eknisiä keraameja käytetään sopivimmin silloin kun materiaaliin kohdistuu äärimmäinen rasitus kulutuksen, korkean lämpötilan tai puristuskuormituksen, korroosion yms. muodossa. Keraamien erikoiset, usein harvinaislaatuiset ominaisuudet tekevät niistä mielenkiintoisia korkeatasoisina konstruktiomateriaaleina. Materiaalityyppi, muotoilu ja pintakäsittely on kuitenkin aina valittava huolellisesti. Toivomme että tästä esityksestä on apua; opas matkalle keraamien maailmaan.

Kovuus ja kulutuksenkestävyys
Keraamit ovat usein äärimmäisen kovia ja tämän ominaisuuden takia ne sopivat hyvin sovellutuksiin, joissa kulutus on suuri. Normaalilaatuisen, tiiviiksi sintratun, puhtaan alumiinioksidin, Al2O3, kovuus on noin 81 HRC (45 N:lla). Kun vertaa tätä työkaluteräksen kovuuteen n. 60 HRC ja kovametallin kovuuteen n. 85 HRC, ymmärtää, että jopa tavallisen alumiinioksidin kulutuksenkestävyys on hyvä. On kuitenkin olemassa keraameja, joiden kovuus on vielä suurempi, esim. piikarbidi, SiC, jonka kovuus täysin tiiviinä on n. 95 HRC. Koville aineille käytetään kuitenkin mieluummin Vickers-asteikkoa (tai Knoop), joka antaa oikeudenmukaisemman kuvan hauraiden materiaalien kovuudesta. Kovametalli (WC, jossa 6% Co) saa Hv-arvon 1500 kg/mm² (50 g:n koekuormituksella), Al2O3: n. 2200 kg/mm², SiC: n. 2800 kg/mm² ja boorikarbidi B4C: n. 3300 kg/mm² . Timantti on ylivoimaisesti kovin; sen Hv -arvo on n. 8500 kg/mm² !

Kovin materiaali ei ole läheskään aina paras valinta kulutuksenkestävyyttä vaativaan sovellutukseen: materiaalin pitää olla mahdollisimman kovaa ja samalla sitkeää. Kompromissina toimii monessa sovellutuksessa tiiviiksi sintrattu muunnelma, jossa on muutama % sidefaasia. Parhaan vaihtoehdon valintaan vaikuttaa vielä suuresti kuormitus, lämpötila, kemiallinen ympäristö eikä vähiten taloudellisuus.

Korkeanlämpötilankestävyys
Keraamit koostuvat usein atomeista, jotka ovat voimakkaasti sidottuja ja joiden liikkumavapaus eri suuntiin on suhteellisen pieni. Tämän johdosta keraamien sulamispiste on yleensä hyvin korkea; joissakin tapauksissa pitkälti yli 3000°C. Tavallista konstruktiokeraamia, esim. tiiviiksi sintrattu 99,6 % Al2O3, voidaan käyttää kuormitettuna n. 1600 °C asti. Koska useimmat suorituskykyiset keraamit ovat oksideja tai muodostavat suojaavan oksidikalvon, niitä voidaan käyttää tavallisessa ilmassa ilman erityistä suojakaasua.

Johtuen keraamien matalasta murtovenymästä ne ovat herkkiä lämpöshokeille, erityisesti lämpötilan laskiessa. Kun komponenttia jäähdytetään, pintakerros jäähtyy nopeammin kuin perusmateriaali ja tämän seurauksena pintaan kohdistuu suuria vetojännityksiä. Käyttämällä hyväksi faasimuutoksia, voidaan materiaalien lämpöshokkikestävyyttä parantaa. Tavallisesti valitaan materiaali, jonka lämpölaajeneminen on alhainen ja/tai jonka lämpöjohtavuus on korkea, tai sitten sopeutetaan käsittely ja käyttö siten, että lämpöshokkeja voidaan kokonaan välttää.

Lämmöneristyskyky
Keraamit ovat normaalisti hyviä lämmöneristimiä. Tämä johtuu siitä, että keraameja voidaan valmistaa halutulla koostumuksella sekä korkealla ja hallitulla huokoisuudella. Hyvä eristyskyky on keraamien alhaisen ominaislämmönjohtokyvyn ansiota. Tämä pätee monelle keraamille, mutta ei läheskään kaikille. On keraameja, jotka johtavat lämpöä yhtä hyvin kuin metallit.

