Wymagania klientów względem jakości, ceny, niezawodności oraz wymiarów i funkcjonalności wytwarzanych odlewów stale rosną. Dlatego, aby ułatwić pracę odlewniom, Instytut ds. Technologii i Systemów Obróbki Ceramiki im. Fraunhofera (IKTS) zaprojektował nowe materiały ceramiczne o wyjątkowo wysokiej wydajności.

Ściernice, osłony i filtry

Stosowane w obróbce odlewów ściernice ulegają bardzo szybkiemu zużyciu korozyjno-mechanicznemu, co przekłada się na konieczność ich częstej wymiany. Rozwiązaniem może być zastosowanie osłony z azotku krzemu, która zwiększa odporność antykorozyjną i mechaniczną ściernicy, a tym samym wydłuża żywotność narzędzia.

Z kolei ceramika porowata z dodatkiem tlenku cyrkonu – ze względu dużą odporność na wysokie temperatury – jest coraz częściej wykorzystywana do produkcji filtrów umożliwiających separację wytrąceń ze stopów stali, takich jak żużel, pozostałości masy formierskiej i produkty deoksydacji. Teraz, dzięki nowej technologii opracowanej przez naukowców z IKTS, można znacznie – bo aż o 40% – obniżyć koszty wytwarzania tego typu filtrów, zastępując 65% proszku tlenku cyklonu mieszaniną tlenku glinu i krzemianu cyrkonu.

Komponenty z ceramiki porowatej

W metalurgii ekstrakcyjnej i sektorze uszlachetniania metali gazoprzepuszczalne materiały ceramiczne można wykorzystać także do odprowadzania gazów, a tym samym redukcji nadciśnienia w kluczowych komponentach, takich jak rolki prowadzące i zwrotne. Zdaniem naukowców z IKTS tego typu ceramika może być stosowana jako wyposażenie ochronne redukujące ryzyko silnych wzrostów ciśnienia, odkształceń, a nawet pęknięć.

Jak podaje IKTS, przewodnictwo cieplne form odlewniczych ma bezpośredni wpływ na stopień odwzorowania kształtów formy. Dlatego Instytut opracował nowy materiał formierski składający się z węglika krzemu i specjalnego spoiwa, który umożliwia szybsze odprowadzanie ciepła z odlewu, a tym samym nadanie mu pożądanych cech strukturalnych.

Naukowcy zauważyli również, że w przypadku detali z metali lekkich i żeliwa szarego wkłady z ceramiki porowatej wzmacniają lokalnie punkty podlegające najsilniejszym obciążeniom termicznym i mechanicznym. Te preformy – uznawane za bardzo trwałe – są nie tylko tanie w produkcji, ale także wysoce funkcjonalne: ich powierzchnia cechuje się właściwościami ułatwiającymi tworzenie trwałych, mikroząbkowanych połączeń między ceramiką a metalem.

Supertwarda ceramika diamentowa

Stosowane w górnictwie morskim maszyny oraz urządzenia do wydobywania ropy naftowej i gazu ziemnego z dna morskiego powinny wykazywać się żywotnością i bezawaryjnością przez okres od 10 do 30 lat. Ze względu na to, że w takich zastosowaniach szczególnie wrażliwe, wytworzone z tradycyjnych materiałów komponenty, takie jak elementy pomp, segmenty rur czy dysze, bardzo szybko się zużywają, przedsiębiorstwa od lat poszukują ich trwalszych, bardziej wytrzymałych alternatyw. Rozwiązaniem może być zastosowanie ceramiki diamentowej, która – w przeciwieństwie do innych dostępnych na rynku materiałów diamentowych – wytwarzana jest w sposób konwencjonalny, a tym samym jest relatywnie tania, a przy tym elastyczna, włącznie z możliwością wytwarzania skomplikowanych geometrii. Można ją ponadto wykorzystać do tworzenia zarówno kompaktowych detali, jak i powłok o grubości 300 do 500 μm nakładanych na te części komponentów, które są narażone na największe obciążenia. W procesie produkcji diamentowa preforma jest przesycana płynnym krzemem tworzącym trójwymiarowy szkielet, który wchodzi w reakcję chemiczną z diamentem, tworząc trwałe wiązania strukturalne. Dzięki temu gotowy materiał wykazuje się wytrzymałością rzędu 450–500 MPa.

Twarda, ale niemal dowolnie formowalna

Połączenie diamentu z węglikiem krzemu sprawia, że ceramika diamentowa jest także wyjątkowo odporna na korozję. Badania trybologiczne dowiodły zaś, że jej wytrzymałość na zużycie jest 10-krotnie większa niż w przypadku materiałów z węgliku boru, co oznacza, że cechuje się ona podobną żywotnością jak ultratwardy diament polikrystaliczny (PKD). Jednak w przeciwieństwie do PKD ceramika diamentowa ma tę zaletę, że można jej nadać niemal dowolne wymiary i formę.

Z tego względu struktury takie można by wykorzystać np. do produkcji komponentów z indywidualnie dobranym zestawem cech. Profilowana w ten sposób ceramika diamentowa oferowałaby szereg nowych możliwości w zakresie wytwarzania odpornych na zużycie i korozję komponentów do różnorodnych zastosowań, w tym wymagających niekiedy większej odporności niż aplikacje z zakresu górnictwa morskiego.