Kovan alumiinioksidikeraamin kehittäminen
Porevuo, Tanja (2015)
Porevuo, Tanja
2015
Materiaalitekniikan koulutusohjelma
Teknisten tieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2015-02-04
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201501291029
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201501291029
Tiivistelmä
Työn tavoitteen oli kehittää kova alumiinioksidi materiaali. Työssä testattiin lisäaineiden ja lämpökäsittelyn vaikutusta kovuuden kehitykseen ja se toteutettiin kohdella koesarjalla, joille tehtiin erilaisia lämpökäsittelyjä. Materiaalien ominaisuuksia tutkittiin erilaisilla tutkimusmenetelmillä, joihin sisältyi kenttäemissioelektronimikroskopia (FE-SEM), Röntgendiffraktio (XRD), dilatometria ja Vickers mikrokovuusmittaus. Tutkittuja ominaisuuksia olivat mikrorakenne, faasikoostumus, lineaarinen kutistuma ja mikrokovuus. Materiaalin oleellisin ominaisuus oli kovuus ja kovuusmittauksen lisäksi tehtyjen kokeiden tarkoituksena oli selvittää kovuuden kehitykseen vaikuttavia tekijöitä.
Kokeissa käytettiin kahta eri böömiittiä eli alumiinimonohydroksidia alumiinioksidin lähteenä ja lisäaineita käytettiin kontrolloimaan muodostuvaa mikrorakennetta ja faasimuutosta. Näytekappaleiden valmistamiseen käytettiin muunnettua sol-gel prosessia. Sintrauskäsittelyssä lämpötilan nosto- ja laskunopeudet pidettiin suurina mikrorakenteen kehityksen hallitsemiseksi. Sintrausajat olivat 12 ja 60 minuuttia ja sintrauslämpötilat 1200 °C, 1250 °C ja 1300 °C:ta näytteestä riippuen.
Lisäaineina käytettiin lisäainetta 1 ja lisäainetta 2. Lisäaineen 1 päätehtävänä on hallita rakeenkasvua rajoittamalla raerajan liikettä. Lisäaine 2:den tehtävänä on puolestaan helpottaa faasimuutosta toimimalla ydinnysaineena faasimuutoksessa ja siten laskea faasimuutoslämpötilaa. Alumiinioksidin ainoa termodynaamisesti stabiili faasi huoneenlämmössä on α-faasi ja tähän rakenteeseen pyritään sintrausprosessissa, koska sen kovuus on suurin. Röntgendiffraktiotulosten perusteella 1250 °C ja 1300 °C:ssa sintratut näytteet ovat muuttuneet täysin α-faasiin.
Kaiken kaikkiaan työssä tehtiin 68 näytettä. FE-SEM ja dilatometritulosten perusteella havaittiin, että mikrorakenteen tiivistymisessä oli ongelmia ja siksi tavoitteena ollutta 2000 HV:n kovuutta ei saavutettu. Korkein kovuus oli 1453 HV ja se saavutettiin 60 minuutin sintrausajalla 1300 °C:ssa. Mikrorakenteen perusteella oli nähtävissä, että sintrausprosessi oli todennäköisesti edennyt 2. vaiheen loppupuolelle, mutta ei täysin sen loppuun, koska rakenteessa oli yksittäisiä huokosia, mutta myös toisiinsa yhteydessä olevia huokosia. Alhainen kovuus saattaa selittyä vihreäntilan rakenteen alhaisella tiiveydellä ja se onkin oleellisin ratkaistava ongelma. Tulokset olivat kuitenkin lupaavia ja niiden perusteella jatkokehityksellä on mahdollista saavuttaa haluttu lopputulos.
Kokeissa käytettiin kahta eri böömiittiä eli alumiinimonohydroksidia alumiinioksidin lähteenä ja lisäaineita käytettiin kontrolloimaan muodostuvaa mikrorakennetta ja faasimuutosta. Näytekappaleiden valmistamiseen käytettiin muunnettua sol-gel prosessia. Sintrauskäsittelyssä lämpötilan nosto- ja laskunopeudet pidettiin suurina mikrorakenteen kehityksen hallitsemiseksi. Sintrausajat olivat 12 ja 60 minuuttia ja sintrauslämpötilat 1200 °C, 1250 °C ja 1300 °C:ta näytteestä riippuen.
Lisäaineina käytettiin lisäainetta 1 ja lisäainetta 2. Lisäaineen 1 päätehtävänä on hallita rakeenkasvua rajoittamalla raerajan liikettä. Lisäaine 2:den tehtävänä on puolestaan helpottaa faasimuutosta toimimalla ydinnysaineena faasimuutoksessa ja siten laskea faasimuutoslämpötilaa. Alumiinioksidin ainoa termodynaamisesti stabiili faasi huoneenlämmössä on α-faasi ja tähän rakenteeseen pyritään sintrausprosessissa, koska sen kovuus on suurin. Röntgendiffraktiotulosten perusteella 1250 °C ja 1300 °C:ssa sintratut näytteet ovat muuttuneet täysin α-faasiin.
Kaiken kaikkiaan työssä tehtiin 68 näytettä. FE-SEM ja dilatometritulosten perusteella havaittiin, että mikrorakenteen tiivistymisessä oli ongelmia ja siksi tavoitteena ollutta 2000 HV:n kovuutta ei saavutettu. Korkein kovuus oli 1453 HV ja se saavutettiin 60 minuutin sintrausajalla 1300 °C:ssa. Mikrorakenteen perusteella oli nähtävissä, että sintrausprosessi oli todennäköisesti edennyt 2. vaiheen loppupuolelle, mutta ei täysin sen loppuun, koska rakenteessa oli yksittäisiä huokosia, mutta myös toisiinsa yhteydessä olevia huokosia. Alhainen kovuus saattaa selittyä vihreäntilan rakenteen alhaisella tiiveydellä ja se onkin oleellisin ratkaistava ongelma. Tulokset olivat kuitenkin lupaavia ja niiden perusteella jatkokehityksellä on mahdollista saavuttaa haluttu lopputulos.