SERAMİK MALZEMELER
Seramik Nedir? Seramik, en basit tarifiyle, çok yüksek sıcaklıkta pişirilmişl toprak demektir. Seramiğin tarihi uygarlık kadar eskidir.ilk seramiğin Milattan Önce 6000 yılında Anadolu da üretildiği bilinmektedir. Çatalhöyük teki kazılarda elde edilen seramik parçaları, aradan geçen 8000 yıl boyunca bozulmadan, günümüze ulaşmıştır.bugün arkeologlar için, insanlık tarihi ile ilgili bilgilerin en önemli kaynakları da, seramik buluntularıdır. Binlerce asır bozulmadan günümüze gelen seramikler üzerindeki yazı, resim ve semboller sayesinde, geçmiş uygarlıkların yaşam tarzları ve kültürleri hakkında bilgi edinmek mümkün olmaktadır. Hitit, Lidya, Frigya, Urartu ve Roma uygarlıklarının şifreleri, büyük ölçüde seramikler sayesinde çözülmektedir. Bilim adamları, bu çok eski uygarlıklardan günümüze kadar bozulmadan gelen seramikleri inceleyerek, tarihin sırlarını çözmektedir. Bugün ise binaların iç ve dış yüzeylerinin, zeminlerinin kaplanmasında kullanılan önemli bir dekorasyon ürünüdür. Doğadan elde edilen kil, kaolen, kuvars ve feldspat maddelerinin belirli oranlarda karıştırılmasıyla elde edilir. Bu maddeler hamur haline getirilerek preslenir ve 1100 derecenin üzerinde yüksek sıcaklıkta fırınlanır. Seramiklerin ön yüzü genellikle sır dediğimiz koruyucu bir tabaka ile kaplanır. Seramik, doğadan, doğal yollarla elde edilen maddelerden yapıldığı için sağlıklıdır. Seramik, ekolojik (çevreye zarar vermeyen) bir üründür.
SERAMİKLER Seramik malzemeler inorganik ve metal olmayan malzemelerdir. Seramiklerin çoğunluğu metal ve metal olmayan elementlerin oluşturduğu bileşiklerdir. Bu bileşiklerin oluşturduğu atomlararası bağ iyonik, kovalent veya iyonik + kovalent şeklindedir. Seramikler yapı olarak kırılgan, ergime sıcaklığı metal ve polimerlere oranla çok yüksek olan malzemelerdir. Bu malzemeler aynı zamanda düşük elektrik ve ısıl iletkenliğine sahip olup, kimyasal ve ısıl kararlılıkları oldukça yüksektir. En çarpıcı mekanik özellikleri ise yüksek basma mukavemetleridir.
Saf Oksit Seramikler Al 2 O 3, SiO 2, TiO 2,ThO 2, NiO, MgO, Fe 2 O 3 Saf Karbür Seramikler SiC, TiC, WC, UC, B 4 C 3 Saf Nitrür Seramikler BN, TiN, Si 3 N 4, AlN, ThN, UN
Kil ürünleri Çoğu seramik malzemelerin ana bileşeni kil esaslı olup içerisine kuvars gibi iri taneli malzeme ve akıcı özelliğe sahip feldspar ilave edilir. Feldsparlar aralarında (K,Na) 2 O.Al 2 O 3.6SiO 2 inde bulunduğu bir gurup minerale verilen isimdir. Malzemeler su karıştırılarak şekillendirilir, kurutulur ve pişirilir. Yüksek kil içeriği şekillendirme özelliğini iyileştirir ve daha karmaşık seramik yapıların üretilmesini sağlar.
Refrakterler Refrakter malzemeler yüksek sıcaklıklarda yüksek orandaki gerinimlere dayanmak zorundadır. Yüksek ergime noktalarına sahip çoğu saf seramik malzemeler refrakter sınıfına girerler. Buna karşın saf oksitler pahalıdır ve istenilen şekle getirilmeleri zordur. Bunun yerine bilinen refrakterler, pişmiş kil (grog) olarak adlandırılan kaba oksit parçacıklarının daha ince refrakter parçacıkları ile bağlanmalarından meydana gelir.
