Keramer är oorganiska, icke-metalliska material som formas av pulver. De får sin styrka vid hög temperatur. Porslin, tegel, kakel, glas och eldfasta material är traditionella keramer. Aluminiumoxid, zirkoniumdioxid, kiselnitrid och kiselkarbid hör till de tekniska keramer som används som konstruktionsmaterial i maskiner, motorer, elektronik och medicinteknik.
Gemensamt för alla keramer är bindningarna mellan atomerna. De är joniska eller kovalenta och mycket starka, vilket ger höga smältpunkter, stor hårdhet och god kemisk beständighet. Samma bindningar förklarar varför keramer är spröda.
Typiska egenskaper
Keramer är hårda och tål höga temperaturer, men de kan inte deformeras plastiskt som en metall. En metall som överbelastas böjer sig först. En keram håller tills den spricker. Sprickan startar oftast vid en liten defekt som en por eller ett främmande korn.
Därför kan en keram vara mycket hållfast eller mycket svag beroende på hur den har framställts. Typiskt är god korrosionstålighet och låg elektrisk ledningsförmåga. Värmeledningsförmågan varierar stort mellan olika keramer.
Egenskapskombinationer som metaller sällan klarar
- Hög slittålighet kombinerat med låg densitet.
- Slitagetålighet i korrosiva miljöer.
- Korrosionstålighet vid förhöjd temperatur.
- Elektrisk isolering samtidigt som materialet tål värme.
Vanliga tekniska keramer
Fyra material dominerar bland de tekniska keramerna. Densiteten i tabellen är ungefärlig och kan jämföras med stål, som ligger kring 7,8 g/cm³.
| Material | Densitet (ca) | Styrkor | Typiska användningar |
|---|---|---|---|
| Aluminiumoxid (Al₂O₃) | 3,9 g/cm³ | Hård, elektriskt isolerande, prisvärd | Isolatorer, substrat för elektronik, slitdelar, tätningar |
| Zirkoniumdioxid (ZrO₂) | 6,0 g/cm³ | Hög brottseghet för att vara en keram, ljus färg | Tandkronor och tandimplantat, kniveggar, ventildelar |
| Kiselnitrid (Si₃N₄) | 3,2 g/cm³ | Hållfast vid hög temperatur, tål temperaturchocker | Kullager, skärverktyg, motordelar |
| Kiselkarbid (SiC) | 3,2 g/cm³ | Mycket hård, hög värmeledning, korrosionståligt | Tätningsringar, pumpdelar, kraftelektronik, ugnsdelar |
Framställning: från pulver till fast material
Keramer framställs genom att man kompakterar ett fint pulver till en kropp. Pulverkroppen, som ofta kallas grönkropp, sintras sedan vid hög temperatur men under materialets smältpunkt. Vid sintringen vandrar materia till kontaktpunkterna mellan kornen så att de växer ihop, porerna krymper och ett tätt, fast material bildas.
Vid sintringen krymper kroppen kraftigt. Krympningen måste vara känd i förväg, annars hamnar den färdiga detaljen fel i mått. Läs mer om hur pulvret undersöks i karakterisering av pulver, pulversuspensioner och granulat och om hur slammet styrs med ytkemi och reologi.
Krympningsräknaren
Ange måttet du vill ha på den färdiga detaljen och materialets linjära krympning vid sintring. Krympningen skiljer sig mellan material och pulver, så använd värdet från ditt eget pulver.
Resultatet visas här.
Formning av pulverkroppar
Efter sintringen har en keram ofta hög hårdhet och hög slittålighet. Det gör den färdiga detaljen svår och dyr att bearbeta. Därför formar man pulverkroppen så nära slutlig form som möjligt innan den sintras.
Enkla geometrier formas genom pressning. Komplicerade former kan tillverkas genom slamgjutning och tryckslamgjutning eller formsprutning. Tunna skikt för elektronik görs med tejpgjutning. Nyare tekniker som 3D-skrivning beskrivs under alternativa formningsmetoder.
Främmande ämnen, porer och andra defekter som uppstår vid formningen finns kvar efter sintringen. De påverkar hållfastheten mer än nästan något annat i processen.
Keramer vid höga temperaturer
Vid riktigt höga temperaturer tar metallerna slut. De bästa nickelbaserade superlegeringarna i jetmotorernas turbinblad klarar materialtemperaturer på drygt 1100 °C och behöver då både kylning och keramiska värmeskyddsskikt. Turbinblad av keramiska kompositer kan arbeta i ungefär 1300-1500 °C utan kylning.
Högtemperaturegenskaperna beror starkt på framställningen. Keramer som sintras med hjälp av en glasfas kan mjukna i korngränserna när det blir varmt, medan material utan sådana faser behåller styrkan bättre.
Fem grupper av keramer
Konstruktionskeramer
Kiselkarbid, kiselnitrid, sialoner, aluminiumoxid och zirkoniumdioxid räknas till konstruktionskeramerna. De har hög hållfasthet, tål höga temperaturer och slitage och har god korrosionsresistens. Materialen används främst i mekaniska konstruktioner som tätningsringar, motordelar, kullager och skärverktyg.
