OKLADKI JOK 2006 No 3 600

Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 13, No. 3
THE DURABILITY OF CERAMIC COATINGS UNDER COMBUSTION
ENGINE CONDITIONS
Katarzyna Topolska, Wojciech Walkowiak
Politechnika Wrocáawska, Wydziaá Mechaniczny,
Instytut Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn,
e-mail [email protected],e-mail: [email protected]
tel/ fax +48 71 3477918
Abstract
The present work summaries properties and use of ceramic coatings. The main problem of durability of ceramics
coating use in combustion engines is putting low thermal fatigue. Therefore in this paper physical properties of selected ceramic coatings are shown and the methods of fiting of ceramic coating on the engine elements are studied.
The paper presents also the methods of ceramic coatings testing (techniques of surface geometry observation, techniques of chemical composition determination, techniques of coatings structure investigation, techniques of mechanical properties determination) and aspect of operation of top layer because in operation process the surface layer of
construction and parts of machines is used without standard friction contact. The surface is destruct by exploitation
materials, products of combustion, formed or converted materials, interaction of corrosive or erosive environment.
The aspect of corrosion, coatings cracking and adhesion influence on life cycle of ceramic coating under combustion
engine conditions is also investigated.
Keywords: combustion engines, combustion processes, modelling, ceramic coating, durability
TRWAàOĝû POWàOK CERAMICZNYCH W WARUNKACH
PRACY SILNIKA SPALINOWEGO
Streszczenie
W pracy zostaną omówione powáoki ceramiczne i ich zastosowanie. W przypadku stosowania powáok ceramicznych w silnikach spalinowych podstawowym problemem ograniczającym trwaáoĞü powáoki jest maáa odpornoĞü na
zmĊczenie cieplne, dlatego teĪ zostaną omówione wáaĞciwoĞci fizyczne wybranych powáok ceramicznych jakie są
stosowane w silnikach spalinowych. Przedstawione zostaną metody nanoszenia powáok na elementy silnika spalinowego jaki i metody jakimi bada siĊ owe powáoki (techniki obserwacji geometrii powierzchni, techniki okreĞlania skáadu chemicznego, techniki badania struktury powáok, wyznaczanie wáaĞciwoĞci mechanicznych powáok). Zwrócono
równieĪ uwagĊ na eksploatacjĊ warstwy wierzchniej, gdzie w procesie eksploatacyjnym zuĪywanie warstw wierzchnich konstrukcji i czĊĞci maszyn w wielu przypadkach przebiega bez zaistnienia klasycznego styku ciernego. ZuĪywana
powierzchnia poddawana jest niszczącemu dziaáaniu materiaáów eksploatacyjnych, produktów spalania, formowanych
lub przetwarzanych tworzyw, korozyjnemu lub erozyjnemu oddziaáywaniu otoczenia. Zwrócono równieĪ uwagĊ na
korozjĊ i pĊkanie powáok ceramicznych oraz wpáyw przyczepnoĞci na trwaáoĞü powáoki ceramicznej w warunkach
pracy silnika spalinowego.
Sáowa kluczowe: silniki spalinowe, procesy spalania, modelowanie, powáoka ceramiczna, trwaáoĞü
1. Wprowadzenie
W rozwaĪaniach nad inĪynierią i eksploatacją warstw wierzchnich podstawowym problemem
jest wyodrĊbnienie i zdefiniowanie obszaru przypowierzchniowego czĊĞci maszyn, szczególnie
K. Topolska, W. Walkowiak
naraĪonego na zuĪycie eksploatacyjne oraz okreĞleniem najbardziej prawdopodobnego mechanizmu jego przebiegu. Z tego punktu widzenia eksploatacyjną warstwĊ wierzchnią moĪna zdefiniowaü jako pewną czĊĞü materiaáu ograniczoną z jednej strony jego powierzchnią zewnĊtrzną, z drugiej strony umowną powierzchnią wewnĊtrzną materiaáu, która okreĞla obszar oddziaáywania wymuszeĔ zewnĊtrznych, stanowiących przyczyny zuĪycia eksploatacyjnego[6].