Oksit refrakter malzemeler asitik, bazik ve nötür olarak üç grupta sınıflandırılabilir. Yaygın olarak kullanılan asitik refrakterler ateş killerini veya silis alumina seramiklerini içerirler. Saf SiO 2 iyi bir refrakter malzeme olup erimiş metallerin içerisine döküldüğü pota yapımında kullanılır. Bazik refrakterler saf magnezyum oksit (MgO), manyezit (MgO ce zengin), dolomit (MgO+CaO), ve olivini (Mg 2 SiO 4 ) içerir. Bazik refrakterler asitik refrakterlerden çok daha pahalıdırlar. Bununla birlikte çelik üretimi ve bilinen bazı yüksek sıcaklık işlemlerinde bazik refrakterler metal ile uyumluluk sağlaması açısından kullanılmak zorundadır. Nötür refrakterler kromit ve kromit-manyeziti içeren malzemelerdir.
Elektriksel ve Manyetik Seramikler Seramikler çok çeşitli elektriksel ve manyetik özellik sergilerler. SiC içeren bazı seramikler fırın ısıtıcı eleman malzemesi yapımında kullanılırlar. Diğer bazı seramikler yarı-iletkenlik davranışına sahiptirler ve termistör ve redresör yapımlarında kullanılırlar. Baryum titanatı içeren diğer bazı gurup seramikler üstün dielektrik, piezoelektrik ve ferroelektrik davranışlar gösterirler. Özellikle baryum titanatın piezoelektrik davranışları malzemeyi kondensatör ve dönüştürücüler için cazip hale getirmektedir.
Piezo Elektrik Seramikler Pizoelektrik de denemektir? Pizoelektrik, belli bir sınıfa ait kristallerde görülen, mekanik bir gerilim sonucunda oluşan elektriksel polarizasyondur. Bu polarizasyon gerilimle orantılıdır ve ona bağlı olarak yön değiştirir. Pizoelektrik seramiklerde düz ve ters etki diye adlandırılan 2 çeşit etki görülür. Düz etkide, uygulunan mekanik bir strese karşılık seramikte elektrik yükü oluşur. Ters etkide de, seramik, elektrik alana tabi tutulunca malzemede mekanik bir hareket meydana gelir. Bu mekanik hareket aslında gözle görülemeyecek kadar küçük boyutta malzemenin boyutlarında meydana gelen değişikliktir. Uygulanan alanın şiddetine ve yönüne göre seramik enine ya da boyuna göre uzar.
Piezo Elektrik Seramikler. Seramiklerin kullanım alanları çok kapsamlı olsa da, en ilgi çekici sınıf elektronik seramiklerdir. Bu seramikler özel kompozisyonlardan hazırlanır ve kontrollü bir işleme tabi tutulurlar. Pizoelektrik seramikler de değişik alanlarda sıkça tercih edilen elektronik seramikler içerisinde yer almaktadır. Pizoelektrik, belirli bir seramik grubunun sahip olabileceği elektriksel bir özelliktir. İlk olarak 1880 de Pierre ve Jacques Curie nin kuartz ve çinko üzerindeki çalışmaları esnasında keşfettikleri pizoelektriğin, yapılan sonraki araştırmalarda, özel bir kristal yapıya ve kompozisyona sahip seramiklerde görüldüğü ortaya çıkmıştır. Bu keşiften sonraki 40 yıl içerisindeki çalışmalar göstermiştir ki, baryum titanattan yapılan seramiklere yüksek statik elektrik alanı uygulandığı takdirde pizoelektrik özelliğe rastlanabilmektedir. Ancak baryum titanatın yapısal bazı nitelikleri, pizoelektriksel özelliğinin ortaya çıkmasına engel teşkil etmekteir. Bu durum başka pizoelektrik seramiklere de gereksinim duyulduğunu ortaya çıkartmıştır. Yapılan daha geniş çaplı araştırmalar, kurşun titanat-kurşun zirkonat sisteminin varlığını kanıtlamıştır. Kısaca PZT diye adlandırılan bu yeni komposizyonun baryum titanattan daha çok tercih edilmesinin sebebi sahip olduğu üstün özelliklerdir. Daha kolay sinterlenebilmesi, başka bileşiklerle çok çeşitli kompozisyonlar oluşturabilmesi ve pizoelektrik uygulamalarda, elektriksel özellikleri açısından baryum titanattan daha dayanıklı ve güçlü olması onu bu alanda üst sıralara çıkarmıştır.
