Seramik Malzemeler Dersi Doç. Dr. Fatih ÇALIŞKAN Sakarya Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği, 2016
Seramikler Seramik kelimesi, Yunanca pişirilmiş eşya manasına gelen keramos kelimesinden gelmektedir. Seramik üretimi eski çağlardan beri gerçekleştirilmekte olup arkeolojik buluntular seramik üretimini M.Ö 6500 yıllarına kadar dayanabileceğini ortaya koymuştur. Yüzyıllar önce çömlekçilik olarak başlayan seramik çalışmaları, günümüzde birçok sanayi dalının üretim teknolojisine önemli katkısı olan bir bilim dalıdır. Seramik, doğada bileşikleri halinde bulunan elementlerin, uygun karışımlarının, ısı enerjisinden yararlanılarak elde edilen ürünler, şeklinde tanımlanabilir. Bu tanım çömlek, yapı malzemeleri, porselen refrakter ürünler, yalıtkan malzemeler, cam, çimento, emaye, abrasif (aşındırıcı), kesici, kapasitör ve piezo-elektrik (kuvars kristalleri ile ultra ses eldesi) malzemeleri kapsar.
Diğer bir genel tanım ise metal veya yarı metallerin metal olmayan elementlerle yaptığı inorganik bileşiklere Seramik denir. Kil, kum ve feldspat gibi malzemeleri içeren geniş bir inorganik malzeme gurubudur. Kimyasal açıdan inorganik özellik taşırlar. Atomlar arası bağlar; iyonik, kovalent veya kısmen metalik olabilir.
Seramikleri Özellikleri 1.Yüksek sıcaklıklara dayanıklılık, 2.Yüksek kimyasal kararlılık, 3.Sertlikleri, çok sert olabilmeleri, 4.Metallerden hafif olmaları ( % 40 a varan hafiflik), 5.Hammade kaynağının bol ve metallere göre ucuz olması, 6.Pahalı ve stratejik metallere gerek duyulmaması, 7.Erozyon ve aşınmaya dayanıklı olmaları, 8.Oksitlenmeye dirençli olmaları, 9.Sürtünme katsayısının düşük olması, 10.Basma kuvvetinin yüksek olması. DEZAVANTAJI : Gevreklik
Seramik insanların kullandığı en eski gereçlerden biridir. Yüzyıllar boyunca, özellikle kab-kacak yapımında seramiğin üstün niteliğinden yararlanılmıştır. Hammadde bolluğu, kolay işlenebilme, basit imalat, nispeten düşük maliyet, kullanma rahatlığı v.b. nedenler ile sertliği, sıcağa dayanıklılığının kırılganlık yanındaki olumlu etkileri kullanım alanlarını önemli kılmaktadır. Günümüzde seramik ailesi, klasik seramiklerin niteliklerini taşımakla beraber, yeni mekanik yetenekler edinmiş olan teknik seramikleri de kapsamaktadır. Bugün seramiğin ısıl sanayi seramikleri, yapısal seramikler ya da ince seramikler gibi çeşitleri de bulunmaktadır. Tüm bu türlerde; ana madde mineral kökenlidir ve toz halinde işlenir, eşyaya son şeklini vermek için sıkıştırma ve pişirme gibi iki aşamalı bir işlem uygulanır.
Seramiklerin Sınıflandırılması Birçok sınıflandırma türü vardır: Geleneksel Seramikler İleri Teknoloji Seramikleri (Mühendislik seramikleri, ince seramikler) Oksit Seramikler (Alümina, Silika, boroksit vb.) Oksit olmayan seramikler (nitrürler, borürler, karbürler vb) Fonksiyonel Seramikler Yapısal Seramikler
Sınıflandırılmaları: (a) kullanımları açısından, (b) yapıları açısından Kullanımları açısından, iki grupta incelenirler; Geleneksel seramikler, İleri teknolojik seramikler.
