Alumínium-oxid műszaki kerámiák mázazására tett kísérletek néhány eredménye

1. Alumínium-oxid műszaki kerámiák mázazására tett kísérletek néhány eredménye

3. Some results of alumina technical ceramics glazing experiments

5. Puskás Nikoletta, GÖMZE A. László

7. Miskolci Egyetem, Kerámia- és Szilikátmérnöki Tanszék, Miskolc-Egyetemváros

9. In our days one of the most important questions of the development of high-tech ceramic items is how to develop the smoothness and quality of their surfaces, as the burnishing and polishing processes and technologies of these hard ceramic materials are too expensive. The wide range of experiments and investigations made at the laboratory of Department of Ceramics and Silicates Engineering at University of Miskolc show that different glazes considerably influence on smoothness and changing the mechanical, and the optical properties of surfaces of Al2O3 technical ceramic items.

10. As a result of the researches there are glazes which have much higher cohesion strength and higher melting temperature than usual, what near to the opportunity of the firing together with the substrate.

12. Napjainkban a műszaki kerámiák felületi simaságának és minőségének fejlesztése lényeges kérdés, mivel ezeknek a termékeknek a polírozása meglehetősen drága. A Miskolci Egyetem Kerámia- és Szilikátmérnöki Tanszékének Laboratóriumában számos kísérletet és vizsgálatot végeztünk, melyek eredményei azt mutatják, hogy a különböző típusú mázak jelentős mértékben befolyásolják, javítják a felületi minőséget, annak tulajdonságait az alumínium-oxid műszaki kerámiák esetében.

13. A kutató-fejlesztő tevékenység eredményeként sikerült kifejleszteni a szokásosnál lényegesen nagyobb tapadószilárdságú, és magasabb olvadáspontú mázakat, ezzel megközelítve az alapkerámiával történő együttégethetőség lehetőségét.

15. Kulcsszavak: alumínium-oxid, műszaki kerámia, mázazás

17. 1. bevezetés

19. Kísérleteink során különbözőképpen előállított alumínium-oxid alapkerámiákon /szubsztrátumokon/ többféle kerámia máz alapanyagból próbáltunk olyan bevonatot létrehozni, amely az elvárásoknak megfelel. Természetesen voltak olyan kísérletek is, amelyek nem hozták a várt eredményeket, hiszen sem a nyers, sem a tömörre égetett alumínium-oxid műszaki kerámiák mázazása nem olyan könnyű feladat, mint a porózus porcelán termékek mázazása.

20. Az alumínium-oxid műszaki kerámia termékek mázazásánál a nehézséget az okozza, hogy ha a már kiégetett, kellő szilárdságú alapkerámiát próbáljuk mázazni, akkor annak tömörsége miatt a máz olvadék állapotában nem tud bediffundálni az alapkerámiába, ezáltal nem képes átmeneti réteg kialakítására. A nyersen vagy zsengélő égetés után történő mázazás pedig azért okoz gondot, mert az alapkerámia szilárdságának eléréséhez 1650°C körüli égetés szükséges, amihez olyan máz alapanyagot kell kiválasztani, amely ezen a hőmérsékleten égethető, nem forr még fel.

21. Tanszéki kísérleteink során tehát magas égetési hőmérsékletű máz alapanyag létrehozását próbáltuk megvalósítani, melyhez kezdetben hagyományos porcelán mázakat is vizsgáltunk. Ezt követően kísérletet tettünk arra, hogy egy, az iparban már használatos porcelán máz alapanyagból, műszaki kerámia alapanyag hozzáadásával olyan mázat fejlesszünk ki, amely eleget tehet a különleges mechanikai és termikus elvárásoknak.

26. Porsajtolással állítottunk elő különböző nyomásokkal alapkerámiákat, 1640°C-on kiégettük és ezeket próbáltuk különböző sűrűségű máz alapanyaggal mázazni és különböző égetési hőmérsékleten a mázzal égetni, ezáltal kialakítva a különböző minőségű bevonatokat. A különböző típusú máziszapot mártással és szórással vittük fel az alapkerámiákra. Többféle alakú alapkerámiát is készítettünk az elvégzendő vizsgálatok könnyebb kivitelezése érdekében. A próbadarabok fényképét a MELLÉKLET 1. ábrája tartalmazza.

27. A vizsgálatok eredményeit egybevetve a jobbnak bizonyult máz esetében a tapadószilárdság jellemzésére használt karcvizsgálattal adódott kritikus nyomóerő értéke maximálisan 96 N volt, a mikrokeménység értéke pedig 673 HVM [1].

28. Ezek az értékek a mázas porcelán termékek értékéhez hasonlóak ugyan, de az égetési hőmérséklet alacsony az alumínium-oxid égetési hőmérsékletéhez képest, ezért nem tudtunk megelégedni ezeknek a bevonatoknak a tulajdonságaival.

30. Öntési technológiával előállított alumínium-oxid korongok, különböző típusú mázakkal történő mázazására tettünk kísérletet. Az edény és szaniter mázakat különböző sűrűségű szuszpenzióként vittük a felületre. A sűrűbb szuszpenziók vastag, mázugrásos bevonatot képeztek, míg a hígabbak nem fedték tökéletesen a felületet. A közepes sűrűség esetében azonban sikerült sima bevonatot is kialakítani [2]. A próbadarabok fényképét a MELLÉKLET 2. ábrája mutatja be. A máz olvadási hőmérséklete azonban itt sem volt elegendő.