Piezo Elektrik Seramikler Pizoelektrik seramiklerin başarılı bir şekilde uygulanabilir olmasındaki en büyük etken, sıkça kullanılan ve insan hayatını kolaylaştıran alet ve makinelere kolayca adapte edilebilmeleridir. Düşük maliyet, küçük boyut ve yüksek güvenilirlik gibi özellikler de tasarım mühendislerine cazip gelen taraflardır. Bu nedenle, bu malzemelere karşı gittikçe artan bir talep söz konusudur. Pizoelektrik seramiklerin belli başlı kullanım alanları şu şekildedir: Yüksek voltaj jeneratörleri (atepleme düzenekleri, buji, pizoelektrik transformatörler) Ultrasonik jeneratörler (ultrasonik temizleyici, sonar, ultrasonik kaynak) Sensörler (pikap iğneleri, hidrofon) Hoparlörler, alarm sistemleri Radyo, televizyon, uzaktan kumanda Motor, fan, yazıcı
Camlar Bilinen pek çok ticari camlar silis esaslıdır ve ergime sıcaklığının düşürülmesi ve ağ şeklindeki içi yapıyı bozmak için içerisine soda gibi düzenleyiciler katılır. Camın su içindeki yüksek çözünebilirliğini önlemek için kalsiyum oksit eklenir. Bilinen çoğu camlar yaklaşık % 75 SiO 2, % 15 Na 2 O ve % 10 CaO içeren sodalı ve kireçli camlardır. İyileştirilmiş optik kalite cam % 30 PbO içerdiğinde elde edilir. İçerisinde % 15 B 2 O 3 bulunan camlar üstün kararlılığa sahiptirler ve cam laboratuvar malzemeleri ile Payreks camı üretiminde kullanılırlar.
Seramiklerin Aşınma Davranışları Seramik malzemeler gevrek yapıdadırlar. Talaş kalkması ile aşınabilirler. Seramik malzemelerin yüzeylerinde ve yüzeylerin altında çatlaklar oluşur. Daha sonra oluşan bu çatlaklar birleşerek seramik malzemelerde küçük talaşlar ortaya çıkarır. Seramik malzemeler, yüksek basma ve çekme gerilmelerine duyarlıdırlar. Metal ve polimer malzemeler, kırılma meydana gelmeden önce basma gerilmeleri karşısında plastik deformasyon gösterirler. Oysa seramik malzemelerin plastik deformasyon gösterebilmesinin tek bir koşulu vardır. Bu koşul, seramik malzemelerin hidrostatik gerilmelerle plastik deformasyon gösterebilmesidir. Ancak bu plastik deformasyon, metaller ve polimerler ile kıyaslandığında oldukça küçüktür. Gevrek malzemelerde kayma teması olduğu zaman deformasyon türü aşınmaya neden olur. Abrazif aşınma ve erozyon durumunda ise aşınma problemli olmaktadır. Seramiklerde, düşük ısıl iletkenlik nedeniyle, sürtünme sırasında oluşan ısı, büyük ısıl eğimleri ve dolayısıyla sıcak noktalar oluşturabilir. Eğer seramik malzemeler hızlı şekilde soğutulurlarsa, bu sıcak noktalar büyük oranda çekme gerilmesi oluşturur ve bunun sonucunda çatlaklar oluşabilir. Sonuç olarak yüzeyden büyük parçaların kopması ve aşınmada artış söz konusu olur. Seramikler, deformasyon hızına karşı oldukça duyarlıdır. Bu nedenle artan kayma hızıyla ve buna ilaveten sürtünme ısınması ile birlite çatlak oluşma olasılığı artmaktadır. Bu duyarlılık; darbeye ve erozif aşınmaya karşı seramik malzemelerin kullanılmasını gündemden düşürmektedir
