Ceramika zamiast metalu

Materiały ceramiczne wykorzystywane w konstrukcji i modernizacji maszyn i urządzeń

Ceramika intuicyjnie kojarzy się z czymś twardym, ale kruchym, łatwo tłukącym się, a jej połamane części mają ostre krawędzie. Nie jest to materiał odpowiadający klasycznym wyobrażeniom o „solidności” metalowych części maszyn. Za to przy bliższym poznaniu ceramika okazuje się materiałem umożliwiającym rozwiązywanie wielu problemów konstrukcyjnych i eksploatacyjnych. Warunkiem osiągnięcia korzyści ze stosowania ceramiki jest jednak znajomość cech materiałowych i możliwości technologicznych kształtowania ceramiki, a przede wszystkim precyzyjne określenie warunków eksploatacyjnych.

 Kulki ceramiczne, mielniki – ZrO₂

 Stosowanie materiałów ceramicznych w budowie maszyn i urządzeń ma długą historię, lecz dopiero w ostatnich latach obserwuje się wzrost zainteresowania ceramiką. Mimo że jej zalety są niepodważalne, ceramika przyjmuje się opornie z kilku powodów. Jednym z nich jest niedostatek informacji technicznych o materiałach ceramicznych, co prowadzi do braku zaufania ze strony potencjalnych użytkowników. Ceramika jest w dalszym ciągu bardziej kojarzona z porcelanową filiżanką niż łopatką wirnika silnika turboodrzutowego.

Istotne przyczyny tkwią również w samym rynku. Wydłużanie przez producentów okresów gwarancyjnych (np. w motoryzacji) sprzyja stosowaniu odpornych na zużycie części ceramicznych, ale tam, gdzie rynek jest w mniejszym stopniu nasycony, producenci unikają oferowania rozwiązań „wiecznotrwałych”, a jeżeli je proponują, to ceny wielokrotnie przewyższają urządzenia standard line. Pewne jest jednak, że nabywca jest zainteresowany maszyną funkcjonującą bezawaryjnie i długo. Nawet w przypadku naturalnej sprzeczności interesów producenta i użytkownika otwiera się szerokie pole w zakresie modernizacji eksploatowanych urządzeń, względnie tuningowania nowo zakupionych. Można to osiągnąć poprzez wymianę na trwalsze i niezawodne elementów pracujących w ekstremalnych warunkach. Propozycje modernizacji urządzenia pracującego w określonym ciągu technologicznym zazwyczaj wychodzą od technologów względnie służb utrzymania ruchu, czyli osób, których problemy awarii, konserwacji i przestojów dotyczą najbardziej. Do nich właśnie adresowany jest ten artykuł.

Nie chcemy wykazywać wyższości ceramiki nad metalami czy innymi materiałami, lecz zapoznać czytelników z konstrukcyjnymi materiałami ceramicznymi, których właściwe zastosowanie może znacznie przyczynić się do wzrostu niezawodności i wydłużenia eksploatacji niektórych maszyn i urządzeń.

Istota ceramiki

Materiały ceramiczne zawdzięczają swoje cechy budowie sieci krystalicznej. O ile metale tworzą sieć z atomów, skąpanych w „zupie elektronowej”, co pozwala na łatwe przemieszczanie się względem siebie zarówno elektronów, jak i samych atomów, o tyle w sieciach krystalicznych materiałów ceramicznych przeważają sztywne, ukierunkowane wiązania wynikające z przyciągania elektrostatycznego (czynnik jonowy) oraz tworzenia wspólnych chmur elektronowych dla grupy atomów (czynnik kowalencyjny). Aby choć trochę odkształcić taką sztywną sieć materiałów ceramicznych, potrzebne są znaczne naprężenia.

Jeżeli zatem zechcemy rozdzielić kawałek metalu, wbijając w niego klin, zaobserwujemy, że początkowo metal będzie się odkształcał sprężyście, przy zwiększeniu nacisku nastąpi płynięcie plastyczne, a po przekroczeniu pewnej granicznej wartości całkowite rozdzielenie. Taki przebieg zdarzeń jest wynikiem przemieszczania się względem siebie płaszczyzn wewnątrzkrystalicznych metalu. W analogicznych warunkach, w idealnym materiale ceramicznym przy znacznych naciskach nastąpi co najwyżej niewielkie odkształcenie sprężyste, a następnie zerwanie wiązań, czego wynikiem będzie rozkawałkowanie materiału.