Technologiczną warstwĊ wierzchnią definiuje siĊ natomiast jako przypowierzchniową strefĊ
materiaáu, w której za pomocą zabiegów lub procesów technologicznych w sposób Ğwiadomy modyfikowana jest struktura w taki sposób, aby przeciwdziaáaü niekorzystnym zjawiskom, które mogą wystĊpowaü w eksploatacyjnej warstwie wierzchniej[6].
KaĪdy materiaá posiada specyficzne wáaĞciwoĞci charakterystyczne dla swojej grupy. Tworzywa ceramiczne są materiaáami twardymi, ale jednoczeĞnie kruchymi. Wszystkie cechy materiaáowe w powáokach ceramicznych moĪna podzieliü na korzystne i niekorzystne wáaĞciwoĞci materiaáu.
Z punktu widzenia zastosowaĔ w silnikach spalinowych (i nie tylko) korzystne wáaĞciwoĞci
powáok ceramicznych to:
- duĪa twardoĞü
- maáa gĊstoĞü
- odpornoĞü na Ğciskanie
- odpornoĞü na wysokie temperatur
- izolacja termiczna
- niewraĪliwoĞü na dziaáanie Ğrodowiska zewnĊtrznego (np. korozyjnego)
Natomiast niekorzystne cechy materiaáów ceramicznych to:
- kruchoĞü
- niska plastycznoĞü
- wraĪliwoĞü na szoki termiczne
- skomplikowane procesy technologiczne
W przypadku stosowania powáok ceramicznych w silnikach spalinowych podstawowym problemem ograniczającym trwaáoĞü powáoki jest maáa odpornoĞü na zmĊczenie cieplne.
2. Eksploatacja warstwy wierzchniej
W procesie eksploatacyjnym zuĪywanie warstw wierzchnich konstrukcji i czĊĞci maszyn w
wielu przypadkach przebiega bez zaistnienia klasycznego styku ciernego. ZuĪywana powierzchnia
poddawana jest niszczącemu dziaáaniu materiaáów eksploatacyjnych, produktów spalania, formowanych lub przetwarzanych tworzyw, korozyjnemu lub erozyjnemu oddziaáywaniu otoczenia.
Skuteczna ochrona czĊĞci maszyn które podlegają zuĪyciu erozyjnemu jest problemem trudnym do
rozwiązania. W wyniku dynamicznego uderzenia w powierzchniĊ przedmiotu strugi páynu
w warstwie wierzchniej mogą zachodziü poĞrednie i bezpoĞrednie procesy zuĪywania materiaáu[8]:
- bruzdowanie i umacnianie zgniotowe materiaáów plastycznych,
- mikroskrawanie twardymi cząstkami,
- pĊkanie i wykruszenie materiaáów kruchych w mikroobszarach,
- tworzenie adhezyjnych poáączeĔ cząstek z atakowaną powierzchnią i ich zrywanie,
- zuĪywanie o charakterze zmĊczeniowym,
- transport ciepáa do powierzchni, generowanie na niej dodatkowych impulsów cieplnych i
gradientów temperatury,
- oddziaáywanie chemiczne i elektrochemiczne,
ZmĊczenie cieplne z reguáy pojawia siĊ po wzglĊdnie niewielkiej liczbie cykli obciąĪenia. Nowoczesne matryce do kucia i prasowania na gorąco mogą wytworzyü co najwyĪej kilkanaĞcie tysiĊcy
odkuwek, zaĞ iloĞü cykli obciąĪenia cieplnego elementów silnika spalinowego do zmĊczeniowego
390
The Durability of Ceramic Coatings Under Combustion Engine Conditions
uszkodzenia ich powierzchni nie przekracza kilkudziesiĊciu tysiĊcy i jest mierzona iloĞcią jego
uruchomieĔ a nastĊpnie wystudzeĔ[9]. Dlatego teĪ prowadzone są prace badawcze nad zastosowaniem metod inĪynierii powierzchni do wytwarzania warstw powierzchniowych, uodparniających