Nykyään löytyy laaja valikoima kuitumateriaaleja, joiden koostumus vaihtelee lasi- ja mineraalivillan silikaateista puhtaisiin oksideihin korkeimmille lämpötiloille. Kaupallisesti on saatavissa esim. Al2O3-kuituja, joita voidaan käyttää eristystarkoituksiin 1800 °C asti sekä kuitumateriaalia ZrO2 :sta, joka soveltuu eristysmateriaaliksi jopa lähes 2200 °C lämpötiloihin.

Sähköneristyskyky
Eristyskyvyn toinen näkökulma on sähköneristyskyky, keraameille tuttu ominaisuus, jota hyödyntävä sovellutus on esim. eristinposliini sekä heikko- että vahvavirralle. On kuitenkin olemassa teknisten keraamien muunnelmia, jotka vaihtelevat erittäin hyvistä eristimistä melko hyvin sähköä johtaviin, usein suurella lämpötilariippuvuudella. Suprajohtavat materiaalit suhteellisesti korkeille lämpötiloille ovat yleensä keraamisia materiaaleja.

Korroosionkestävyys
Vahvat atomisidokset tekevät keraameista kemiallisesti erittäin stabiileja. Kvartsimateriaalit ( SiO2:sta) sekä sellaiset muunnelmat, jotka muodostavat pintaoksidin SiO2:sta (SiC:sta, Si3N4:sta, Sialoneista yms. aineista) syöpyvät fluorivetyhapon sekä kuuman tai väkevän lipeän vaikutuksesta, mutta muuten niiden korroosionkestävyys on hyvä. Normaalit puhtaat Al2O3 –laadut (99,5-99,8%) kestävät erittäin hyvin useimmat hapot, emäkset, metallisulat ja suolat eikä juurikaan löydy aineita, jotka pystyvät vaikuttamaan vielä puhtaampaan (>99,9 %) alumiinioksidiin. Viimeksi mainittujen korkean kestävyyden sekä niiden fysiologisen inerttisyyden ansiosta ne toimivat myös erinomaisesti implantaattina kuten esim. lonkkanivelpäänä.

Lujuus
Keraameja kuvataan usein "hauraina" koska ne rikkoutuvat yleensä ilman minkäänlaista plastista muodonmuutosta. Tämä ominaisuus ei kuitenkaan merkitse sitä, että ne olisivat heikkoja: konstruktiokeraamit ovat päinvastoin todella lujia. Niiden lujuutta hyödynnetään parhaiten, jos kappaleeseen kohdistetaan puristuskuormitus välttäen mahdollisimman pitkälle vetojännityksiä. Esim. parhaimpien Al2O3-materiaalien puristuslujuus saattaa huonelämpötilassa nousta jopa 3,5 Gpa:iin sekä kuumapuristetun piinitridin, HPSN (HP-Si3N4) n. 4 Gpa:iin. Vertailuna voidaan mainita työkaluterästen puristuslujuus, joka on 1,5-2 Gpa.

Parhaimpien keraamien veto- ja taivutuslujuus on kuitenkin samaa luokkaa kuin konstruktioterästen. Tämä johtuu siitä, ettei keraameissa yleensä esiinny muodonmuutosta ja sen seurauksena ne eivät pysty tasaamaan paikallisia jännityskeskittymiä. Riittävän korkeassa lämpötilassa tietyissä keraameissa kuten esim. Al2O3 ja MgO voi esiintyä huomattaviakin muodonmuutoksia. Näiden materiaalien sitkeys ennen murtumista saattaa olla hyvin merkittävä.

Koska keraamit ovat herkkiä paikallisesti korkeille vetojännityksille, niihin vaikuttaa erityisen helposti rakenteelliset virheet kuten huokoset, halkeamat ja epäpuhtaudet. Sen takia on myös tärkeää, että tuotteen muoto on tarkoituksenmukainen suhteessa ko. ulkoiseen kuormaan; erityisesti lämpöshokkien esiintyessä.

Kun vain keraamit kelpaavat.

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

E-mail: info@keranova.se