MÜHENDİSLİK SERAMİKLERİ

... konulu sunumlar: "MÜHENDİSLİK SERAMİKLERİ"— Sunum transkripti:

1 MÜHENDİSLİK SERAMİKLERİ

2 Seramik malzemeler temel malzeme gruplarından biridir.
Seramik sözcüğü kil, toprak ya da pişirilmiş ( yanmış malzeme ) eşya anlamındaki latince/yunanca “keramikos/keramos” dan gelmektedir. Seramik Malzemelerin Tanımı Çok farklı tanımlar yapılabilir. Genel olarak, “metalik ve organik esaslı olmayan tüm malzemeler” olarak ifade edilebilir. En genel anlamda seramik, “anorganik maddelerin herhangi bir usul ile şekillendirilip pişirilmesi ile meydana gelen ürüne” denir. Daha kapsamlı bir tanımlama; “organik olmayan malzemelerin oluşturduğu bileşimlerin, çeşitli yöntemler ile şekil verildikten sonra sırlanarak veya sırlanmayarak sertleştirilip dayanıklılık kazanmasına varacak kadar pişirilmesi bilimi ve teknolojisidir”. Oluşturdukları bağlar göz önüne alınarak yapılan diğer bir tanımlama ise, “metal ve metal olmayan elementlerin birbirleriyle iyonik ve/veya kovalent bağlarla bağlanarak oluşturdukları inorganik malzemelerdir”.

3 Seramikler en az iki elementten oluşur ve çoğunlukla bileşen sayısı daha fazla olduğundan genel olarak seramik kristal yapıları metallerin kristal yapılarından daha karmaşıktır. Kimyasal açıdan inorganik özellik taşırlar. Atomlar arası bağlar; iyonik, kovalent veya kısmen metalik olabilir. Seramik malzemelerin kimyasal bileşimi, basit bileşiklerden karmaşık bileşiklere kadar geniş aralıkta değişir. Seramik malzemeler farklı bileşimde kristal ve camsı faz içerirler ve genellikle porozite ihtiva ederler. Bu farklı mikroyapı bileşenlerinin miktarı ve dağılımları seramik malzemelerin özelliklerini önemli ölçüde etkiler. Örneğin; yapıda mevcut fazların yerleşim düzenini değiştirerek, yalıtkan olan bir seramik malzemeyi iletken hale getirmekte veya bunun tersi olabilmektedir. Bu nedenle seramik malzemelerin geliştirilmesi konusunda ana fikir mikro yapı üzerine yoğunlaşmıştır.

4 Seramik ve cam üretiminde kullanılan elementlerin periyodik tabloda gösterilişi

5 Seramik Malzemelerin Genel Özellikleri
Yüksek sıcaklıklara dayanıklılık,→ fırın iç cidarlarında refrakter olarak, Elektriksel ve ısıl açıdan yalıtkandırlar, serbest elektronlar içermediğinden, → piston kaplanması, bujiler, yüksek gerilim fincanları, ısıl işlem fırın fanları… Özel camlar; Payreks (ısıl camlar, mutfak fırını kullanımı için) darbeye dayanıklı emniyet camları….vs. Yüksek kimyasal kararlılık, (bağ yapıları nedeniyle) Yüksek Sertlik → elmas, zımpara (Al2O3) , SiC, aşındırıcı olarak, Hammadde temini kolay, kaynağının bol ve metallere göre ucuz olması, Erozyon ve abraziv aşınmaya karşı dayanıklı, sert ve sürtünme katsayısının düşük olması nedeniyle, Nispeten yüksek basma dayanımları, çekme dayanımlarının yaklaşık 10 misli daha yüksektir. ı) Düşük yoğunluk, Metallerden hafif olmaları ( % 40 mertebesine varan ), i) Boyutsal kararlılık, Düşük genleşme katsayısı j) Korozyon direnci, Oksitlenmeye karşı dirençlerinin yüksek olması, Seramik malzemelerin en önemli eksikliği gevrek olmasıdır.