Īaroodporne stale konstrukcyjne i stale narzĊdziowe do pracy na gorąco przed pĊkaniem w warunkach cyklicznych obciąĪeĔ cieplnych. Prace badawcze prowadzone są w nastĊpujących kierunkach:
- izolacji cieplnej elementów poprzez wytworzenie na ich powierzchni ceramicznych powáok o niskim wspóáczynniku przewodnictwa cieplnego,
- utrudnienie oraz opóĨnienie zarodkowania i pĊkniĊü zmĊczeniowych poprzez wytworzenie
jednostrefowych warstw azotowanych o wysokiej wytrzymaáoĞci,
- jednoczesnego oddziaáywania w obu ww. kierunkach poprzez wytworzenie warstw typu
„duplex” skáadających siĊ z cienkiej powáoki ceramicznej na podáoĪu uprzednio azotowanym,
WyĪej wymienione warstwy i powáoki, oprócz poprawy odpornoĞci na zmĊczenie cieplne powinny speániaü warunek dobrej adhezji czyli przylegania do podáoĪa oraz wykazywaü odpornoĞü
na inne postacie zuĪywania, moĪliwe do zaistnienia w warunkach eksploatacji tj. erozjĊ, kawitacjĊ,
zuĪycie adhezyjne i Ğcierne.
Powstawanie pĊkniĊü na powáokach wystĊpuje z dwóch zasadniczych powodów:
- róĪnicy temperatur miĊdzy krzepnącą cząstką powáoki a metalem
- róĪnicy we wspóáczynnikach rozszerzalnoĞci cieplnej powáoki i podáoĪa
Maáa wytrzymaáoĞü zmĊczeniowa elementu pokrytego powáoką ceramiczną zaleĪy przede wszystkim od wáasnoĞci i gruboĞci pokrycia. ħródáem naprĊĪeĔ jest takĪe dyfuzja, zachodzące reakcje
chemiczne oraz procesy starzenia
3. Metody nanoszenia powáok ceramicznych
-
Natryskiwanie plazmowe
Metodą natryskiwania plazmowego polega na wstrzeliwaniu proszku ceramicznego w strumieĔ
plazmy za pomocą gazu transportującego. W strumieniu plazmy cząstki proszku ceramicznego są
roztapiane i rozpĊdzane do prĊdkoĞci 30 m/s. Roztopione i rozpĊdzone ziarna proszku uderzają w
podáoĪe ulegając przy tym deformacji, w wyniku czego klinują siĊ na chropowatoĞciach powierzchni i po zakrzepniĊciu tworzą powáokĊ.
Powáoki tak otrzymane wykazują wiĊkszą przyczepnoĞü do stalowego podáoĪa, są bardziej
spójne wewnĊtrznie. Cenną zaletą tej metody jest moĪliwoĞü regulowania porowatoĞci powáok w
doĞü szerokim zakresie za pomocą parametrów natryskiwania.
Metoda natryskiwania plazmowego umoĪliwia nanoszenie dowolnego materiaáu, pod warunkiem,
Īe przed roztopieniem nie bĊdzie on odparowywaá ani dysocjowaá. Natryskiwanymi materiaáami
mogą byü metale, ich stopy, tlenki, borki, wĊgliki i cermetale wyáącznie w postaci proszków. DuĪym problemem w rozpowszechnianiu tej metody jest wysoki koszt urządzeĔ do natryskiwania i
proszkowych materiaáów ceramicznych.
-
Metoda detonacyjna
Jest to nowoczesna metoda cieplnego natryskiwania materiaáów proszkowych, w których energia cieplna niezbĊdna do podgrzania ziaren proszku i energia kinetyczna dla ich dynamicznego
skierowania do powierzchni natryskiwanej uzyskiwane są w efekcie wybuchu i dziaáania fali uderzeniowej. Opracowano i zastosowano w praktyce kilka metod impulsowego – wysokoenergetycznego nanoszenia powáok[1]:
391
K. Topolska, W. Walkowiak
-
metodĊ elektryczno – wybuchową, w której do materiaáu napylanego w postaci przewodnika elektrycznego o maáym przekroju dostarczany jest duĪy gwaátowny impuls elektryczny.