Wysoka sztywność i wytrzymałość wiązań w tworzywach ceramicznych decyduje o na ogół wysokiej temperaturze topnienia lub rozkładu tych materiałów, jak również o zachowywaniu parametrów wytrzymałościowych również w wysokich temperaturach. Znane są ceramiczne tworzywa konstrukcyjne (węglik krzemu, mullit), których wytrzymałość w podwyższonych temperaturach wzrasta.

Interesującą konsekwencją sztywności sieci krystalicznych materiałów ceramicznych są własności tribologiczne. Niektóre materiały ceramiczne o odpowiednio niskiej porowatości, których powierzchnię wypolerowano do wysokiej gładkości, mogą tworzyć pary cierne pracujące na sucho nawet przy znacznym nacisku i prędkości. Ceramika nie jest narażona na płynięcie plastyczne, powodujące wzrost tarcia i wyzwalanie się ciepła. Wskutek tego zjawiska temperatura robocza łożysk ceramicznych stabilizuje się na niskim poziomie, umożliwiając długotrwałe działanie.

Należy jednak podkreślić, że pojęcie sztywności ceramiki nie może być traktowane w sposób absolutny, gdyż kryształy ceramiczne odkształcają się w granicach 0,5–4%, przy czym prawo Hooke’a jest spełnione dla odkształceń poniżej 0,5%. Konsekwencją tego faktu jest możliwość wykonywania sprężyn ceramicznych zachowujących stałe parametry w nieskończenie długim czasie i szerokim interwale temperatur.

 Łożysko ceramiczne 6206 (bieżnie i kulki – ZrO2, koszyczek – PTFE)

 Materiały ceramiczne są z chemicznego punktu widzenia połączeniami bardzo trwałymi. Własność ta powoduje, że większość materiałów ceramicznych znajduje swe naturalne odpowiedniki w przyrodzie, najczęściej w postaci związków metali z tlenem i krzemem. Ta cecha ceramiki w istotny sposób odróżnia ją od metali, z których tylko niektóre, i to rzadko, występują w stanie rodzimym (złoto, platyna, mangan). Uzyskanie czystych metali z rud mineralnych w procesie metalurgicznym wymaga znacznych nakładów energetycznych. Prowadzi to do wniosku, że metale mają większą energię niż ich związki, czyli zgodnie z zasadami termodynamiki chemicznej będą dążyć do tworzenia połączeń charakteryzujących się niższym potencjałem chemicznym. Tłumaczy to fakt, że ceramika jest w nieporównywalnym stopniu odporniejsza od metali na korozję i wykazuje znacznie wyższą stabilność chemiczną.

Tworzywa ceramiczne o technicznym zastosowaniu mogą występować w postaci monokryształów (co w metalurgii jest właściwie niespotykane), materiałów polikrystalicznych lub szkieł. Przy identycznym lub bardzo zbliżonym składzie chemicznym własności tych tworzyw mogą się zasadniczo różnić. Ich parametry mechaniczne są znacznie niższe od hipotetycznych parametrów czystych materiałów. Wynika to z występowania mikrodefektów wewnątrz monokrystalicznych ziaren, składu fazowego i struktury tworzyw mającej związek z technologią otrzymywania. Należy wziąć pod uwagę, że nawet otrzymane w idealnych warunkach monokryształy nie są wolne od zaburzeń sieci krystalicznej, co w znacznym stopniu wpływa na ich własności.

Można przyjąć, że ceramika ma tym większą wytrzymałość, im jest lepiej spieczona i im drobniejsze są ziarna krystaliczne tworzące strukturę materiału. Materiał o tym samym składzie chemicznym, lecz otrzymany z innych surowców wyjściowych, może wykazywać różnice wytrzymałości na zginanie nawet do 40%. Jest to istotna informacja, gdyż ceny materiałów wyjściowych mogą się różnić w skali 1:100. Przed przystąpieniem do modernizacji urządzenia należy wykonać analizę warunków pracy części ceramicznych również pod kątem ekonomiki zastosowania odpowiednich tworzyw. 

Ceramiczne tworzywa konstrukcyjne

Podobnie jak w przypadku metali czy tworzyw sztucznych istnieje wiele rodzajów tworzyw ceramicznych o bardzo różnych własnościach użytkowych. Aktualnie inżynieria materiałów ceramicznych jest jedną z najbardziej dynamicznie rozwijających się dziedzin i praktycznie na bieżąco pojawiają się nowe tworzywa opracowywane na konkretne potrzeby. Najczęściej oczekuje się od tworzyw ceramicznych odporności na ścieranie i czynniki korozyjne przy odpowiednio wysokiej wytrzymałości, a także możliwości pracy w wysokiej temperaturze. Coraz istotniejsza staje się odporność na pęknięcia kruche, a w wielu przypadkach istotnym czynnikiem jest wysoka izolacyjność elektryczna.