Seramiklerin Aşınma Davranışları Katı partikül erozyonunda, partikül çarpma açısı malzemenin kopma hızını etkilemektedir.metal malzemeler için maksimum erozif aşınma, 20 C 40 arası partikül çarpma açılarında oluşur. Seramik malzemelerde ise bu açı 90 ye yaklaştığı zaman erozyon aşınma hızı artar. Şekil 1 seramikler ve metaller için partikül çarpma açısına karşılık erozyon aşınma hızının değişimini vermektedir. Seramik ve aşındırıcı ortamın bağıl sertliği de erozyon mekanizmaları için önemlidir. Aşındırıcı ister yumuşak, ister seramik kadar sert olsun, aşındırıcının sertliğindeki küçük bir artış, erozyon aşınmasında büyük artışlara neden olmaktadır. Aşındırıcı, seramikten çok daha sert olduğu durumlarda, erozyon hızında mikroyapı ve kırılma tokluğu önemli hale gelmektedir. Böyle durumlarda, erozyon hızı tane boyutunun küçültülmesi ve porozitenin azaltılması ile minimize edilebilir. Aşınmanın etkili oduğu uygulamalarda oldukça çok kullanılan ticari seramik malzemelerin mekanik ve fiziksel özellikleri Tablo 1 de verilmiştir.
Seramiklerin Kullanım alanları Seramikler günümüzde, tıbbi malzeme olarak ve çeşitli endüstriyel tasarımlarda ve endüstriyel hizmetlerde kullanılan malzemelerdir. Yüksek sıcaklıktaki mukavemet ve sertlikleri, korozyona karşı dirençleri ve yorulma dirençleri yüksektir. Bu özellikleri nedeniyle aşınmanın etkili oluduğu uygulamalarda kullanılırlar. Bu açıdan aşınma davranışlarının bilinmesi önemlidir. Seramiklerin aşınma davranışlarının belirlenmesinde, oda sıcaklığında ve yüksek sıcaklıklarda uygulanan deney düzenekleri geliştirilmiştir. Seramik malzemelerde aşınmayı etkileyen temel faktörler: sertlik, termal iletkenlik, kırılma tokluğu, korozyon direnci ve porozitedir.
Seramiklerin Kullanım alanları Yapı Seramikleri ( Tuğla, Kiremit, duvar ve Yer Kaplama Plakaları, Su ve Kanalizasyon Boruları, Sağlık Gereçleri ) Ev Eşyası Seramikleri ( Saksı,Çanak - çömlek,süs Eşyaları, Sofra Seramiği... ) Elektrik ( Şalter ve Sigorta Parçaları, Alçak-Yüksek Gerilim İzalatörleri.. ) Elektronik Seramikler ( Manyetik, Dielektrik, Piezo Elektrik Seramikler ) Refrakter Seramikler ( Ateş,Silika, Bazik, Karbon Tuğla, Grafit, Ateş Çimentosu..) Aşındırıcı Seramikler ( Zımpara Taşları ve Tozları, Sentetik Elmas ) Bio Seramikler ( Seramik Kemikler, Protezler, Dişler ) Nükleer Seramikler ( Nükleer Yakıt Sistem Seramikleri, Radyasyona Karşı Ağır Betonlar ) Mekanik Seramikler ( Piston, Motor Gövdesi ) Ser-met' ler ( Seramik Metal Karışımı Parçaları ) Uzay Araçları Seramikleri ( Isı ve Sürtünmeye Dayanıklı Kılıflar, Uçuş Pist Platformları Süper İletken Seramikler ( Enerji İletimi Sistemleri )
Seramiklerin Kullanım alanları Seramik Kaplamalar: Seramik kaplamaların birçoğunun korozyon dirençleri oldukça iyidir. Bu özellikleri nedeni ile korozyondan korunma amacı ile de kullanılabileceği düşünülmektedir. Ancak bu kaplamaların gözenekli olmaları korozyondan korunma amaçlı olarak kullanımlarını sınırlamaktadır. Bu kaplamaların gözeneklerini azaltmak amacı ile çok katlı kaplama uygulamalarına gitmek, amorf yapılı kaplamalar (elmas benzeri karbon ve borürler gibi) üzerinde çalışmaların sürdürüldüğü konulardır. Çok düşük sürtünme katsayısına sahip ve sert olmaları, kimyasal ortamlara yüksek direnç göstermeleri nedeni ile elmas benzeri karbon (EBK) kaplı malzemelerin biyomedikal uygulamalar için potansiyel oldukça yüksektir.