Geleneksel seramikler İleri teknolojik seramikler Doğal ucuz hammaddeler kullanımı (genellikle kil esaslıdır) Kaba toz boyutu (100-200 mikron) Şekillendirme yöntemi (Seramikçi çarkı/tornası vb.) Pişirilme sıcaklığı düşük (900-1000C) porselen hariç Düşük kullanım sıcaklıkları Kullanım yerleri ev eşyaları, tıbbi aletler, sıhhı ürünlerde vb Ürünler (çini, tuğla, fayans, porselen, lavabo, küvet, tabak, çömlek vb) Pahalı hammadde kullanımı Daha ince toz boyutu (>50 mikron) Şekillendirme yöntemi (CIP, slip döküm, enjeksiyon kalıplama, HIP vb) Sinterleme sıcaklığı yüksek (>1400C) Yüksek kullanım sıcaklıkları Kullanım yerleri elektronik, bilgisayar, havacılık, yüksek performans gerektiren yerler Ürünler (nozül, rulman, kesici takım, kalça protezi, refrakterler, ısı kalkanı, chip malzemesi vb. ) Genellikle doğada bulunmayan bileşikler üretilir
Seramiklerin mekanik özellikleri Seramikler çok kırılgandır. Gevrek kırılma, çatlakların oluşması ve ilerlemesiyle gerçekleşir. Çatlak büyümesi transgranüler veya intergranüler şekilde olabilir. Çoğu seramiğin kırılma dayanımı teorik dayanımından düşüktür. Buna sebep malzemede bulunan iç çatlaklar, gözenekler, inklüzyonlar ve tane köşeleri gibi gerilim arttırıcılardır. Gerilim artışının derecesi çatlak boyuna ve çatlak ucu eğrilik yarıçapına bağlıdır. Seramiğin kırılma dayanımı yüzey bölgesinde basma gerilmeleri oluşturarak artırılabilir. Basma dayanımı çekme dayanımının 10 katı kadardır. Bu, seramikleri basınç altında çalışan iyi yapısal malzemeler yapar.
Gerilme-genleme davranışı Üç sebepten dolayı çekme deneyiyle belirlenmez; 1) İstenilen geometride numune hazırlamak zordur. 2) Numuneleri kırmadan çenelere tutturmak zordur. 3) Seramikler yaklaşık %0,1 uzamadan sonra kırılırlar. Dolayısıyla, üç-nokta veya dört-nokta eğme deneyi kullanılır.
Kristalin seramikler Metallerdeki gibi dislokasyon hareketi ile olur. Bu malzemelerin sert ve kırılgan olması kaymanın zor olmasındandır. Çoğunlukla iyonik bağlı olduğundan az sayıda kayma sistemi vardır. Kovalent bağlı seramiklerde de kayma zordur. Çünkü; Kovalent bağ oldukça kuvvetlidir. Sınırlı sayıda kayma sistemi vardır. Dislokasyon yapıları karmaşıktır. Amorf seramikler Düzenli kristal yapıları, dolayısıyla dislokasyonlar yoktur. Malzemelerin deformasyonu sıvılara benzer şekilde viskoz akışla gerçekleşir. Kayma gerilmesinin etkisiyle atomlar veya iyonlar birbiri üzerinde kayarken bağların kopması ve tekrar olumasıyla deformasyon meydana gelir. Viskozite, camsı malzemelerin deformasyona karşı göstermiş olduğu direncin ölçüsüdür.
Metaller ve Seramiklerin Karşılaştırılması Metals Ceramics
Malzeme Ergime sıcaklığı Yoğunluk (g/cc) Mukavemet (MPa) Elastik Modül (GPa) Sertlik (Kg/mm 2 ) Tokluk (K ıc ) Al 2 O 3 2050 3,96 250-300 36-40 1000-1600 4,5 ZrO 2 2700 5,6 113-130 17-25 1200 6-9 SiC 3000 3,2 310 40-44 2800 3,4 Si 3 N 4 1900 3,24 410 30,7 1300 5,0 WC 2700 15,7 350-550 54-70 2000 5-8
Si3N4 Seramik turbo pervanesi
Asbeste alternatif
Motor parçaları Rotor (Alumina) Dişliler (Alumina)
Turbocharger Ceramic Rotor
Seramik fren diskleri
McLaren Mercedes Benz
SiC otomotiv parçaları Isı ve aşınma dirençleri için tercih edilir.
Seramik Kompozit Zırh Outer hard skin Ceramic- Discontinuous Projectile Personnel and Equipment Inner ductile skin Ceramic Armor System
SiC vücut zırh ve diğer komponentler balistik özellikleri sebebiyle tercih edilmektedir.