W efekcie jego dziaáania materiaá ulega odparowaniu, a jego pary zostają przyspieszone w
kierunku powierzchni natryskiwanej nawet do prĊdkoĞci 800 m/s,
- metodĊ kompresowo – wybuchową w której stosując klasyczne materiaáy wybuchowe i
wykorzystując kumulacji fali uderzeniowej, moĪliwe jest osiągniĊcie ekstremalnie wysokich prĊdkoĞci proszków nanoszonych poprzez fale – nawet do 60000 m/s,
- metodĊ gazodetonacyjną, polegającą na maksymalnie szybkim spalaniu mieszaniny gazów
palnych i utleniających w efekcie czego w pobliĪu powierzchni natryskiwanych wytworzone zostają bardzo wysokie ciĞnienia – rzĊdu gigapaskali.
Powáoki wytworzone ww. metodami cechują unikatowe wáaĞciwoĞci fizyczne i uĪytkowe zarówno
w sprzĊĪeniu z pokrywanym podáoĪem, poprzez warstwĊ przejĞciową i w samej strukturze warstw.
Dotychczas zastosowanie metody detonacyjnej w nanoszeniu warstw natryskiwanych obejmowaáo
nastĊpujące zadania techniczne:
- podwyĪszenie odpornoĞci elementów maszyn na zuĪycie erozyjno – Ğcierne,
- podwyĪszenie odpornoĞci powlekanych materiaáów na korozjĊ w oĞrodkach agresywnych,
- wytwarzanie warstw kompozytowych lub miĊdzywarstw o specjalnych wáaĞciwoĞciach fizycznych,
- wytwarzanie powáok szkieá metalicznych i struktur nanokrystalicznych,
Powáoka ta w odróĪnieniu od tradycyjnych metod natryskiwania cieplnego oferuje szersze moĪliwoĞci ksztaátowania struktury i wáaĞciwoĞci technologiczne warstwy wierzchniej. Jedynym ograniczeniem zakresu aplikacji jest wysoki koszt urządzeĔ, koniecznoĞü podejmowania szczególnie
ostrych Ğrodków bezpieczeĔstwa przy ich obsáudze oraz bardzo duĪy haáas, który siĊga do 140 dB.
-
Metoda RVS®Technology
W ostatnim czasie pojawiáa siĊ metoda RVS®Technology, która stanowi innowacyjną formuáĊ
metaloceramicznego powlekania metalowych powierzchni oraz regeneracji powierzchni zuĪytych
(starcia i zuĪycia silników, przekáadni, áoĪysk i innych ruchomych systemów mechanicznych powodowany jest tarciem metalicznych powierzchni). Technologia RVS ® n i e bazuje na tworzeniu
filmu olejowego i n i e jest dodatkiem do oleju
Technologia RVS® polega na modyfikowaniu struktury powierzchni ocierających siĊ czĊĞci
metalowych i tworzeniu n o w e j , bardzo gáadkiej metaloceramicznej struktury powierzchni. Aktywne komponenty technologii RVS® skáadają siĊ z naturalnych mineraáów – gáównie silikatu
magnezu oraz katalizatorów. Przy uĪyciu produkt RVS ® dodaje siĊ do oryginalnego oleju i poprzez niego dostaje siĊ on do powierzchni pracujących czĊĞci, gdzie zachodzi stopniowo reakcja
modyfikacji starych struktur powierzchniowych nową metaloceramiczną powáoką.
