Alumínium-oxid műszaki kerámiák mázazására tett kísérletek néhány eredménye

Some results of alumina technical ceramics glazing experiments

PUSKÁS Nikoletta, GÖMZE A. László

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

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.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.

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

Kulcsszavak: alumínium-oxid, műszaki kerámia, mázazás

1. BEVEZETÉS

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.

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.

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.

2. KEZDETI KÍSÉRLETEK

2.1. Sajtolással előállított alapkerámia mázazásaPorsajtolással 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.

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].

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.

2.2. Öntéssel előállított alapkerámia mázazásaÖntési 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.

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.

3. MÁZFEJLESZTÉS

3.1. AlapkerámiaAz alapkerámia alapanyagának EDS analízissel meghatározott [4] oxigén nélküli összetételét az

1. táblázat tartalmazza, az alkotó oxidokat elemként feltüntetve.

A műszaki kerámia szubsztrátumként használt atomizerpor összetétele 1. táblázat

elem m%

Mg 2

Al 78

Si 13,5

K 0,5

Ca 6

3.2. A máz alapanyagaiA 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.

A vizsgált alap máz és a hozzáadott anyag összetétele 2. táblázat

elem/m% alap máz1 hozzáadott anyag2

Mg 3 2

Al 15,5 78

Si 64 12

K 4,5 -

Ca 13 2

Ba - 5

Cr - 11: Porcelán edénymáz, 2: Extra kemény, kopásálló műszaki kerámia alapanyag

3.3. A próbatestekAz 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.

3.4. Vizsgálati eredmények3.4.1. Hevítőmikroszkópos vizsgálat

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

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.

3.4.2. Koptató vizsgálatKoptató vizsgálattal hasonlítottuk össze a különböző összetételű mázak kopásállóságát, SiC

porral történő koptatással szembeni ellenállását. 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.

3.4.3. Keménység mérésA 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.

3.4.4. KarcvizsgálatA [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.

4. ÖSSZEGZÉS

A kezdeti kísérletek során sikerült behatárolni az alumínium-oxid alapkerámiák mázazhatóságának lehetőségeit.

A fejlesztéssel, az általunk alkalmazott speciális adalék részarányának – koncentrációjának – növelésével sikerült a tapadószilárdságra jellemző kritikus nyomóerő értéket a hagyományos porcelánmázakra jellemző 63N-ról közel kétszeresére – 122N-ra növelni.

Az új máz mikrokeménysége mintegy 30-40%-al nagyobb a hagyományos porcelánmázak mikrokeménységénél.

A hagyományos porcelán mázakra jellemző 1250°C körüli lágyulási – olvadási - hőmérsékletéhez képest az általunk kifejlesztett műszaki kerámia máz olvadási hőmérsékletét sikerült 1300°C fölé emelni.

IRODALOM

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

[2] Nikoletta Puskás - Dr. László A. Gömze - Ildikó Lukács: APPLICATION OPPORTUNITIES OF DIFFERENT GLAZES TO AL2O3 TECHNICAL CERAMICS, microCAD 2005, Anyagtudomány és mechanikai technológiák Szekció kiadványa; Miskolc, 2005.

[3] Puskás Nikoletta – Dr. Gömze A. László: Magas Al2O3 tartalmú mázanyagok használhatóságának elemzése öntött Al2O3 lapoknál, PhD hallgatók anyagtudományi napja IV., Veszprém, 2004.

[4] Kovács Ernő István – Rigó Antal: Magas olvadáspontú és nagy mikrokeménységű mázak fejlesztése alumínium-oxid bázisú műszaki kerámiákhoz, TDK dolgozat, konzulensek: Dr. Gömze A. László, Puskás Nikoletta, Miskolc, 2005.

[5] Mustaq Ahmed – David A. Earl: Characterizing Glaze-Melting Behavior via HSM; American Ceramic Society Bulletin, Vol. 81, No 3, pp.47-51, 2002.

[6] Puskás Nikoletta: Határfelületi jelenségek kerámia- porcelán termékek mázazásakor, X. Fiatal Műszakiak Tudományos Ülésszaka, Kolozsvár, 2005. március 18-19.

[7] Báder E. – Bolyán L. – Kaptay Gy. – Báder I.: Határfelületi energiák vizsgálata kerámia-fémolvadék rendszerek korróziójának szempontjából; Korróziós figyelő; XXXIX. Évfolyam, 5. szám, 144-146. oldal, 1999.

[8] Báder Enikő – Kaptay György: Határfelületi energiák vizsgálata volfrám-karbid/réz-ón rendszerekben; Kohászat; 133. évfolyam 11. szám 431-435. oldal, 2000.

[9] Puskás Nikoletta: Mázfejlesztés alumínium-oxidból készült műszaki kerámiákhoz, Doktoranduszok Fóruma, Miskolc, 2005.

[10] Dr. Gömze A. László - Csányi Judit – Puskás Nikoletta: Porcelánmázak összehasonlító vizsgálata, Zárójelentés, Készült a Herendi Porcelánmanufaktúra Rt. Megbízásából, ME Miskolc, 2002.

[11] Puskás Nikoletta – Dr. Gömze A. László – Kocsisné Dr. Baán Mária – Csányi Judit: Porcelán mázvizsgálat, TDK dolgozat, Miskolc, 2002.

[12] Puskás Nikoletta: Kerámia- és porcelánmázak karcvizsgálata, Építőanyag, 55. évf. 2003. 2. szám 50-54 oldal

[13] Dr. Gömze A. László: A karcvizsgálat szerepe és jelentősége porcelán és kerámia mázak valamint mázazási technológiák fejlesztésénél, microCAD 2003, Anyagtechnológiai Szekció kiadványa; Miskolc, 2003.

MELLÉKLET

1. ábraSajtolt, mázazott próbatestek

2. ábraÖntött, mázazott próbatestek

3. ábraÖntött, magas alumínium-oxid tartalmú mázzal mázazott próbatestek

4. ábraExtra kemény, kopásálló műszaki kerámia alapanyag tartalmú mázzal mázazott próbatestek

5. ábra

A 0, 5 és 30 % hozzáadott anyag tartalmú mázak hevítőmikroszkópos felvételei 1300 °C-on

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

0 5 10 15 20 25 30

Hozzáadott anyag koncentrációja [%]

Kopo

tt tö

meg

[%]

6. ábra

10 perces koptatás utáni tömegváltozás a hozzáadott anyag koncentrációjának függvényében

0

100

200

300

400

500

600

700

0 5 10 15 20 25 30

Hozzáadott anyag koncentrációja [%]

Mik

roke

mén

ység

[HV

M]

7. ábra

Mikrokeménység értékek a hozzáadott anyag koncentrációjának függvényében

8. ábra

A 0 és 30 % hozzáadott anyag tartalmú máz karcvizsgálati diagramjai

0 2 4 6 8 10 120,000,050,100,150,200,250,300,350,400,450,50

Súr

lódá

si e

gyüt

that

ó

Karctû által megtett út [mm]

0 2 4 6 8 10 120

20

40

60

80

100

120F

n=122 N

Nyo

móe

rõ [N

]

Karctû által megtett út [mm]