ekniska keramer används lämpligen vid extrem materialpåverkan när det gäller nötning, korrosion, höga temperaturer, höga tryckbelastningar mm. Keramernas speciella, ofta unika, egenskaper gör dem intressanta som avancerade konstruktionsmaterial. Materialtyp, design och ytfinish måste dock alltid väljas omsorgsfullt, och vi hoppas att denna presentation ska vara en hjälp på vägen; en guide in i keramernas värld.

Hårdhet och slitstyrka
Keramer är ofta extremt hårda, och det gör dem lämpliga för applikationer där slitaget är för stort. Hårdheten hos en vanlig kvalitet av tätsintrad ren aluminiumoxid, Al2O3, är ca 81 HRC (vid 45 N). Om man jämför med verktygstålets ca 60 och hårdmetalls ca 85 förstår man att slitstyrkan hos t.o.m den vanliga aluminiumoxiden är bra. Sedan finns det andra keramer med ännu högre hårdhet, t ex kiselkarbid, SiC som vid full täthet hamnar kring 95 HRC. För hårda ämnen används dock hellre Vickers-skalan, Hv,  (eller Knoop) som ger mer rättvisande bild av spröda materials hårdhet. Hårdmetall (WC med 6% Co) får Hv-värde 1500 kg/mm² (vid 50 g provbelastning), Al2O3: ca 2200, SiC: ca 2800 och borkarbid B4C: ca 3300. Diamant är oslagbart hårt med Hv ca 8500 kg/mm²!

För slitagetillämpningar är materialvalet inte självklart den hårdaste keramen; materialet bör vara både så hårt och så segt som möjligt. En kompromiss som brukar fungera i många applikationer är tätsintrade varianter med några procents bindefas. Belastning, temperatur, kemisk miljö och inte minst ekonomi har dessutom stor inverkan på lämpligaste val.

Högtemperaturbeständighet
Keramerna är ofta uppbyggda av starkt bundna atomer med förhållandevis liten frihet att röra sig i olika riktningar. Detta leder bl a till att de som regel har mycket hög smältpunkt, i vissa fall en bra bit över 3000°C. En vanlig konstruktionskeram, tätsintrad 99,6% Al2O3, kan användas belastad upp till ca 1600°C. Eftersom de flesta högpresterande keramer är oxider eller bildar en skyddande oxidhinna, kan de också användas i vanlig luft utan krav på speciell skyddsgas.

På grund av den låga brottöjningen är keramer ofta känsliga för termochocker, speciellt vid temperatursänkning. När komponenten kyls svalnar ytskiktet fortare än grundmaterialet, och ytan utsätts därmed för höga dragspänningar. Genom att utnyttja fasomvandlingar kan materialen ges förbättrad tålighet mot termochocker. Vanligare är att antingen välja ett material med låg termisk expansion och/eller hög värmeledning, eller att helt enkelt anpassa hantering och användning så att termochocker undviks.

Termisk isolerförmåga
Keramer är normalt sett goda termiska isolatorer. Detta inte minst beroende på att man kan låta tillverka dem, förutom vad gäller sammansättning, också med kontrollerad och hög porositet. Vanligtvis beror den goda isolerförmågan på att keramernas specifika värmeledning är låg. Detta gäller många keramer, dock långtifrån alla. En del leder värme lika bra som metaller.

Det finns idag ett brett urval fibermaterial, där sammansättningar går från glas- och mineralullens silikater, till rena oxider för de allra högsta temperaturerna. Således finns idag kommersiellt tillgängligt t ex Al2O3-fibrer som kan användas för isolering upp till ca 1800°C och fibermaterial av ZrO2 som kan tjänstgöra som isolering vid temperaturer uppemot 2200°C.

Elektrisk isolerförmåga
En annan aspekt av isolerförmågan är den elektriska, en traditionellt bekant keramegenskap med tillämpningar som t ex isolatorporslin för både svag- och starkström. Tekniska keramer uppvisar dock varianter alltifrån synnerligen bra isolatorer till sådana som är ganska bra elektriskt ledande, ofta med ett stort temperaturberoende. Supraledare för förhållandevis höga temperaturer är vanligtvis av keramiskt material.

Korrosionsresistens
Starka atomära bindningar gör keramerna synnerligen kemiskt stabila. Kvartsmaterial (av SiO2) liksom de varianter som bildar en ytoxid av SiO2 (SiC, Si3N4, Sialoner m.fl.) kan påverkas av fluorvätesyra liksom het eller stark lut, men har god korrosionsstabilitet i övrigt. Normala kvaliteter av ren Al2O3 (99,5-99,8%) har mycket god beständighet mot de flesta syror, baser, smälta metaller och salter, och det finns inte mycket som klarar av att påverka ännu renare (>99,9 %) aluminiumoxid. Det är tack vare de senares höga beständighet och fysiologiska inerthet som de också fungerar utmärkt som implantat, t ex som höftledskulor.

Hållfasthet
Keramer betecknas ofta som "spröda" då de som regel går sönder utan knappt någon plastisk deformation alls. Denna egenhet ska dock inte förväxlas med att de är svaga; tvärtom är konstruktionskeramerna fantastiskt starka. Deras hållfasthet utnyttjas bäst om man kan sätta artikeln under tryckbelastning, och så långt som möjligt försöka undvika dragspänningar. T ex kan tryckhållfastheten vid rumstemperatur hos de bästa Al2O3-materialen uppnå 3,5 GPa och hos hetpressad kiselnitrid, HPSN (HP-Si3N4) ca 4 GPa, att jämföra med 1.5-2 GPa hos verktygsstål.

Drag- och böjhållfastheten hos de bästa keramerna sjunker dock till ungefär samma nivå som hos konstruktionsstål. Detta beror på att keramerna i allmänhet saknar möjlighet till plastisk deformation och därmed inte kan utjämna lokala spänningskoncentrationer. Vid tillräckligt hög temperatur kan dock en betydande plastisk deformation ske för vissa keramer, t ex Al2O3 och MgO. Dessa kan då uppvisa en påtaglig seghet före brott.

Eftersom keramerna är känsliga för lokalt höga dragspänningar, påverkas de särskilt lätt av strukturella defekter som porer, sprickor och föroreningar. Det är därför också viktigt att ha en ändamålsenlig design i förhållande till den aktuella yttre lasten, inte minst vid termochocker.

När bara keramer duger, sedan 1990.

Keranova AB, Emmylundsvägen 16, 194 54 Upplands Väsby
Tel 08-590 919 77

BankGiro: 5663-3035, momsreg.nr SE556396144901
Bolaget innehar F-skatt
e-post: info@keranova.se