Seramiklerin Kullanım alanları TİN (Titanyum Nitrür) Kaplama Dünyada aşınmaya karşı yapılan kaplamaların başında TiN (Titanyum Nitrür) gelmektedir. Bu kaplamaların avantajları ve özellikleri şöyle sıralanabilir. Yüksek sertliği (2400-3200HV) ve ısıl geçirgenliği düşük olması nedeniyle talaşın takıma ısı transferini engeller ve takımın ısınarak sertliğinin düşmesini önler. Krater oluşumu ve serbest yüzey aşınmasını en aza indirirler. Bu nedenle kesme ve ilerleme hızları % 20'ye kadar arttırılabilir. Kimyasal kararlılığı yüksek bir malzeme olduğundan iş parçasına yapışmaz (metal transferi olmaz), kayganlık özellikleri yükselir. Kesme anında kesici takım ucunda metal transferinin büyümesini engelleyerek iş parçası yüzeyinin temiz çıkmasını sağlar. Sürtünme katsayısı düşük olduğu için kesme ve sürtünme kuvvetleri azalır ve buna bağlı olarak takımın ısınmasını önleyerek plastik deformasyonu geciktirir. (Kaplama dropletsiz olursa) Kimyasal reaksiyonlara girmediğinden iş parçasının çalışma yüzeyleri daha uzun süre aktif kalır. Özellikle paslanmaz çelik iş parçalarında takımdan, iş parçasına metal transferi olmadığı için paslanmayı önler. Kaplama yüzeyi mükemmel yapıştığından sıvama kenarlarında ve kesici kenarlarda kaplama dökülmesi olmaz. Yüksek tonajlı preslerde dahi yüzeyden dökülmezler. Kalınlığı 1-4 μm (0.001-0.004 mm) arasında olduğunda takımların toleransını değiştirmezler. Kaplama sonrası ilave bir işlem gerektirmeden takım kullanılır. İnce film olduklarından ısıl genleşme katsayıları takımların ısıl genleşme katsayılarını alırlar. Bu nedenle ısı genleşme ve eğilme ile takım yüzeyinden dökülmezler. Renkleri takımlardan farklı olması nedeniyle takımın aşınma miktarı kolayca görülebilir. TiN kaplama takımların, kalıpların ve diğer makine elemanlarının aşınmalarını engellemesine karşın her türlü aşınma probleminin çözümü değildir. PVD teknikleri ile daha birçok metal ve metal bileşiği kaplama yapmak mümkündür. Bu kaplamaların, TiN'ün fiziksel özelliklerini taşıması yanı sıra ayrıca ilave değişik özelliklere de sahiptir.
