Men hva er keramer? Ordene keram og keramikk har sammenheng med det greske ordet keramos som betyr "pottemakerleire". Kunsten å brenne leire til forskjellige typer keramikk la grunnlaget for dagens tekniske høyytelseskeramer.

Definisjonsmessig regnes alle "uorganiske, ikke-metalliske materialer som er formet til produkter før eller i samband med høytemperaturreaksjoner (T>500 ºC)" som keramer. Porselen, glass, grafitt, tegl, m.fl. kan dermed defineres som keramer. De tekniske keramene gir nye muligheter som konstruksjonsmaterialer, og høystyrkevariantene kalles derfor ofte for konstruksjonskeramer.

ekniske keramer er velegnet der det finner sted en ekstrem materialpåvirkning, f.eks. i forbindelse med slitasje, korrosjon, høye temperaturer eller høye trykkbelastninger. Keramenes spesielle, ofte unike, egenskaper gjør dem interessante som avanserte konstruksjonsmaterialer. Materialtype, design og overflatefinish må alltid velges med omhu, og vi håper at denne presentasjonen vil være til hjelp - en guide inn i keramenes verden.

Hardhet og slitestyrke
Keramer er ofte ekstremt harde, og det gjør dem egnet ved anvendelser der slitasjen er stor. Hardheten til en vanlig kvalitet tettsintret ren aluminiumoksid, Al2O3, er ca. 81 HRC (ved 45 N). Sammenligner man med verktøystålets omtrent 60 HRC eller hardmetallets ca. 85 HRC, forstår man at slitestyrken til selv den vanlige aluminiumoksiden er god. Det finnes andre keramer med enda høyere hardhet, f.eks. silisiumkarbid, SiC, som med full tetthet havner rundt 95 HRC. For harde materialer bruker man heller Vickers-skalaen (eller Knoop) som gir et bedre bilde av hardheten til sprø materialer. Hardmetall (WC med 6% Co) har en HV-verdi på 1500 kg/mm² (ved 50 g prøvebelastning), Al2O3 ca. 2200, SiC ca. 2800 og borkarbid, B4C ca. 3300. Diamant er uslåelig hardt med en HV på omtrent 8500 kg/mm²!

For slitasjeanvendelser er det beste materialvalget ikke nødvendigvis det hardeste keramet - materialet bør være så hardt og så seigt som mulig. Et kompromissmaterial som pleier å fungere ved mange anvendelser er tettsintrede varianter med noen prosent bindfase. Belastning, temperatur, kjemisk miljø og ikke minst økonomi har dessuten stor betydning for det best egnede valg.

Højtemperaturbestandighet
Keramer er vanligvis bygget opp av sterkt bundne atomer med forholdsvis liten frihet til å bevege seg i ulike retninger. Dette er årsaken til at de som regel har meget høyt smeltepunkt, i noen tilfeller et stykke over 3000° C. Et vanlig konstruksjonskeram, tettsintret 99,6 % Al2O3, kan brukes i belastet tilstand opp til omtrent 1600° C. Fordi de fleste høyytelseskeramer er oksider eller danner et beskyttende oksidbelegg, kan de også brukes i vanlig luft uten krav til spesiell beskyttelsesgass.

På grunn av den lave bruddseigheten er keramer ofte ømfintlige for termosjokk, spesielt ved avkjøling. Når komponenten avkjøles, kjøles overflatesjiktet fortere ned enn grunnmaterialet, og overflaten utsettes dermed for store strekkspenninger. Ved å utnytte faseoverganger kan materialene imidlertid gis bedre motstandsdyktighet mot termosjokk. Det er likevel vanligere å velge et materiale med lav termisk ekspansjon og/eller høy varmeledningsevne, eller å ganske enkelt tilpasse håndtering og bruk slik at termosjokk unngås.

Termisk isolasjonsevne
Keramer er vanligvis gode termiske isolatorer. Dette kommer av deres sammensetning, men også av at man kan fremstille dem med kontrollert og høy porøsitet. Vanligvis kommer de gode isolasjonsegenskapene av at keramenes spesifikke varmeledningsevne er lav. Dette gjelder mange keramer, men ikke alle. Noen leder varme like godt som metaller.

I dag finnes det et stort utvalg av fibermaterialer, med sammensetning fra glass- og mineralfibrenes silikater til rene oksider for de aller høyeste temperaturene. F.eks. finnes det i dag kommersielt tilgjengelige Al2O3- fibre som kan brukes som isolasjon opp til ca. 1800° C, og fibermaterialer av ZrO2 som kan brukes opp mot 2200° C

Elektrisk isolasjonsevne
En annen isolasjonsevne er den elektriske. Dette er en velkjent keramegenskap med anvendelser innen f.eks. isolatorporselen for både svak- og sterkstrøm. Men det finnes varianter av tekniske keramer som er alt fra gode isolatorer til ganske gode elektriske ledere. Ofte er isolasjonsevnen meget temperaturavhengig. Materialer som er supraledende ved (forholdsvis) høye temperaturer er også en type keramer.

Motstandsdyktighet mot korrosjon
Sterke atomære bindinger gjør at keramer er meget kjemisk stabile. Kvarts (SiO2), samt de keramene som danner et oksidsjikt av SiO2 (SiC, Si3N4, Sialoner m.fl.) kan påvirkes av flussyre eller varm eller sterk lut, men har for øvrig god korrosjonsstabilitet. Normale kvaliteter av ren Al2O3 (99,5 - 99,8%) har meget god motstandsdyktighet mot de fleste syrer, baser, metallsmelter og salter, og det finnes ikke mange kjemikalier som klarer å påvirke enda renere (>99,9%) aluminiumoksid. På grunn av aluminiumoksidens høye bestandighet og fysiologiske inerthet fungerer dette materialet godt som implantat, f.eks. som hofteleddskuler.

Mekanisk styrke
Keramer betegnes ofte som "sprø", fordi de som regel går i stykker nesten uten noen plastisk deformasjon. Denne egenskapen må ikke forveksles med at de er svake, tvert i mot er konstruksjonskeramer fantastisk sterke. Deres styrke utnyttes best om man setter komponenten under trykkbelastning, og så langt det er mulig forsøker å unngå strekkspenninger. F.eks. kan trykkfastheten ved romtemperatur hos de beste Al2O3-materialene være opptil 3,5 GPa, og hos varmpresset silisiumnitrid, HPSN (HP- Si3N4) ca. 4 GPa. Verktøystål har en trykkfasthet på 1,5-2 GPa.

Strekk- og bøyefastheten hos de beste keramene er derimot omtrent på samme nivå som hos konstruksjonsstål. Dette kommer av at keramene vanligvis ikke har mulighet til plastisk deformasjon og dermed ikke kan utjevne lokale spenningskonsentrasjoner. Ved tilstrekkelig høy temperatur kan likevel en betydelig plastisk deformasjon finne sted i visse keramer, f.eks. Al2O3 og MgO. Ved høy temperatur kan derfor disse utvise en betydelig grad av seighet før brudd.

På grunn av at keramer er følsomme for høye lokale strekkspenninger påvirkes de spesielt lett av strukturelle defekter som porer, sprekker og forurensninger. Derfor er det også viktig å bruke et design som er velegnet i forhold til den aktuelle ytre lasten, ikke minst i forbindelse med termosjokk.

Keranova AB, Emmylundsvägen 16, SE-194 54 Upplands Väsby, Sverige
Tlf. +46 8 590 919 77

E-post: info@keranova.se