31. Másik kísérletsorozattal próbáltuk a máz olvadásának hőmérsékletét emelni, melyhez szintén öntési technológiával előállított alumínium-oxid lapkákat mázaztunk magas alumínium-oxid tartalmú mázakkal, ahol az alap mázhoz különböző őrlési idővel aprított alumínium-oxidot adtunk. Ebben a kísérlet sorozatban elemeztük azt is, hogy a nyers, „zsengélt” és égetett alapkerámiákon miként valósítható meg a mázazás. A nyers és zsengélt alapkerámiákat nehezen lehetett mázazni, nagyon vastag rétegben tapadt meg a máz szuszpenzió az alapkerámián, emiatt mázugrásos hiba is kialakult. Az égetett alapkerámiák könnyebben kezelhetőek voltak ezért ezek mázazása egyszerűbb volt. Égetés során valószínűleg az összetételnek megfelelően alacsony volt az égetési hőmérséklet és nem tudott a máz alapanyag megfelelő, fényes máz bevonattá olvadni [3]. Egy próbadarab fényképét a MELLÉKLET 3. ábrája tartalmazza.

33. Az alapkerámia alapanyagának EDS analízissel meghatározott [4] oxigén nélküli összetételét az 1. táblázat tartalmazza, az alkotó oxidokat elemként feltüntetve.

35. A kísérlethez egy az iparban is használt kerámia mázösszetételt választottunk és ehhez adagoltuk egy szintén az iparban már használatos műszaki kerámia alapanyagát, 0, 5, 10, …, 30%-ban. Az anyagok EDS analízissel meghatározott összetételét a 2 táblázat tartalmazza, az alkotó oxidokat elemként feltüntetve.

36. Az alapkerámiák ebben az esetben is porsajtolással készültek. Ezekre a szubsztrátumokra mártással került fel a máz szuszpenzió. Az 1320 °C-on kiégetett próbatestek fényképe látható a MELLÉKLET 4. ábráján. A fehér bevonat nem tartalmaz hozzáadott anyagot (0 %) és jobbról balra haladva a képen látható a növekvő hozzáadott anyag tartalmú bevonat, így bal szélen a 30 % hozzáadott anyag tartalom „lila” színnel.

37. A hevítőmikroszkópos vizsgálatokkal jellemezhető a máz olvadási tulajdonsága [5].

38. Ahhoz, hogy a mázbevonat előállítása során az alapkerámiához megfelelő – hozzá illő – mázanyagot használjunk, szükséges a mázazás során létrejövő határfelületi jelenségek ismerete [6], így az is, hogy a máz anyaga hogyan nedvesíti az alapkerámia felületét. A nedvesítési szög meghatározásához megfelelő eljárás a nyugvócsepp módszer.

39. A hevítőmikroszkópos nyugvócsepp módszer lényege [7, 8] szerint a szobahőmérsékleten a nedvesítendő kerámialapkára helyezett próbatestet – esetemben mázanyagot – a kemencetérben, argon atmoszférában, ellenőrzött hőmérsékleten, kb. 20 °C/perc fűtési sebességgel megolvasztjuk. Így eljárva végeztem el a különböző összetételű mázak hevítőmikroszkópos vizsgálatát, hogy megismerjem olvadási és nedvesítési tulajdonságaikat. A vizsgálati eredményeket a MELLÉKLET 5. ábrája szemlélteti.

40. Koptató vizsgálattal hasonlítottuk össze a különböző összetételű mázak kopásállóságát, SiC porral történő koptatással szembeni ellenállását.

41. A próbadarabok 2,5; 5; 10; perc koptatása után [9], a kopás a magasság- és a tömegváltozással jellemezhető. A mérési eredményeket a MELLÉKLET 6. ábrája szemlélteti.

43. A keménységet, mivel vékony bevonatról van szó mikrokeménység méréssel célszerű meghatározni. Így elkerülhető a mázak repedése, lepattanása a vizsgálati lenyomat szélei mentén [10, 11, 12, 13]. A vizsgálat 1 N terhelő erővel, 10 sec. terhelési idővel történt. A mérési eredményeket a MELLÉKLET 7. ábrája szemlélteti.

45. A [12, 13] szerint a karcvizsgálat egy olyan roncsolásos eljárás, mely alkalmas arra, hogy meghatározzuk azt a kritikus nyomóerőt, mely a máz felszínén károsodást okoz. A karcot egy karcfej hozza létre, mely egy Rockwell C keménységmérő gyémántkúp, melynek R=0,2 mm a lekerekítési sugara. Ez hatol a mázba folyamatosan növekvő terheléssel, a vizsgálandó nyomot kialakítva. A karcnyom létrehozásához a befogófejben rögzített próbatest egy meghatározott sebességgel mozdul el. A terhelőerő hatására a gyémántfej egyre mélyebbre hatol a mázba, mígnem a máz leválik az alapanyagról. A kritikus nyomóerő mért értékeinek minimális és maximális értékéhez tartozó karcvizsgálati diagramokat a MELLÉKLET 8. ábrája szemlélteti.

46. [1] Puskás Nikoletta: Máz és mázazási technológia fejlesztése műszaki kerámiákhoz, diplomamunka, tervezésvezető: Dr. Gömze A. László, Konzulensek: Kocserha István, Werner Tamás, Miskolc, 2003.

48. ábra

49. Sajtolt, mázazott próbatestek