Seramik Malzemeler

1- a) Seramik malzemeler için porozite(gözeneklik)-pişirme sıcaklığı diyagramında pişirme süresinin etkisini gösteriniz. Pişirme sıcaklık ve süresinin ekonomik ve diğer önemli etkilerinı açıklayınız.b)Beyaz pişen bünyelerde (kil-feldpat-silika) pişme sırasında meydana gelen olayları şekil ve yazı ile açıklayınız.

2-a)Kurutma hızına etki eden faktörleri şekil ve yazı ile açıklayınz.

b)Kurutma sırasında meydana gelen su gradyanını ve buna bağlı olarak ortaya çıkan sorunları açıklayınız.

3-a)Beyaz pişen bünyelerin bileşimlerini  kil-feldpat-silika diyagramı üzerindeki yerlerini çok yaklaşık olarak gösterip bu seramiklerde feldspat oranının ve pişirme sıcaklığının etkisini açıklayınız. b) Seramik malzeme türlerinden fayans(duvar karosu), yer karosu, porselen, seramik kesici takımı  açıklayınız.

4-a)Si-O (silisyum-oksijen) dörtyüzlüsünü çiziniz. Saf silka(SiO₂) cam ve kristal kuvars yapılarını şematik

olarak gösteriniz,   +1, +2, +3 +4  değerlikli elementlerle nasıl bileşik oluşturduğunu başka bir deyişle camsı yapıların  nasıl oluştuğunu açıklayınız. b)seramik malzemelerin kimyasal yönden metallere göre neden daha kararlı olduğunu açıklayınız.

Başarılar        

1-a)

                                                                                                                                                                                    

                                                                                                                                                                                    

                                                                                                                                                                                   

105

Porozite %

                                                                                                                                                                                    

                                                                                                                                                                                    

                                                                                                                                                                                   

                                                                                                                                                                                    

                                                                                                                                                                                    

                                                                                                                                                                                   

                                                                                                                                                                                   

                                                                                                                                                                                    

101

                                                                                                                                                                                    

                                                                                                                                                                                   

                                                                                                                                                                                    

                                                                                                                                                                                    

Pişirme  sıcaklığı

                                                                                                                                                                                   

                                                                                                                                                                           

Pişme eğrileri pişme yerleri şekilde verilmiştir. Aynı oranda gözenek içeren numune üretmek istiyoruz. Soldan sağa 10^x    şeklinde artmaktadır. Pişirme sıcaklığının yaklaşık 13⁰   C    arttırılması durumunda pişirme süresi yaklaşık 10 da birine düşmektedir. Pişirme sıcaklığının yükseltilmesi pişirme  süresini kısaltmaktadır. Bu süre kısalması birebir olmamakla beraber  maliyetleri de azaltmaktadır.   

b) Pişirme sırasında kil tanesinde kristallenmeler meydana gelmektedir. Ana yapı silika olmak üzere mullit iğnesel yapısı oluşur. Taneler arasında cam faz meydana gelir. Cam faz oranı ne kadar fazla olursa mukavemet  o kadar fazla olur. Ancak kristal-cam uyumsuzluğu dikkate alınmalıdır.                                                                                                                                                                               

                                                                                                                                                                                  

  2-- Kurutma Hızını Etki Eden Faktörler

Su Viskozitesinin Etkisi

Rutubetli bir kütle kurutulurken , yüzeyden uzaklaşan suyun yerine iç kısımdan su girer.Eğer suyun akıcılığı iyi değilse iç dış arasında su farkı oluşur , suyun akıcılığı iyiyse su farkı az oluşur. Gradyantın az olması istenir.

Viskozite-sıcaklık grafiği

Şekilde su viskozitesinin sıcaklığa bağlı nasıl değiştiği görülmektedir.Suyun akıcılığı sıcaklığa bağlı artarken seramik bünyelerde gradyant azalır.Bu işlem dikkatli uygulanmalıdır aksi halde çatlamalar artar.