Przyrost powáoki metaloceramicznej moĪe wynieĞü od niewielu mikronów do jednego milimetra. Proces koĔczy siĊ automatycznie z chwilą, gdy powstaną powierzchnie metaloceramika – metaloceramika. Kontakt powierzchni metal – metal zostaje zastąpiony kontaktem powierzchni metaloceramika – metaloceramika. Związek pomiĊdzy pierwotną powierzchnią metalową i nową powáoką metaloceramiczną jest mocniejszy i trwalszy od powáok chromowych i niklowych. Poprzez
reakcjĊ chemiczną z powierzchni metalowej zostaje wyeliminowany wodór, co zapobiega tworzeniu siĊ nadĪerek wodorowych. Nowa powierzchnia ma identyczny wspóáczynnik rozszerzalnoĞci
termicznej jak stal, jakiekolwiek odpryski od pierwotnej powierzchni nie są moĪliwe, niezaleĪnie
od wysokich czy niskich temperatur.
Zalety technologii RVS®:
- Znaczne zredukowanie siá tarcia, wibracji i haáasu przy pracy silników i urządzeĔ
- Reperacja/rewitalizacja powierzchni metalowych silników i urządzeĔ w trakcie eksploatacji
392
The Durability of Ceramic Coatings Under Combustion Engine Conditions
-
-
Ponowne uzyskanie geometrii powierzchni do stanu nowoĞci wspóápracujących czĊĞci metalowych
Skrócenie procesu dotarcia w nowych urządzeniach i silnikach
Znaczne wydáuĪenie okresu ĪywotnoĞci mechanizmów i urządzeĔ
OszczĊdnoĞü kosztów poprzez:
- skrócenie okresów postojowych
- redukcjĊ napraw
- wydáuĪenie okresów konserwacyjnych
Wzrost stopnia skutecznoĞci systemowej urządzeĔ i silników
OszczĊdnoĞü zuĪycia energii i/lub paliw nawet do 30%
Oczyszczenie ze spieczonych powáok i powleczenie na nowo pracujących powierzchni w cylindrach silników spalinowych i dziĊki temu zapobieganie ich zuĪyciu oraz redukcja zuĪycia
oleju
WáaĞciwoĞci awaryjnej pracy przez pewien okres w przypadku totalnej utraty oleju silnikowego
Ponadto nie do przecenienia w káad w ochronĊ Ğrodowiska dziĊki
- redukcji emisji CO2, HC i NOx
- mniejszemu zuĪyciu zasobów energii, paliwa oleju i smarów
4. Metody badaĔ powáok ceramicznych
Metody badania wáaĞciwoĞci uĪytkowych powáok ceramicznych są obszerne i czĊsto bardzo
specyficzne dla kaĪdego obszaru zastosowaĔ. Do nich naleĪą:[5]
- techniki okreĞlenia skáadu chemicznego – okreĞlenie skáadu chemicznego dokonywane metodą mikroanalizy rentgenowskiej. Analiza charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego moĪe byü realizowana dwoma technikami: metodą EDX (analiza energetyczna
widma emitowanego promieniowania rentgenowskiego) oraz metodą WDX (analiza emitowanego widma emitowania pod wzglĊdem dáugoĞci fali).
- techniki obserwacji geometrii powierzchni – na jej podstawie moĪemy okreĞliü wielkoĞü,
ksztaát i wzajemnie uáoĪenie krystalitów tworzących powáokĊ. MoĪemy równieĪ stwierdziü
jej wewnĊtrzną spójnoĞü lub porowatoĞü, a takĪe oceniü chropowatoĞü i profil geometryczny powierzchni.
- techniki badania struktury powáok – dostarczają one informacji o przebiegu procesu technologicznego oraz o zjawiskach zachodzących podczas eksploatacji. W badaniach tych napotykamy na szereg trudnoĞci z uwagi na niewielką gruboĞü obiektu, co w wielu przypadkach wyklucza uĪycie metod dyfrakcyjnych. Mimo niewielkiego zakresu moĪliwoĞci wykorzystania tych technik stanowią one jednak czĊsto szybkie Ĩródáo informacji o przeprowadzonym procesie technologicznym i o jakoĞci wytworzonej warstwy. Przy cieĔszych
powáokach oraz w przypadku ich wielofazowych kompozycji strukturalnych interpretacja
dyfraktogramów jest niezwykle trudna, gdyĪ nakáadają siĊ refleksy pochodzące od róĪnych
faz.