Yapıları açısından Seramikler Cam Esaslı Kristal yapılı Seramikler 1. Silikat esaslı Oksit Ser. (%75 SiO 2 ), Kiremit, Tuğla. 2. Silikat dışı Oksit Ser. (ileri teknololik S.) Al 2 O 3, ZrO 2, ThO 2, 3. Oksit dışı Ser. (ileri teknololik S.) B 4 C, SiC, WC, TiN, vs. Amorf yapılı Camlar 1. Silikat Camlar. a) Ağ yapıcılar (SiO 2, B 2 O 3 ) b) Ağ düzenleyiciler (Na 2 O 3, K 2 O, CaO) c) Ağ dengeleyiciler (Al 2 O 3, TiO 2, ZrO 2 ) 2. Silikat dışı Camlar. Kristal yapılı Camlar
A. Kristal yapılı seramikler Silikat esaslı (kil bazlı)seramikler: Yapısında SiO 2 bulunan seramiklerdir. Toprakta %75 civarında bulunan SiO 2 dayalıdır-ucuzdur. Geleneksel seramiklerin çoğu bu gruptadır; Tuğla/kiremit/saksı, çanak/çömlek, Refraktör seramikler, Çimento.
İmalat adımları: Toz halinde bileşim ayarlanır. Su katılarak çamur elde edilir ve şekillendirilir. Kurutulur ve pişirilir. Çimentoda (portlant cement) ise katılaşma kimyasal reaksiyon ile olur. Fazla düşük olmayan sıcaklıklarda ıslatılarak katılaşma kabiliyeti arttırılabilir.
Silikat içermeyen seramikler: Bünyesinde SiO 2 bulunmayan seramiklerdir. İleri seramikler olarak adlandırılabilirler. Saf olmaları yanı sıra küçük miktarlarda katkılar içerebilirler.
Çeşitleri: Alümina Al 2 O 3 refrakter MgO refrakter ThO 2 -nükleer yakıt, süperalaşım bileşimi UO 2 -nükleer yakıt BaTiO 3 - elektro-piezo seramik NiFe 2 O 4 -Manyetik seramik
Oksit içermeyen seramikler: Yapısında oksijen bulunmayan seramiklerdir. Kısmi metalsel bağ bulundurabilir; yüksek elektrik dirençlerine rağmen elektriği kısmen iletebilirler (yüksek sıcaklık rezistanları).
İmalat aşamaları: 1. Toz halinde bileşim hazırlama 2. Karıştırma; Kuru veya sıvı içerisinde 3. Basınç altında şekillendirme 4. Kurutma ve sinterleme
Örnekler Silisyum karbür SiC- refraktör-rezistans (ısıtma elemanı) Silisyum nitrür Si 3 N 4 -yüksek tokluk ve sertlik Titanyum nitrür TiN-Sert ve aşımaya dayanıklı Tungsten karbür WC-takım imalatı Bor karbür -B 4 C-zırh malzemesi SiAlON-makina parça malzemesi
Yoğunluk Şekillendirme: Presleme Gerçek yoğunluk Sıkıştırma basıncı
Sinterleme Şekillendirilmiş seramik yapının erime sıcaklıklarının altında (0.5-0.7 Te) yüksek sıcaklıklarda tozların difüzyon ile birbirlerine kaynaması ve bu sayede yapının yekpare yüksek dayanımlı bir hale getirilmesi işlemidir. Sinterleme sırasında iç boşluklar (porozite) küçülür veya yok olur. Sinterlemenin verimini arttırabilmek ve yüksek kalitede ürünler elde için Sıcak izostatik presleme kullanılabilir. Şekillendirilmiş tozlar yüksek gaz basıncı altında sinterlenir. Sinterlenmiş seramik parçalar yüksek performans uygulamalarında; motorlar, fren rotorları, makina parçaları, türbün parçaları vs. metallerin yerini almaktadırlar.
Soğuk izostatik presleme: Sadece izostatik presleme ile şekillendirme Sıcak presleme: Presleme + sinterleme Sıcak izostatik presleme: izosatatik Presleme + sinterleme
Killer Killer aşağıdakilerin bazılarını içermektedir; Silikat olarak Silisyum & Alüminyum Potasyum bileşikleri Magnesium bileşikleri Kalsiyum bileşikleri Silika, feldpat veya alüminyum potansyum silikat içeren kumlar.
