Kwalifikacja: CES.03 - Organizacja i kontrolowanie procesów w przemyśle ceramicznym
Zawód: Technik ceramik
Które tworzywo ceramiczne charakteryzuje się bardzo niską wytrzymałością na zginanie, tj. poniżej 50 MPa?
Odpowiedzi
Informacja zwrotna
Porowaty materiał ogniotrwały rzeczywiście wyróżnia się najniższą wytrzymałością na zginanie spośród wymienionych materiałów ceramicznych – tutaj typowe wartości są znacznie poniżej 50 MPa, czasem nawet rzędu kilkunastu megapaskali. Wynika to głównie z ich budowy i przeznaczenia: są one silnie porowate, przez co dużo słabiej przenoszą naprężenia mechaniczne, ale za to doskonale sprawdzają się jako izolatory cieplne w wysokotemperaturowych piecach czy kotłach. Otwarta porowatość pozwala na amortyzowanie szoków termicznych i zmniejsza przewodnictwo ciepła, jednak jednocześnie osłabia strukturę mechaniczną materiału. Gdyby użyć takich materiałów tam, gdzie wymagana jest wytrzymałość na zginanie – np. w częściach roboczych maszyn czy narzędzi – szybko doszłoby do pęknięcia lub rozkruszenia. Moim zdaniem, w branży ceramicznej istnieje wyraźny podział: materiały ogniotrwałe wybiera się do ochrony i izolacji, a nie do przenoszenia obciążeń. Przykładem mogą być cegły szamotowe wykorzystywane w przemysłowych piecach do wypału ceramiki lub cementu – są bardzo odporne na temperaturę, ale nie wolno ich obciążać mechanicznie. W dokumentacji technicznej i normach (np. PN-EN 993) wyraźnie zaznacza się, że przy projektowaniu wyłożeń ogniotrwałych należy uwzględnić ich niską wytrzymałość mechaniczną i nie stosować ich tam, gdzie są istotne naprężenia zginające. W praktyce, zawsze warto spojrzeć w kartę techniczną materiału – takie wartości jak wytrzymałość na zginanie są tam podane i porównanie ich z wymaganiami projektu pozwala uniknąć kosztownych błędów.
Można łatwo dać się zwieść, bo i spiekane węgliki, i azotki, i porcelana korundowa mają bardzo wysokie własności mechaniczne, zwłaszcza jeśli chodzi o zginanie. Spiekany węglik krzemu to materiał, który spotyka się np. w uszczelnieniach mechanicznych, narzędziach tnących czy armaturze przemysłowej. Tam typowa wytrzymałość na zginanie to nawet 300-500 MPa, a czasem i więcej. Podobnie jest ze spiekanym azotkiem krzemu – to jeden z najtwardszych i najodporniejszych na pękanie materiałów ceramicznych, wykorzystywany do produkcji łożysk, narzędzi skrawających i części silników. W przypadku porcelany korundowej, choć jest trochę bardziej krucha, jej wytrzymałość na zginanie i tak oscyluje w okolicach 100-200 MPa, co znacząco przekracza granicę 50 MPa określoną w pytaniu. Często popełnia się błąd, myśląc, że ogólna „ceramika” ma zawsze niską wytrzymałość – tymczasem współczesne ceramiki techniczne są projektowane tak, by znosiły spore obciążenia. Odpowiedzi błędne biorą się zwykle z mylenia zastosowań: ktoś może kojarzyć azotek czy węglik tylko z wysoką temperaturą, zapominając, że ich struktura praktycznie nie ma porów, stąd i wytrzymałość jest wysoka. Porcelana korundowa też nie powinna być utożsamiana z delikatną porcelaną użytkową – to całkiem inny materiał, dużo bardziej wytrzymały. W praktyce, w przemyśle, do izolacji termicznej i wyłożeń używa się materiałów specjalnie zaprojektowanych jako porowate, właśnie po to, by nie przewodziły ciepła, nawet kosztem bardzo niskiej wytrzymałości mechanicznej. Z mojego doświadczenia wynika, że dobrą praktyką jest zawsze sprawdzić parametry mechaniczne konkretnego materiału – różnice między nimi potrafią być naprawdę ogromne, nawet jeśli wszystkie są „ceramiczne”. Warto więc zwracać uwagę na szczegóły i nie ulegać stereotypom dotyczącym wytrzymałości całej grupy materiałów.