Teknisten keraamien ryhmä on suuri ja se laajenee jatkuvasti. Konventionaaliset perusmateriaalit paranevat yhä ja samanaikaisesti syntyy uusia jalostetumpia aliryhmiä. Kehitteillä on myös uusia seostusmenetelmiä, kuten lujitus- ja karkaisutekniikoita, joiden tuloksena on korkealuokkaisia konstruktiokeraameja. Seuraavassa yleisopas tavallisimmista perusmateriaaleista:

Alumiinioksidi, Al₂O₃
Tavallisin tekninen keraami on alumiinioksidi Al2O3, jonka puhtaus- ja tiiviysaste vaihtelevat. Sen tavallisuus ei johdu vähiten siitä, että se on saatavissa suhteellisen alhaiseen hintaan erityisesti jos kyseessä on yksinkertainen muoto ilman sintrauksen jälkeistä työstöä.

Puhtaimpia laatuja käytetään l900 °C lämpötiloihin asti sekä myös eniten korroosiota aiheuttavissa olosuhteissa; tiiviitä laatuja (alhainen huokoisuus) valitaan jos kuormitus on suuri. Huokoiset laadut valitaan sovellutuksiin, joissa esiintyy suuremmassa määrin lämpöshokkeja, parannettuun lämmöneristykseen, suodattimiin yms.

Käyttökohteisiin, joissa esiintyy voimakasta kulutusta, ovat yleensä 92-98% Al2O3 sisältävät koostumukset sopivimmat. Näiden pitää silloin aina olla tiiviiksi sintrattuja.

Monet tekniset keraamit sisältävät Al2O3:a yhdessä MgO:n ja SiO2 :n kanssa ja niiden ominaisuudet sopivat hyvin erityistilanteisiin. Esim. kordieriitti, jonka pieni lämpölaajenemiskerroin antaa sille erinoimaisen lämpöshokkikestävyyden. Tämän ansiosta sitä voidaan menestyksellisesti käyttää katalysaattoreiden kantajamateriaalina.

Piinitridi, Si₃N₄
Piinitridipohjaiset keraamit muodostavat suhteellisen uuden ryhmän materiaaleja, jotka soveltuvat konstruktiotarkoituksiin. On onnistuttu yhdistämään useita hyviä ominaisuuksia, joiden ansiosta materiaaleja voidaan käyttää vaativiin sovellutuksiin. Kuumapuristetussa muodossa Si3N4:lla on korkeimpia lämpölujuuksia, joita on mitattu keraameissa. Niiden lämpölaajeneminen on pieni ja lämmönjohtavuus suhteellisen korkea, mikä tekee niistä sopivia sovellutuksiin, joissa esiintyy voimakkaita lämpöshokkeja ja samanaikaisesti suurta kuormitusta. Sialonit ovat sivuryhmä, joka koostuu Si3N4 - ja Al2O3-seoksista, joissa yhdistyy monet kunkin materiaalin parhaista ominaisuuksista.

Sirkoniumdioksidi, ZrO₂
Tämä keraami on saatavissa karkaistuna, "osittain stabiloituna" ZrO2:na ja se saa täten keraameille epätavallisen sitkeyden samalla kun sillä on erittäin hyvä lujuus. Niitä ei kuitenkaan pidä tässä muodossa käyttää lämpötiloissa, jotka ylittävät maks. n. 300°C. Täysin stabiloitu sirkoniumoksidi ei ole yhtä luja, mutta toisaalta sitä voidaan käyttää lähellä 2400°C lämpötiloissa. Tällä materiaalilla on myös keraameille epätavallisen korkea tiheys, n. 6 g/cm³.

Erittäin lujia muunnelmia käytetään leikkuuteriin ja muihin osiin, joihin kohdistuu suuri kuormitus, esim. veto- ja ekstrudointityökalujen sisäosat.

Koska ZrO2 on hyvä lämmöneristäjä ja lisäksi sen lämpölaajeneminen on melkein yhtä suuri kuin teräksen, se on osoittautunut sopivaksi lämmönkestäväksi lämpösuluksi polttomoottoreissa. Sitä paitsi se on hyvä johdin, ei ainoastaan elektroneille vaan myös happiioneille yli n. 500°C lämpötiloissa, minkä seurauksena sitä käytetään happisondina erilaisten polttoprosessien valvonnassa.