6

7 Seramiklerin Bazı Özelliklerinin Metal ve Polimerlerle Karşılaştırılması

8 Şekillendirilmiş Parça
Seramik Malzemelerin Üretim Akım Şeması Hammaddeler Satış Sinterleme Kurutma Şekillendirilmiş Parça Şekillendirme Hammadde Hazırlama Ürün Kalite Kontrol Sinterlenmiş Parça İnorganik Hammaddeler Doğal Hammaddeler Kaolen (Al2O3.2SiO2.2H2O) Ortoklas (KO2.Al2O3.6SiO2) Albit (NaO2.Al2O3.6SiO2) Vollostonit (CaO.SiO2) Kuvars (SiO2) Kalsit (CaCO3) Dolomit (CaCO3.MgCO3) Yapay Hammaddeler SiO2, MgO, ZrO2, Al2O3 vb Oksitler SiC, B4C, TiC, WC vb Karbürler Si3N4, AlN, TiN vb Nitrürler Mo2Si, WSi2 vb Silisitler TiB2, ZrB2 vb Börürler

9 SERAMİK ŞEKİLLENDİRME YÖNTEMLERİ
Kuru şekillendirme Kuru presleme Soğuk izostatik presleme [CIP (Cold Isostatic Pressing)] Sıcak izostatik presleme [HIP (Hot Isostatic Pressing)] Yaş Şekillendirme (slip döküm) Yarı yaş şekillendirme Serbest şekillendirme El tornasında çevirme Yarı otomatik tornalar Otomatik tornalar Ekstrüzyon Enjeksiyon Şerit Döküm (Tape Casting, Doktor Blade) Presleme Deri sertliğinde şekillendirme Plazma sprey kaplama ile şekillendirme

10 Şerit Döküm (Tape Casting, Doktor Blade)
Kuru presleme SLİP DÖKÜM Şerit Döküm (Tape Casting, Doktor Blade)

11 Enjeksiyon Ekstrüzyon El tornasında çevirme

12

13 Seramiklerin Sınıflandırılması
kullanımları açısından, yapıları açısından Seramikleri kimyasal bileşimine göre Seramikleri Mineral içeriğine göre Seramikleri üretim yöntemlerine göre Seramikleri özellikleri göre Seramikleri kullanım alanlarına göre Kullanımları açısından, iki grupta incelenirler; –Geleneksel seramikler, –İleri teknolojik seramikler.

14 Seramiklerin Kimyasal Bileşimlerine Göre Sınıflandırılması
Oksitler Al2O3, ZrO2, MgO, SiO2, TiO2, FeO Karbürler SiC, TiC, ZrC, WC, B4C Nitrürler Si3N4, BN, AlN, TiN, ZrN Silisitler MoSi2, WSi2 Borürler TiB2, ZrB2

15

16

17 Kristal yapılı seramikler (Silikat esaslı Oksit Ser
Kristal yapılı seramikler (Silikat esaslı Oksit Ser.; Silikat dışı Oksit Ser.; Oksit dışı Ser.) Silikat esaslı seramikler: Yapısında SiO2 bulunan seramiklerdir. •Toprakta %75 civarında bulunan SiO2 dayalıdır-ucuzdur. •Geleneksel seramiklerin çoğu bu gruptadır; Tuğla/kiremit/saksı, çanak/çömlek, Refraktör seramikler, Çimento. Silikat içermeyen seramikler: •Bünyesinde SiO2 bulunmayan seramiklerdir. •İleri seramikler olarak adlandırılabilirler. •Saf olmaları yanı sıra küçük miktarlarda katışkı içerebilirler. Çeşitleri: –Alumina Al2O3 refraktör –MgO refraktör –ThO2-nükleer yakıt, süperalaşım bileşimi –UO2-nükleer yakıt –BaTiO3- elektro-piezo seramik –NiFe2O4-Manyetik seramik Oksit içermeyen seramikler: Yapısında oksijen bulunmayan seramiklerdir. •Kısmi metalsel bağ bulundurabilir; yüksek elektrik dirençlerine rağmen elektriği kısmen iletebilirler (yüksek sıcaklık rezistanları). Örnekler (Oksit İçermeyen) •Silisyum karbür SiC- refraktör-rezistans (ısıtma elemanı) •Silisyum nitrür Si3N4-yüksek tokluk ve sertlik •Titanyum nitrür TiN-Sert ve aşımaya dayanıklı •Tungsten karbür WC-takım imalatı •Bor karbür -B4C-zırh malzemesi •SiAlON- Makina parçaları malzemesi