- wyznaczanie wáaĞciwoĞci mechanicznych powáok – dotyczą one najczĊĞciej wyznaczania
twardoĞci oraz adhezji do podáoĪa jako dwóch podstawowych cech determinujący ich jakoĞü w rzeczywistych warunkach eksploatacji. Pomiary twardoĞci powáok o gruboĞci kilku
mikrometrów moĪna dokonywaü jako tradycyjne pomiary mikrotwardoĞci przy niewielkich obciąĪeniach. Dla powáok i cienkich warstw o gruboĞci poniĪej jednego mikrometra
wykonuje siĊ pomiary nanotwardoĞci przy wykorzystaniu precyzyjnych przyrządów pomiarowych (nanotwardoĞciomierzy). Uniwersalnym sposobem oceny adhezji powáoki do
podáoĪa jest metoda zarysowania powierzchni kulką diamentową, która podczas próby pomiaru przesuwana jest po powierzchni ze staáą prĊdkoĞci i liniowo narastającym obciąĪe393
K. Topolska, W. Walkowiak
Fizyczne
Chemiczne
WáaĞciwoĞci
Mechaniczne
niem. Miarą adhezji jest wielkoĞü krytycznego obciąĪenia normalnego przy którym powáoka ulega odspojeniu od powierzchni (wykruszeniu).
5. WáaĞciwoĞci ceramicznych materiaáów technicznych
- Podstawowe wáaĞciwoĞci tworzyw ceramicznych
-
moduá sprĊĪystoĞci
wytrzymaáoĞü na rozciąganie
wytrzymaáoĞü na Ğciskanie
wytrzymaáoĞü na zginanie
wytrzymaáoĞü na pĊkanie
udarnoĞü
wytrzymaáoĞü na peázanie
odpornoĞü na udary cieplne
twardoĞü
kruchoĞü
ĞcieralnoĞü
gĊstoĞü
gĊstoĞü pozorna
gĊstoĞü nasypowa
sypkoĞü
kapilarnoĞü
porowatoĞü
szczelnoĞü
przepuszczalnoĞü pary wodnej
wilgotnoĞü
nasiąkliwoĞü
ogniotrwaáoĞü
mrozoodpornoĞü
rozszerzalnoĞü cieplna
przewodnoĞü cieplna wáaĞciwa
rozmiar ziaren
odpornoĞü na utlenianie
odpornoĞü na silne kwasy
odpornoĞü na roztwory zasadowe
odpornoĞü na roztwory organiczne
PowyĪsze wáaĞciwoĞci stanowią podstawĊ informacyjną o przydatnoĞci materiaáów ceramicznych.
NajwaĪniejszymi wáaĞciwoĞciami, które wpáywają na trwaáoĞü powáoki ceramicznej stosowanej na elementach silnika spalinowego jest wytrzymaáoĞü cieplna i wytrzymaáoĞü na szoki termiczne (wá. mechaniczne), wskaĨnik kruchoĞci (wá. mechaniczne), gĊstoĞü i porowatoĞü (wá.
fizyczne), odpornoĞü na utlenianie (wá. chemiczne) – poniĪej scharakteryzowano kilka wáaĞciwoĞci materiaáów ceramicznych.
- wytrzymaáoĞü cieplna i szoki termiczne
394
The Durability of Ceramic Coatings Under Combustion Engine Conditions
Materiaáy ceramiczne rozszerzają siĊ wraz ze wzrostem temperatury. Spowodowane jest to
zmianą Ğrednich miĊdzyatomowych przestrzeni, co jest rezultatem termicznego ruchu atomów.
Tab. 1. WartoĞci ciepáa wáaĞciwego dla wybranych materiaáów ceramicznych
Tab 1. Specific heat values for selected ceramic materials
Ciepáo wáaĞciwe [Jg-1] w temperaturach
Materiaá
250C
500C
1000C
10000C
Al2O3
0,54
0,78
0,92
1,25
MgO
0,74
0,94
0,01
1,28
ZrO2(niestabiliz.)