Seramiklerin Kullanım alanları TiCN (Titan Karbo Nitrür Kaplama) Metal nitrür yapıya karbon eklendiğinde sertlik oldukça yükselir. Bu nedenle karbonitrürler ultra sert seramik filmlerde başarı ile kullanılabilirler. Karbon içeren reaktif gazlar ile elde edilirler. Bu işlem sırasında C/N (karbon/azot) oranının değişimi tabakanın özelliğini belirler. Özellikle yüksek hızlarda çalışan frezlerde TiCN kaplama TiN'e oranla daha iyi performans verir. Takım ömrü artar ve daha yüksek kesme hızlarında çalışabilir. TiCN kaplamalarda belirli özellik yüzey pürüzlülüğünün daha az olması gibi avantajlarının yanı sıra, ısıl iletkenliğinin yüksek olması dezavantajdır. TiCN kaplamalarının sertlikleri 4000 HV değerlerine çıkabilir. Süreksiz kesmelerde TiN kaplamaya göre daha iyi performans sağladığı Literatürlerde de belirtilmektedir.
Seramiklerin Kullanım alanları TiAIN (Titan Alüminyum Nitrür Kaplama) Titan Nitrür tabakaya alüminyum ilavesi ile sert tabakanın sertliğini daha da arttırmasını (3600 HV) yanı sıra, kaplamanın oksitlenmeye karşı mukavemeti artar. Bu kaplama ile kesici takımlarda yüksek kesme hızlarında TiN'e oranla daha iyi verim elde edilmektedir. Alüminyum oranı yükseldikçe kaplamanın sertliği yanı sıra yüzey pürüzlülüğü de artmaktadır. Bu katkı miktarı takım cinsine göre belli bir sınıra kadar arttırılmalıdır. Sürekli kesme işlemlerinde kaplama yüzeyinde oluşan Al2O3 tabakası nedeniyle düşük ısı iletkenliği özelliğini almakta ve kesici takımın daha az ısınmasını sağlamaktadır. Bu nedenle kesici takım üzerine transfer olan ısı miktarı azalmaktadır. Bu da kesici takımın daha yüksek kesme hızlarında çalıştırılmasına olanak verecektir. TiN kaplama alüminyum işleyen takımlarda çözülme nedeniyle düşük performanslıdır. TİAIN ve CrN kaplama alüminyum işleyen takımlarda iyi bir performans sunmaktadır. TİAIN tabakaları en yüksek iyon içeriğine kadar aşınmayı koruyucu tabaka olarak kullanılabilmektedir.
Seramiklerin Kullanım alanları CrN (Krom Nitrür Kaplama) Özellikle aşınma etkileri altında çalışan, kağıt, tekstil, plastik ve metal enjeksiyon endüstrisinde olduğu gibi aşındırıcı etkiler mevcut ise kaplama kalınlığı önem kazanır. TİN kaplamaların kalınlığı 5μm üstüne çıktığı zaman gerilimler artmaktadır. Bu nedenle kalınlıkları 5-7μm kalınlığa kadar yapılabilmektedir. CrN iç gerilimlerin düşük olması nedeniyle 10 μm kalınlığa kadar çıkabilmektedir. Sertlikleri 2400 2800 HV arasındadır. Yüzey pürüzlülüğü TİN tabakadan daha iyidir. 700 ºC a kadar olan çalışma sıcaklıklarında kararlılığını kaybetmez. Kimyasal kararlılığı TİN kaplamadan daha yüksektir, asidik ve bazik ortamlarda kesinlikle çözülme göstermezler. CrN tabakaların tutunma mukavemetleri düşük sıcaklıklarda TİN'e oranla daha düşüktür. Bunun yanında aşınmaya karşı yüksek mukavemet gösterdiklerinden ve kalın kaplanabildiklerinden TİN'e göre daha iyi korozyon mukavemeti gösterirler.
Kaynakça: 1- Gökhan BAŞMAN,Erdem ATAR),E. Sabri KAYALI Seramik Malzemelerin Aşınma Davranışı İTÜ Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü, Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü, 2-Serra Çağatay, PİZOELEKTRİK SERAMİKLER PIEZOELECTRIC CERAMICS Cilt/Volume : 23 121. Sayı : Seramik 3- http://www.tezproje.8m.com/hakan_gungor/8_bolum.htm