Do wytwarzania ceramicznych części maszyn i urządzeń najczęściej stosuje się: tlenki, tleno-azotki, azotki i węgliki takich pierwiastków, jak glin, krzem, cyrkon. Materiały zawierające w składzie chemicznym tlen (tlenki, krzemiany, tleno-azotki) zaliczane są do ceramiki tlenkowej, natomiast węgliki i azotki stanowią przykład ceramiki beztlenowej.

W tabeli 1 zebrane są podstawowe parametry techniczne najpowszechniej stosowanych tworzyw porównane z własnościami stali stopowej.

Częstym powodem zastępowania części metalowych ceramicznymi jest korozyjność środowiska, w którym pracują. W tabeli 2 zamieszczone są orientacyjne dane o odporności tworzyw ceramicznych na czynniki agresywne.

Poszczególne własności przesądzają o konstrukcyjnych zastosowaniach ceramiki technicznej. Niektóre materiały zostały zaakceptowane przez konstruktorów i są standardowo stosowane. Przykładem są osie łożyskowane ceramiką w pompach pracujących na mediach zanieczyszczonych osadami mineralnymi. Rozwiązanie to, w którym wykorzystano wysoko spieczone tworzywa korundowe, na skalę masową zastosowały firmy produkujące pompy c.o. Obecnie rozszerzono pole zastosowań, obejmując pompy oczyszczalni ścieków, fontann, basenów i akwariów.

W chemii i farmaceutyce to samo rozwiązanie znajduje zastosowanie z innych względów. Pompy i mieszadła łożyskowane ceramiką mogą pracować w skrajnie agresywnych środowiskach, nie wymagając stosowania skomplikowanych, drogich uszczelnień.

Łożyskowania ceramiczne pracują w wysokich temperaturach. Klasyczne rozwiązania polegają na chłodzeniu łożysk, a tam, gdzie nie jest to możliwe, np. w piecach piekarniczych, na zastosowaniu odpowiednich luzów wstępnych. To drugie rozwiązanie ma ograniczony zakres stosowania na skutek degradacji własności mechanicznych stali łożyskowych ze wzrostem temperatury. Spadek wytrzymałości w miarę podnoszenia temperatury jest dla metali znacznie gwałtowniejszy niż dla ceramiki, powyżej pewnej krytycznej temperatury stosowanie ceramiki staje się jedynym możliwym rozwiązaniem. Na przykład stal wolframowa do pracy na gorąco w 100 ^oC wykazuje wytrzymałość na ściskanie ponad 1400 MPa, lecz w temperaturze 550 ^oC już tylko ok. 400 MPa. W tej samej temperaturze 550 ^oC azotek krzemu wykazuje ponad trzykrotnie wyższą wytrzymałość.

Innym, upowszechniającym się obecnie zastosowaniem ceramiki są nurniki pomp wysokociśnieniowych. Pompy wytwarzające ciśnienie powyżej 100 barów powiększają obszar zastosowań nie tylko w procesach produkcyjnych, ale coraz szerzej wkraczają do gospodarstw domowych jako myjki czy spryskiwacze. Zastosowanie nurników ceramicznych zwiększyło kilkakrotnie okres użytkowania pomp i przyczyniło się do wzrostu zainteresowania tymi urządzeniami.

Można przyjąć, że zastosowanie ceramiki z wykorzystaniem jej wysokiej odporności na ścieranie prowadzi do przeciętnie 8–10-krotnego zwiększenia żywotności, natomiast wykorzystanie pełnej odporności chemicznej daje efekty w postaci kilkudziesięciokrotnego wydłużenia okresu użytkowania.

Praktyczne wskazówki

Ze względu na różnorodność tworzyw ceramicznych i specyfikę ich własności podczas podejmowania decyzji o zastosowaniu części ceramicznej trzeba zasięgnąć opinii specjalisty. Dobór tworzywa oraz technologii wykonania elementu zależy od dokładnego poznania warunków pracy części proponowanej do zastąpienia.

Analizując możliwość poprawienia niezawodności eksploatacji urządzenia, należy wyselekcjonować węzły ko

• awaryjność wpływa na proces technologiczny,
• wymiana jest praco- i czasochłonna.