0,38
0,45
0,51
0,64
ThO2
0,20
0,23
0,25
0,30
Si3N4
-
0,68
0,80
1,30
SiC
0,48
0,67
0,84
1,26
B4C
-
0,95
1,13
2,21
Tab. 2. WartoĞci krytycznej róĪnicy temperatury powodującej szok termiczny
Tab. 2. Critical temperature differences values causing thermal shock
Materiaá
'Tmax[0C]
Al2O3
90-190
ZrO2
70
MgO
40-100
B4C
110-260
SiC
125-500
Si3N4
400-500
Kompozyt ziarnisty 85% Al2O3 15% ZrO2
800-1000
Przez pojĊcie wstrząsu cieplnego rozumie siĊ naprĊĪenie cieplne, które pojawia siĊ w czĊĞci ceramicznej w nastĊpstwie poddania jej oddziaáywaniu róĪnic temperatur miĊdzy powierzchnią i wnĊtrzem materiaáu albo miĊdzy róĪnymi obszarami czĊĞci maszyn.
Przy doborze materiaáów pracujących w warunkach nieustalonego przepáywu ciepáa moĪna kierowaü siĊ zasadą, Īe materiaáy posiadające niski wspóáczynnik rozszerzalnoĞci termicznej, wysoką
odpornoĞü na kruche pĊkanie i wysoką przewodnoĞü cieplną są odporniejsze na szok termiczny.
-gĊstoĞü i porowatoĞü
GĊstoĞü materiaáów ceramicznych jest zaleĪna od rodzaju wystĊpujących w nich faz krystalicznych. Materiaáy uzyskane na bazie metali ciĊĪkich mają gĊstoĞü do 12 g/cm3, zaĞ dla materiaáów ceramicznych konstrukcyjnych wynosi ona poniĪej 4 g/cm3.
Natomiast porowatoĞü materiaáów ceramicznych rozumie siĊ jako stosunek objĊtoĞci porów do
caákowitej objĊtoĞci ciaáa i w przypadku materiaáów ceramicznych porowatoĞü jest nieunikniona i
wynika ona ze specyfikacji wytwarzania.
- ciągáoĞü i wskaĨnik kruchoĞci
395
K. Topolska, W. Walkowiak
Porównując materiaáy ceramiczne z metalami naleĪy podkreĞliü, Īe niepoĪądaną cechą charakterystyczną jest kruchoĞü lub maáa zdolnoĞü tolerowania odksztaáceĔ. TakĪe bardzo maáa jest
odpornoĞü na kruche pĊkniĊcia materiaáów ceramicznych w porównaniu z odpornoĞcią metali.
PodáoĪe metalowe i naáoĪona na nie warstwa ceramiczna róĪnią siĊ wáaĞciwoĞciami mechanicznymi i fizycznymi, powoduje to chwilowe lub staáe naprĊĪenia w warstwie. Jest to bardzo niepoĪądane zjawisko, gdyĪ prowadzi do zniszczenia naniesionej warstwy w wyniku nagáych zmian
temperatury. W celu zapobiegania temu zjawisku tzn. skutecznego obniĪenia wartoĞci naprĊĪeĔ
stosuje siĊ warstwĊ poĞrednią, a jej dobór nie moĪe byü przypadkowy. Zastosowanie warstwy z
materiaáu o dobrej przyczepnoĞci wpáywa na zwiĊkszenie trwaáoĞci warstwy wierzchniej z materiaáu ceramicznego.
- odpornoĞü na utlenianie
Pokrywanie metali powáokami ceramicznymi zabezpiecza je przed utlenianiem, co ma duĪe
znaczenie podczas pracy elementów w wysokich temperaturach. Materiaáy ceramiczne posiadają
równieĪ najwyĪszy wskaĨnik odpornoĞci na korozjĊ.