Elektrokeramer
I elektrokeramer är det de elektriska egenskaperna som efterfrågas, medan de mekaniska oftast är av underordnad betydelse. Viktiga användningar är elektroniksubstrat, kondensatorer, isolatorer, piezoelektriska keramer och magneter.
Elektronik och elektroteknik är det största användningsområdet för avancerade keramer. Hur stor andelen är beror på hur marknaden avgränsas. Olika marknadsrapporter anger allt från knappt en tredjedel till drygt hälften. En modern mobiltelefon innehåller hundratals små keramiska kondensatorer.
Funktionella keramer
Med funktionella keramer menas här material som väljs för andra egenskaper än de mekaniska eller elektriska. Det kan vara syre- eller jonledning, katalytisk förmåga eller optiska egenskaper. Mikrostrukturen och faserna i korngränserna bestämmer ofta hur materialet fungerar.
Funktionella keramer finns i sensorer, katalysatorer och bränsleceller. Hit hör även porösa keramer som används i filter och som katalysatorbärare, där porerna är själva poängen. Området har vuxit snabbt och har stor tillväxtpotential.
Biokeramer
Keramer som används i medicinska tillämpningar varierar från nästan inerta till resorberbara, som kroppen bryter ner med tiden. Genom materialvalet kan man till viss del styra hur kroppen reagerar.
Biokeramerna omfattar både oxidkeramer och kalciumfosfater som hydroxylapatit och trikalciumfosfat. Hydroxylapatit liknar benets mineral och kan binda direkt till ben. Zirkoniumdioxid används i tandkronor och tandimplantat. Implantatytor beläggs ibland med hydroxylapatit för att benet ska växa fast bättre.
Traditionella keramer
Hit räknas hushålls- och sanitetsporslin, elektriskt porslin, kakel- och klinkerplattor och eldfasta material. Även cement och betong, glas och emaljer och olika oorganiska bindemedel kan räknas in i gruppen. Materialen är traditionella i den meningen att de är väl etablerade och har framställts och använts kommersiellt länge. Läs mer om glaserat porslin.
De mekaniska egenskaperna är betydligt lägre än hos konstruktionskeramerna. Traditionella keramer används inte heller där de utsätts för extrema mekaniska belastningar.
I många fall är de termiska egenskaperna mycket kritiska, inte minst förmågan att tåla snabba temperaturväxlingar. Priset är ofta en avgörande faktor.
Vilken keram passar?
Kryssa för de krav din detalj måste klara.
Förslagen visas här när du kryssar i rutorna.
Keramiska pulver i vardagen
Keramiska oxider finns närmare oss än man tror. Titandioxid, samma vita oxid som används som pigment i färg och plast, är ett av de vanligaste vita pigmenten i kosmetika och står i innehållsförteckningen som CI 77891. Tillsammans med zinkoxid fungerar titandioxid också som mineraliskt UV-filter i solskydd.
Mineralpulver i foundation och puder bygger på samma idé om fina, väl karakteriserade partiklar som en keramiker arbetar med. Den som vill lära sig mer om bas, nyanser och tekniker hittar guider om smink och makeup hos Färgcollection. I EU räknas titandioxid i pulverform som möjligt cancerframkallande vid inandning, medan användning på huden bedöms som säker.
Ett annat vardagsexempel är keramiskt lackskydd till bilen, ett tunt kiseldioxidbaserat skikt som gör lacken mer motståndskraftig.
Pulvermetallurgi och biometaller
Samma tankesätt används för metaller. I pulvermetallurgi formas metallpulver genom pressning, formsprutning eller direktkonsoliderande tekniker och sintras sedan.
Titan är en intressant metall eftersom den är vävnadsvänlig och läker in bra i kroppen. Den kallas därför biometall. Titan har goda mekaniska egenskaper och är ett attraktivt material i implantat och andra bioapplikationer.
Val av formningsteknik
Valet av formningsteknik för keramiska eller metalliska komponenter beror på detaljens storlek och geometri, kraven på materialegenskaper, planerad seriestorlek och kostnadsramen. Oftast måste man kompromissa och prioritera mellan dessa för att nå bästa möjliga resultat.
Uppdragsforskning inom processutveckling
Uppdragsforskning inom pulverformning kan till exempel gå ut på att ta fram en komponent i ett visst material med lämplig formningsteknik. Arbetet kan omfatta design och tillverkning av form, optimering av slam eller granulat, formning, eventuell bearbetning och sintring. Mer om arbetsgången finns under processutveckling och komponentframtagning.
Läs också
Utanför keramernas värld finns några sajter som vi brukar tipsa om. Den som är över 18 år och vill jämföra välkomsterbjudanden kan läsa om casino med bonus. För spel på nätet i Norge finns en guide till casino i Norge. Fler topplistor finns hos bästa online casino. Spela alltid med måtta.