18 B. Amorf yapılı Camlar Bu malzemeler; kristal yapıda değillerdir. I. Silikat camlar: •Seramikler içerisinde tonaj olarak en fazla kullanılan malzemelerdir. •Yüksek sıcaklıkta akışkan haldedirler. •Azalan sıcaklıkta, akıcılıkları azalır (vizkoziteleri artar) •Camlaşma sıcaklığının altında katı olarak davranır. Bu duruma “aşırı soğutulmuş sıvı” olarak adlandırılır. •Bileşimlerinde SiO2 yanı sıra diğer elementler de bulunur. Örnekler (Amorf Yapılı Camlar/Silikat Esaslı Camlar) •Silis camı (yüksek sıcaklık dayanımı) •Bor cam (düşük ısıl genleşme-yüksek ısıl şok dayanımı) •Pencere camı (Adi cam, flotal ayna camı, vs.) •Cam elyaf (Kompozit malzeme üretiminde takviye elemanı) •Emaye (Metal yüzeylerde korozyona ve dış etkilere dayanıklı dekoratif kaplama) •Kristal cam (PbO içeren saydamlığı mükemmel cam) II. Silikat esaslı olmayan camlar: •Fazla kullanılmazlar. •Su ve nemden çok etkilenirler. •Katkı malzemesi olarak kullanılabilirler. •Elektronik endüstrisinde çeşitli uygulamalar.

19 Geleneksel Seramikler İleri Teknolojik Seramikler
C. Kristal yapılı Camlar •En gelişmiş tipleridir. •Üretim adımları: –Amorf yapıdayken şekillendirilirler. –Kontrollü bir ısıl işlem ile yapısı % 90 oranında kristale dönüştürülür. –Kalan amorf kısım kristaller arasındaki kısımda yer alır. Avantajları –Daha yüksek mekanik özelliklere sahiptir. –Kristal yapısı, düşük ısıl genleşme gösterir ısıl şok dayanımı oldukça yüksek olur tencere vs uygulamaları. –Seramiklerin aksine daha kolay şekillendirilebilir. •Örnek; Li2O,+Al2O3+SiO2 kompozisyonudur. Tane boyutunu küçültmek için TiO2 eklenir. Günümüzde kullanılan en yaygın sınıflandırma şekli özellikleri ve kullanım alanlarına göre seramiklerin sınıflandırılmasıdır. Geleneksel Seramikler İleri Teknolojik Seramikler

20

21 Geleneksel Ser. İleri Tek. Ser.
Geleneksel ve İleri Teknolojik Seramiklerin Karşılaştırılması Geleneksel Ser. İleri Tek. Ser. Hammaddeler Doğal hammaddeler (Kil, Kuars, Kaolen) Yüksek Saflıktaki yapay hammaddeler (Al2O3, SiC, ZrO2) Şekillendirme Slip Döküm, HIP, CIP, Enjeksiyon, Ekstrüzyon, Kuru Press, Torna Sinterleme Sinterleme işlemi fırınlarda yüksek sıcaklıkta yapılır. Ürünler Porselen Eşya, Tuğla, Refrakter, Çini Türbin Kanadı, Yapay Kemik, Nükleer Yakıtlar Mikroyapı Optik Mikroskop SEM, TEM Maliyet Düşük Pahalı

22 Geleneksel ve İleri teknolojikler Emre ve Şenol hocanın slaytlarından devam
Mekanik Özellikler Gevrek kırılma • Kötü plastik şekil değiştirme özellikleri iyonik/kovalent bağ. • Düşük çekme dayanımı, daha yüksek basma dayanımı; iç boşluk vs. den kaynaklanan çentik etkisi. • Seramiklerde üretimden kaynaklanan boşluklar (porosity) kuvvetli çentik etkisi yapar. (Çentik dibi radyüsun azalması (keskinlik) yığılma gerilmesini arttırır) Seramik malzemelerde bağların çoğu kovalent olduğu için, kayma daha zordur ve aşağıdaki nedenlerden dolayı kırılgan davranış sergilerler: Kovalent bağlar diğer bağlara göre oldukça sağlamdır. Kayma düzlemi sayısı sınırlıdır Dislokasyon yapıları karmaşıktır. Seramik malzemelerin gerilme–şekil değiştirme davranışları, kırılma dayanımları eğme deneyleriyle belirlenir. Seramik niçin metalik malzemelerde olduğu gibi çekme deneyi uygulanamaz?