Seramik türleri Beyaz ürünler (mutfak veya shhı ürünler) Refrakterler (SiC, Si3N4, Alümina, grafit) Camlar (borosilikat camı vb) Abrasives (SiC, Si3N4, Alümina vb) Sementler
Kil bağlı seramikler Bu seramikler killerin karışımı olup doğal killerden yapılmıştır. Sonrasında kristal seramiklere ilave edilir. Beyaz ürünler (Whitewares) Yapısal kil ürünleri Refrakter Seramikler
Beyaz ürünler Çanak çömlek tabak vb Yer karoları ve duvar fayansları Sıhhi tesisat ürünler Elektrik porselenleri Dekoratif seramikler
Beyaz ürünler: Banyo eşyaları
Beyaz ürünler
Slip Döküm Sinterleme ve servis Kalıp montajı Kalıba çamur dökülmesi Kalıntı çamurun drene edilmesi Rötuş Kalıp ayırma
Refrakterler Yüksek sıcaklık fırınları ve daha düşük sıcaklıklarda kullanılan fırınlar için yüksek oranda silisyum ve alüminyum oksit içeriklerine sahip ateş tuğlaları kullanılabilmektedir. Bu ürünler demir çelik, demir dışı metaller, camlar, sementler, seramikler, enerji dönüşümü, petrol ve kimya endüstrilerinde kullanılmaktadır.
Refrakterler Used to provide thermal protection of other materials in very high temperature applications, such as steel making (T m =1500 C), metal foundry operations, etc. They are usually composed of alumina (T m =2050 C) and silica along with other oxides: MgO (T m =2850 C), Fe 2 O 3, TiO 2, etc., and have intrinsic porosity typically greater than 10% by volume. Specialized refractories, (those already mentioned) and BeO, ZrO 2, mullite, SiC, and graphite with low porosity are also used.
Refrakter Tuğla
Kristal Seramikler İyi elektrik izalatör ve refrakterleri Magnezyum Oksit, kablolar ve ısıtma elementlerinde izalatör malzemesi olarak kullanılır Kesici takım uçları ve aşındırıcı olarak kullanılan bazı seramikler Alüminyum oksit Berilyum Oksit Bor karbür Tungsten Karbür
Aşındırıcılar Doğal olanlar (garnet, elmas gibi.) Sentetik aşındırıcılar (silisyum karbür, elmas, ergimiş alümina, gibi.) malzemelerin aşındırma, kesme, parlatma, lepleme veya basınç patlaması (kumlama) yönteminde
Sementler Beton yollar, köprüler, yapılar, barajlarda kullanılır
İleri Seramikler İleri seramik malzemeler son 50 yıldır geliştirilmiştir. Aşınma yüzeylerini ve metal yapıları korumak için termal bariyer kaplama olarak veya tek bileşenden oluşan parçaları üretmek için uygulanmıştır. Silisyum nitrür (Si 3 N 4 ), silisyum karbür (SiC), Zirkonya (ZrO 2 ) ve Alümina dan (Al 2 O 3 ) oluşan bu malzeme gurubu için motor uygulamaları çok yaygındır. Isı direnci ve diğer istenen özellikler, fiber ve whisker takviyeleriyle malzemelerin toklaştırma mekanizmalarının geliştirilmesine sebep olur. Böylelikle seramikler için daha fazla uygulama alanı açılır.
İleri Seramikler Yapısal: Aşınma parçaları, bioseramikler, kesici takımlar, motor parçaları, zırh malzemeleri Elektrik: Kapasitörler, izolatörler, entegre devre altlıkları, piezoelektrik, mıknatıslar ve süperiletkenler Kaplamalar: Motor parçaları, kesici takımlar ve endüstriyel aşınma parçaları Kimyasal ve çevresel: Filtreler, membranlar, katalizörler ve katalizör destekleri
Seramik Zırh Seramik zırh sistemleri askeri personel ve ekipmanları korumak amacıyla kullanılır. Avantaj: malzemenin düşük yoğunluğu, ağırlık etkili zırh sistemlerinin üretilebilme imkanı sağlar. Zırh sistemlerinde tipik seramik malzemeler kullanılabilmektedir (alümina, bor karbür, silisyum karbür ve titanyum diborür) Zırh için kullanılan seramik malzemeler aralıklı ve daha sünek dış ve iç tabaka (sandwich) arasında olacka şekilde tasarlanmıştır. Dış tabaka kurşunun parçalanmasına yetecek kadar sert olmalıdır.