Göreceli Rutubetin Etkisi

Göreceli rutubet: Belirli bir sıcaklıkta, birim hacimdeki havanın çözebileceği maksimum rutubetin kaçta kaçı kadar rutubet içerdiğini gösterir.Hacim sabit tutulur, hava sıcaklığı artırılırsa izafi rutubet düşer.Bu durumda kuruma hızı artar.Hava sıcaklığı sabit alınırsa izafi rutubet oranı düşük olan havada kuruma hızı daha fazladır.Atmosferik rutubet kontrollü olan kurutma fırınları vardır.

Buharlaşma hızı-hava sıcaklığı grafiği(Yaman, 2006)

 Hava Hareketlerinin Etkisi

Hava hareketlerinin etkisini günlük yaşamdan bir örnekle açıklamak gerekirse; çamaşırlar, güneş ışını olmayan bir ortamda hava hareketleri nedeniyle hızlı kurumaktadırlar. Rutubetli seramik parçanın kuruması sırasında parça kenarında izafi rutubet %90’lara çıkar ve kuruma çok yavaşlar. Eğer hava hareketleri varsa, izafi rutubeti yüksek hava yüzeyden uzaklaşır ve yerine ortam izafi rutubetinde hava gelir ki kuruma hızı çok artmış olur.

Seramik parçalar güneşte asla kurutulmamalıdır.Çünkü, güneş ışınlarının vurduğu yerde hızlı diğer yerlerde yavaş kuruma olur ve rutubet gradyanı olur ki bu da  çatlama olmasına sebep olur.

Katılan feldpatlar ve yabancı maddeler pişirme sıcaklığını düşürür, toz tanelerinin birbirne sinterlenmesini veya camfazla bağlanmasını sağlar. Tozların karıştırılması, amaca göre değişik yöntemlerle yapılır. Ardından şekillendirme,  kurutma  ve pişirme yapılır. İnce seramikler kaolin-feldspat-silika hammddelerinden üretilmektedir ve önemli miktarda camfaz içermektedirler. Yer karosu, duvar karosu(fayans), porselen, diş porseleni ve benzeri seramikler bu diygramda yeralır.

SIR: Seramik malzemelerin yüzeyinde genellikle bir sır tabakası bulunmaktadır. Camsı yapıda olduğu için özellikleri cama benzer ama bileşimi camdan farklı olduğundan özellikleri de farklılık göstermektedir. Sır, bir seramik gövde üzerine uygulanır. HF asit hariç hemen hemen tüm kimyasallara oldukça iyi dayanım gösterirler.

GÖVDE: Yer karosu, duvar karosu(fayans), porselen, sert porselen, diş porseleni gibi beyaz pişen bünyelerin büyük bir kısmı yukarıdaki Kil-Silika-Feldspat üçlü diyagramında yeralır. Bu üç hammaddenin belirli oranda karıştırılması ile üretilir. Bünye şekillendirildikten sonra, üzerine ham sır sürülür ve pişirilir. Buna tek pişirme yöntemi denir. Bünye şekillendirildikten sonra pişirilirse ve ondan sonra üzerine ham sır sürülürse ve pişirilirse buna da çift  pişirme yöntemi denir. İkincisi hem uzun zaman alır  hem de pahalı bir yöntemedir.

YER KAROSU ve FAYANS: Üçlü karışım kuru presleme yöntemiyle preslenir. Yer karosunda daha fazla feldpat vardır ve daha yüksek sıcaklıkta hızlı pişirimle pişirilir. Modern fabrikalarda herşey otomatiktir.

SERT PORSELEN : Sofra takımlarının ve kimyasal madde kaplarının imalinde tercih edilir. Üretiminde kil hemen hemen hiç kullanılmaz. Plastik bünye büyük silinidir  şeklinde genellikle ekstrüzyonla çekilir. Glazür yüzeye sprey şeklinde uygulanır ve 1290⁰’de pişirilir.