23 Makine parçası imalatında seramik malzemelerin sınırlı oranda kullanılması, özellikle sadece basma zorlanması altında kullanılmasını nedenlerini tartışınız! Çekme deneyi yerine 3 noktadan eğme deneyi ile test edilirler (yüksek sertlikleri nedeniyle çenelerin tutması zordur)- Eğme dayanımı.

24

25

26 Effect of Porosity on Stiffness
Kalın seramik parçaların kurutulması sırasındaki çatlama ihtimalinin, ince parçalara göre niçin daha fazla olduğunu açıklayınız? Parça büyüklüğü etkisi ? Effect of Porosity on Strength

27

28

29 Mekanik özellik iyileştirme
•Seramiklerin mekanik özelliklerinin iyileştirilmesi: –Faz dönüşümü ile toklaştırma (Transformation toughenning) –Kontrollü mikro çatlak oluşturma: çatlak ilerlemesini durdurmak –Elyaf takviyeli kompozit tasarımı. Faz dönüşümü ile toklaştırma: •Yarı stabil ZrO2 (içerisine CaO, Y2O3 gibi oksitler katılarak) normalde stabil olan monoklinik faz yerine birim kafes hacmi daha küçük olan tetragonal faz yarıstabildir. •Çatlak ilerlemesi durumunda, çatlak dibindeki gerilme seviyeleri, yarı stabil olan tetragonal fazın stabil ve hacmi daha büyük olan monoklinik faza dönüşmesine neden olur. •Böylece çatlak kapanır ve ilerleyemez: tokluk ve dayanım arttırılmış olur.

30 Bir cam parçasının dayanımı, parça yüzeyinde bilinçli olarak oluşturulacak kalıntı gerilmeler
sayesinde (temperleme ) artırılabilir. Cam eşyalar, yumuşama sıcaklığının altında kadar ısıtılır. Daha sonra bir basınçlı hava akımında, bazı durumlarda ise bir yağ banyosu ortamında oda sıcaklığına kadar soğutulur. Yüzey ve iç bölgelerin soğuma hızlarındaki farklılıklar, kalıntı gerilmelerin oluşmasına yol açar. Başlangıçta, parçanın yüzeyinin daha hızlı soğuması ve sıcaklığın şekil alma noktasının altındaki bir sıcaklığa düşmesiyle, cam şekil değiştirmez (rijit) hale gelir. Ancak parçanın iç kısmı daha yavaş soğuduğundan, sıcaklığı daha yüksektir ve bu sıcaklıkta halen plastiktir. Soğuma neticesinde camın iç kısmı, sertleşmesini tamamlamış ve şekil değiştirmez duruma geçmiş olan dış yüzeye göre, daha fazla büzülmeye çalışacaktır. Bu nedenle parçanın iç kısmı, dış bölgeler tarafından çekilme eğilimi etkisindedir ve içe doğru radyal gerilmelerin oluşması söz konusudur. Sonuç olarak, oda sıcaklığına kadar soğutulan cam parçanın, iç bölgesinde çekme, yüzey ve yüzeye yakın kısımları ise basınç gerilmeleri altındadır. Oda sıcaklığındaki bir cam levhanın kesiti boyunca gelişen gerilme dağılımı Şekil 13.10’da şematik olarak gösterilmiştir. Temperlenmiş cam, büyük kapı ve gözlük camları gibi, mukavemetin önemli olduğu uygulamalarda kullanılır.

31 - Grafit (Şekil 12.17) hekzagonal karbon atomu katmanlarından oluşur ve bu katmanların içindeki her karbon atomu üç eş düzlemsel komşu atoma güçlü kovalent bağla bağlanmıştır. Ancak dördüncü bağlanma elektronu, katmanlar arasındaki van der Waals tipi zayıf bağlarla sağlanmıştır. Bu zayıf tabakaların varlığı tabakalar arası ayrılmanın (klivaj) oluşmasına, dolayısıyla grafitin mükemmel olan yağlayıcılık özelliğinde artış sağlar. Ayrıca, hekzagonal levhalara paralel kristalografik yönde elektrik iletkenliği yüksektir. Elektriksel özel. nedeniyle elektrik motorlarının fırça imalatında, yağlayıcı özelliği nedeniyle de sıcak dövme kalıplarında kullanılır. Elmasta, her bir karbon diğer dört karbon ile bağlanmıştır ve bu bağlar tamamen kovalenttir. Bu yapıya uygun bir isimlendirme ile elmas kübik kristal yapı denir. Elmas elektriği iletmez ve son derece serttir.