Piikarbidi, SiC
Piikarbidi tunnetaan sen suuresta kovuudesta ja pienestä kitkasta. Sillä on korkea sulamispiste, puhtaassa muodossa n. 2700 °C, ja se on myös hyvä lämmönjohdin. Löytyy myös piipitoisia muotoja, jotka ovat suhteellisen hyviä sähkönjohtimia. Si-SiC:n tai RBSC:n (Reaction Bonded Silicon Carbide) valmistusmenetelmät mahdollistavat sen, että voidaan valmistaa monimutkaisia muotoja hyvällä mittatarkkuudella suhteellisen pienellä kustannuksella. Sintrattuja ja kuumapuristettuja laatuja ilman vapaata piitä on mahdollista käyttää lähes 2200°C lämpötilassa ja suhteellisen korrosiivisessa ympäristössä. Korkean SiC-pitoisuuden takia materiaaleista tulee kuitenkin suhteellisen hauraita huonolla reuna- ja teräkestävyydellä jne. SiC sopii hyvin laakerimateriaaliksi: itseään, muita keraameja sekä terästä, grafiittia jne. vastaan. Siksi niitä käytetään mielellään tiivistysrenkaina pumpuissa, joissa vallitsee suuri kuormitus. Ne kestävät lyhytaikaisen kuiva-ajon ennenkuin nestevoitelu on alkanut toimia. Yksinkertaisempia ja enemmän tai vähemmän huokoisia koostumuksia käytetään usein upokasmateriaalina, muhveleina, putkina yms. metallurgisella sektorilla.

Lasikeraamit
Lasikeraameilla on kautta linjan pieni lämpölaajeneminen; tiettyjä materiaaleja voidaan sitä paitsi käsitellä konventionaalisilla työkaluilla. Niitä käytetään mm. keraamisissa liesissä.

Boorikarbidi, B₄C; titaanidiboridi, TiB₂
Äärimmäisen kovia ja kevyitä keraameja, niitä käytetään mm. hiekkapuhallussuuttimina ja keraamisina panssareina.

Alumiininitridi, AlN
Tämä keraami on erittäin hyvä lämmönjohdin ja samalla sillä on korkea sähköinen ominaisvastus. Sitä käytetään mm. substraattimateriaalina mikroelektroniikassa kun tavallinen alumiinioksidi ei enää riitä.

Alumiinititanaatti, Al₂TiO₅
Erittäin hyvä lämmöneristäjä. Koska sillä on myös hyvä kestävyys sulaalumiinille ja muille kevytmetalleille, kuparille yms., sitä käytetään valukouruihin, nousu-putkiin, suuttimiin jne. Materiaalilla on sen lisäksi hyvä lämpöshokkikestävyys, jonka takia sitä voidaan menestyksellisesti käyttää sisäänvalettuihin lämpösulkuihin polttomoottoreiden pakokaasukanavissa, männänkärkiin, turboagregaatteihin yms.

Teknisten keraamien valmistus
Tuote valmistetaan erilaisilla tuotantomenetelmillä niin lähelle lopullista muotoa kuin mahdollista ennen sintrausta. Koska keraamit yleensä ovat erittäin kovia, kaikki viimeistely tehdään normaalisti timanttityökaluilla. Tällainen viimeistely on valitettavasti sekä kallista että aikaa vaativaa. Tämä onkin pääasiallisin syy teknisten keraamien kalleuteen verrattuna konventionaalisiin konstruktiomateriaaleihin.

Lisäksi käsittelyedellytykset johtavat siihen, että on valittava mahdollisimman yksinkertainen kappaleen muoto ja geometria. Tämän lisäksi käsiteltävien pintojen lukumäärä, koko ja laatu on pidettävä minimitasolla. Usein on kokonaistaloudellisesti parempi vaihtoehto pitää lähtökohtana keraamin tuotantoedellytyksiä ja muuttaa keraamiin liittyvien metallikomponenttien muotoa.

Useita keraameja löytyy standardituotevalikoimana putkina, kankina, laattoina yms. Prototyyppien valmistuksessa sekä muissa kehityksen alla olevissa pienehköissä valmistussarjoissa kannattaa yleensä aloittaa niistä.

Pelkässä sintratussa muodossa keraamien tasomaisuus on huono ja niiden pinta on karkea. Silloin saadaan tuotteita, joiden mittatoleranssi on n. ±2% tai ±2 mm ja pinnan hienous Ra 5-10µm. Paremman toleranssin esim. n. ±0.1 mm aikaansaamiseksi riittää normaali hionta, joka myös antaa n. Ra 0.1-1µm. pintahienouden. Tämä merkitsee sitä , ettei ole helpompaa eikä halvempaa valmistaa tuotteita toleranssiin ±0.5 mm tai Ra-arvoon 3µm.

Keraamien usein hyvin hienon raekokoon (0.1-10 µm) sekä niiden suuren kovuuden ansiosta niitä voidaan hioa, läpätä ja kiillottaa erittäin suureen pintahienouteen. Kyseessä on taas kallis käsittely timanttityökaluilla eikä pintahienoutta pidä parantaa enemmän kuin todella on tarpeellista.

Kiillotettuina keraamien kemiallinen ja mekaaninen kestävyys paranevat. Kaksi vastakkaista pintaa voivat kuitenkin imeytyä toisiinsa kiinni jos ne ovat liian tasomaisia ja kiiltäviä. Tämän vuoksi täytyy joskus antaa tiivistysrengasparille tietty epätasaisuus, jotta ne eivät leikkautuisi kiinni.

Keranova AB, Emmylundsvägen 16, SE-194 54 Upplands Väsby, Ruotsi
Puh. +46 8 590 919 77

E-mail: info@keranova.se