6. Podsumowanie
Materiaáy ceramiczne i metale stanowią dwie grupy materiaáów, róĪniące siĊ od siebie tym,
Īe kaĪda z nich ma odmienne wáaĞciwoĞci, gáównie mechaniczne i fizyczne. Ze wzglĊdu na ogólną
dostĊpnoĞü i dające siĊ przewidzieü wáasnoĞci metali ich zastosowanie jest jeszcze zdecydowanie
powszechniejsze.
Materiaáy ceramiczne od metali wyróĪnia równieĪ ich zmiennoĞü wáaĞciwoĞci. ZmiennoĞü ta wynika przede wszystkim z róĪnic w metodach wytwarzania. Materiaáy ceramiczne nie są na ogóá
wytwarzane za pomocą topienia, lecz przez zagĊszczanie i spiekanie proszku, a co za tym idzie
jest wiĊksze zagroĪenie brakiem jednorodnoĞci zarówno w odniesieniu do skáadu chemicznego jak
i mikrostruktury. Defekty wywoáane procesem technologicznym przyczyniają siĊ do znacznych
wahaĔ wáaĞciwoĞci materiaáu ceramicznego. Konstruowanie wyrobu na podstawie jednoznacznych
wartoĞci nie jest moĪliwe i wymaga takiego poznania zmiennoĞci wáasnoĞci wyrobu ceramicznego, aby moĪna byáo zapewniü odpowiedni poziom jego trwaáoĞci, a tym samym niezawodnoĞci
eksploatacyjnej.
Literatura
[1] Babul, T., Babul, W., Mechanizm formowania stref poáączenia powáok nanoszonych detonacyjnie w funkcji prĊdkoĞci zderzenia cząstek z podáoĪem. MAT. I Ogólnopolskiej Konferencji
Naukowej nt. Nowoczesne Technologie InĪynierii Powierzchni. àódĨ – Spaáa. 1994. 319-322.
[2] Babul, W., Janecki, J., Badanie na zuĪycie wybranych powáok natryskiwanych detonacyjnie.
InĪynieria Materiaáowa. 5. 1999. 444-446.
[3] HaĞ, Z., Kula, P., àojko, W., Habrajski, T., Kaska, J., Sadáowski, A., Zastosowanie technologii azotonasiarczania gazowego w podzespoáach pojazdów. Materiaáy I Konferencji Naukowej nt. Nowoczesne Technologie w InĪynierii Powierzchni. àódĨ – Spaáa. 1994. 33-37.
[4] Hebda, M. Wybrane metody eksperymentalnej analizy naprĊĪeĔ wáasnych w warstwie
wierzchniej. Rozprawa habilitacyjna WAT. Warszawa. 1966.
[5] Jurczyk, M. Jakubowicz, J., Nanomatriaáy ceramiczne WPP. PoznaĔ 2004.
[6] KocaĔda, S., ZmĊczeniowe niszczenie metali. WNT. Warszawa. 1978.
[7] Kula, P., InĪynieria warstwy wierzchniej. Monografie. Wydawnictwo Politechniki àódzkiej.
àódĨ 2000.
396
The Durability of Ceramic Coatings Under Combustion Engine Conditions
[8] Mazurkiewicz, A., Model rozproszonego powstawania wiedzy w obszarze nauki o eksploatacji. Zagadnienia Eksploatacji Maszyn. 3. 1998. 419-428.
[9] NiezgodziĔski, M. E., NiezgodziĔski T., Obliczenia zmĊczeniowe elementów maszyn. PWN.
Warszawa. 1973.
[10] WeroĔski, A., ZmĊczenie cieplne metali. WNT. Warszawa. 1983.
[11] Norma PN\EN-45 001, Ogólne kryteria dziaáania laboratoriów badawczych.
[12] Norma PN- ISO 2639, Stal. OkreĞlenie umownej gruboĞci warstwy nawĊglanej i zahartowanej.
[13] Norma PN- ISO 4970, Stal. OkreĞlenie caákowitej i rzeczywistej gruboĞci cienkich warstw
utwardzonych.
397