Istotne jest badanie pracy całych węzłów, a nie wymiana na siłę części metalowej na ceramiczną o tym samym kształcie. Prawidłowość działania części ceramicznej zależy od jej współpracy z innymi elementami w obrębie węzła. Specyficzne własności ceramiki powodują, że część nie może być wykonana w całości jako ceramiczna, lecz hybrydowa (w połączeniu z metalami lub tworzywami sztucznymi), a zatem cały węzeł wymaga modernizacji.

 Nurniki ceramiczne różnych typów, od góry:

do agregatu AZE ø 45 mm

Kolejnym krokiem jest ustalenie parametrów pracy węzła

• środowiska chemicznego,
• temperatury pracy,
• naprężeń i oddziaływań dynamicznych,
• charakterystyki i obciążenia pracą.

Wiemy z doświadczenia, że na tym etapie pojawiają się trudności związane z zaliczeniem spraw modernizacyjnych do zadań zaopatrzenia – istnieją problemy ze zdobyciem informacji. Dyskusja techniczna ze specjalistą od zakupów, którego interesuje jedynie cena, nie prowadzi na ogół do pozytywnych rozwiązań.

Często spotykanym problemem jest kwestia tajności informacji technologicznych. Problem ten występuje głównie tam, gdzie przedsiębiorstwo we własnym zakresie usprawniło proces produkcyjny i obawia się przecieku informacji do konkurencji. Trudno nie uznać zasadności takich obaw. Po latach lekceważenia roli technologii w procesie produkcyjnym obecnie zaobserwować można objawy pewnej nadwrażliwości. Jedynym rozsądnym wyjściem jest nawiązanie kontaktów z godnym zaufania doradcą i ustalenie zasad współpracy na rozsądnych warunkach.

Zebranie informacji stanowi podstawę wyboru nie tylko optymalnego tworzywa, ale również technologii wykonania. Te dwa czynniki rzutują na cenę i kalkulację przedsięwzięcia.

Różnica pomiędzy wykonaniem części metalowej i ceramicznej polega na tym, że materiał wyjściowy w technologii ceramiki technicznej stanowi na ogół proszek, a nie półwyrób w postaci pręta czy rury. Proszek po odpowiednim spreparowaniu zostaje wstępnie ukształtowany. Kształt części ceramicznej nadawany jest najczęściej przez prasowanie, odlewanie z zawiesin lub formowanie plastyczne. Po zaformowaniu wyrób jest wypalany w temperaturze 1500–2200^oC. W trakcie wypalania wyrób ulega spieczeniu, podczas którego kurczy się o 10–20%. Wypalone ceramiczne wyroby można obrabiać wyłącznie przez szlifowanie ścierniwem diamentowym. Nie ma więc praktycznie możliwości skorygowania źle wykonanej części. Ponieważ ilość operacji technologicznych, stopień ich trudności i pracochłonność są znaczne, należy unikać błędów wykonania detali.

Najbardziej interesujący dla użytkownika jest koszt części ceramicznych. Na skutek podanych wcześniej uwarunkowań technologicznych koszt wykonania skomplikowanej części ceramicznej jest dość wysoki. Wynika on zarówno z kosztu tworzywa, jak i z pracochłonności. Koszt wykonania części ceramicznej w kraju jest dużo niższy od cen importowych z krajów unijnych. Inaczej wygląda sprawa produkcji masowej. W przypadku wysoko wydajnej technologii kształtowania i szlifowania koszt oprzyrządowania specjalistycznego jest wprawdzie znaczny, ale ograniczona pracochłonność jednostkowa. Zasadniczym czynnikiem cenotwórczym staje się koszt tworzywa i energii. Ceny prostych, lecz precyzyjnych wyrobów mogą być niższe niż metalowych. Przykład stanowią pierścienie ze spieczonego tlenku glinu do uszczelnień mechanicznych.

Właściwe zastosowanie części ceramicznych daje na ogół znaczne efekty, odzwierciedlane nie tylko w zużyciu samych części i obniżeniu kosztów eksploatacyjnych, ale w poprawie współczynnika gotowości linii produkcyjnych. Do kosztów należy zaliczyć konieczność przyzwyczajenia obsługi do obchodzenia się z częściami ceramicznymi, zwłaszcza w przypadku montażu, demontażu i przechowywania.

UR

Łukasz Pasierbek

Zakład Ceramiki Specjalnej

CERAMIT