ÇİMENTO-BETON:Çimento, kireçtaşı-kil karışımının pişirilmesiyle üretilirler. Temel bileşenleri CaO.2SiO₂ (C₂S) ve CaO.3SiO₂(C₃S)’tir. Kum ve su ile karıştırıldığında hidratasyon reaksiyonları   ve sertleşme meydana gelir. Buna beton denir. Mukavamet zamana bağlı olarak artar. Çimentoya yüksek fırın cürufu veya doğal tras katılarak maliyetler ciddi şekilde düşürülebilmektedir. 

KATALİTİK KONVERTER: Kordiyerit 2MgO.2Al₂O₃.5SiO₂ hegzagonal  kristal yapısındadır.  Düşük termal genleşme katsayısı mükemmel termal şok dayanımı ve iyi yalıtkanlık özelliği nedeniyle çok kullanılır. Kordiyerit üretiminde kaolin, kil, alümina ve talk kullanılmaktadır Avrupa’da tüm araçlar için katalitik konverter kullanmak  zurunludur.   Otomobil çalıştırıldığı zaman, katalitik konverter aküden alınan enerjiyle ısıstılır. Konverterden geçen tam yanmamış CO ve NO_x gazları Pt ve Ni katalizörlüğü eşliğinde yanarlar. Katalitik konverter ısındıktan sonra sıcak esoz gazları ile işlen devam eder. Çevre kirliliğini azaltırlar.

ALÜMİNA(Al₂O₃, ALÜMİNYUM OKSİT):Çok bol bulunduğu, mekanik özellikleri çoğu oksitten daha iyi ve göreceli olarak ucuz olduğu için en yaygın kullanılan oksittir. Yoğunluğu saflığına bağlı olarak geniş bir aralıkta değişir. Alümina seramikleri en sert, rijit ve mukavim oksitlerdir. Elektrik dirençleri ve dielektrik mukavemetleri iyidir. Su buharına, havaya, sülfürlü atmosferlere ve çeşitli kimyasallara dayanıklıdır. Ergime sıcaklığı 2050 ^OC olmasına rağmen yük altında refrakterliği düşüktür. Örneğin 1370 ^OC’de mukavemeti oda sıcaklığındaki mukavemetinin sadece % 10’udur. KULLANIM: En sert mineral elmas 10, alümina(korund)  9 Mohs sertliğindedir. Aşınmaya ve aynı zamanda kimyasallara dayanıklı olduğu için uzay da dahil olmak üzere geniş

ALÜMİNA TAKIM:

Çoğu seramik takım alüminadan üretilir. İnce alümina tozlar preslenerek şekillendirilir ve 1600-1700 ^OC’de sinterlenir(Avner). Sinterleme sırasında tane büyümesi önlemek amacıyla düşük oranda MgO, ZrO₂, TiO₂ veY₂O₃ katılır. Bu takımların yüzey kalitesi iyi, ömrü uzun ve sert olduğundan aşınmaya dayanıklıdır. Bu nedenle tungusten(Volfram)den tahtaya ve seramikten grafite kadar çok geniş bir alanda kullanılır. Çelik ve dökme demirler 300-1200 m/d hızla işlenebilir(Clauser). ALÜMİNA inert olduğu için kesme sırsında çeliğe yapışmaz fakat gevrek olduğu için kırılabilir.

ALÜMİNA kesme takımları çoğunlukla epoksi yapıştırıcıyla bir taşıyıcıya takılır. Takım üçgen, kare, dikdörtgen veya yuvarlak olabilir.

Şekil--: Seramik(alümina), sermet ve karbür takımın gri dökme demiri kesme hızları ve takım ömürleri(Avner)

Kolayca kırılabileceği için paso kalınlığı düşük tutulmak zorundadır. Aynı zamanda kesme hızı yüksek tutulduğu için yüzey kalitesi iyidir. Çok sert olduğu için 66 HRC sertliğinde çelik bile kolayca işlenebilir(Avner).

