebo FAST metóda využíva na ohrev vzorky pulzný jednosmerný elektrický prúd. Pulzy s vysokou energiou ohrievajú práškovú vzorku veľmi rýchlo, čím sa natavuje povrch čiastočiek prášku, tvoria sa krčky v kontaktoch medzi jednotlivými čiastočkami, ktoré sa postupne spájajú, a tým sa získa spečený kompakt s vyše 99% hustotou. Teplota vzorky dokáže okamžite narásť na 1000-2500°C. Späť na otázky

46. 9. Aký je hlavný rozdiel medzi technológiou HP a SPS (FAST)? Proces pri metóde FAST je podobný ako pri konvenčnom žiarovom lisovaní. Vzorka je umiestnená vo forme a počas spekania sa aplikuje jednoosový (uniaxial) tlak. Narozdiel od žiarového lisovania sa namiesto externého ohrevu využíva pulzný jednosmerný prúd, ktorý prechádza elektricky vodivou formou a pri vhodnej vzorke aj cez vzorku. To značí, že forma pôsobí tiež ako zdroj ohrevu. Späť na otázky