ÇOK  FAZLI (CAM-KRİSTAL) SERAMİKLERİN BİLEŞİMLERİ ve KULLANIM YERLERİ

Geleneksel seramiklerin hemen hemen tamamı önemli miktarda camsı madde içermektedir. Camsı maddeyi seramiklerin pişirme sıcaklığını ve maliyetleri düşürmek amacıyla katıyoruz. Lawrence’ye göre % 40 kaolin+ %30kuvars + %30 feldspat içeren ince seramikte 1000 ^oC’de  yaklaşık %50, 1450 ^oC’de yaklaşık % 75 sıvı faz oluşur(Alttaki şekil), soğuduğu zaman bu sıvı madde camsı faz oluşturur. Pişirme sırasında oluşan sıvı faz gözeneklere girer,  ve malzemede gözenek oranını düşürürcü etki yapar. Geleneksel seramiklerde gözeneklerin tamamı yok edilebilir. İnce seramiklerde ince kuvars kristalleri, varolan sıvı faz içinde ergiyebilir ve sıvı faz oranını artırabilir.  Kristal taneler genellikle cam faz tarafından sarılmıştır. Kristal ve cam fazların hem termal genleşme katsayısıları hemde mekanik özellikleri farklıdır. Termal genleşme katsayıları farklı olduğu için iç gerilmeler bu malzemelerde kaçınılmazdır.

Şekil  : % 50 Kaolin, % 25 Kuvars ve % 25 Feldpat İçeren  Beyaz Pişen Bünyede Pişme  

           Sırasında Meydana Gelen  Olaylar

                         Faz               Cam                  Kuvars                   Mullit                  Diğer

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

1200  ^oC’de       %                  62                      21                           11                        6

1300  ^oC’de       %                  63                      16                           21                        0

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Çizelge  : %40 kil %30 silika %30 feldspat içeren bünyede fazların sıcaklığa bağlı değişimidir. Diğer beyaz pişen bünyelerde durum benzerdir(Lawrence).

                Yukarıdaki şekil ve tablodan görüldüğü gibi, cam ve mullit fazları pişirme sıcaklığına bağlı olark artarken dönüşmeden kalan hammadde oranları düşmektedir. Kil, iki veya daha fazla farklı kökenden gelebilir. Böyle bir karışım yaklaşık %35 gözenek içerir.  Yüksek sıcaklıkta hammaddelerde meydana gelen değişikler daha önce incelendi. Hammaddeler arası etkileşim yaklaşık 980⁰C de başlar. Mullit iğneleri 1100-1200 ⁰C de çok

4—a)

Oksijen

                      

                                                                                                                                                                                           

                                                                                                                                                                                            

                                                                                                                                                                                            

                                                                                                                                                                                           

                                                                                                                                                                                            

                                                                                                                                                                                            

                                                                                                                                                                                            

Si

                                                                                                                                                                                           

                                                                                                                                                                                            

                                                                                                                                                                                            

                                                                                                                                                                                            

                                                                                                                                                                                           

                                                                                                                                                                                            

                                                                                                                                                                                            

                                                                                                                                                                                            

                                                                                                                                                                                           

                                                                                                                                                                                            

                                                                                                                                                                                            

                                                                                                                                                                                            

      b) Seramik malzemelerin temelini silisyum-oksijen dörtyüzlüsü oluşturmaktadır.(üstte) Oksijen 1 elektronunu silisyumla ortak kullanmaktadır. Bir elektronu da başka elementlerle ortak kullanır. Oksijene Na,K gibi +1 değerlikli elementler bağlanırsa ağ bozulur kimyasal özellikler kötüleşir. Eğer silisyum bor gibi valans elektronu bol elementler bağlanırsa ağ devam eder ve kimyasal özellikler iyileşir.