Erremintetarako zeramiko eta zermet direlakoen diseinu mikroegiturala

Gaur egungo teknologia, ebaketa--abiaduraren handiagotzeari jarraitzen zaio (2. irudia). Ebaketa-erreminten ikuspuntutik, abiaduraren handiagotze honek, ondoko bi ondorio nagusiak sortarazten ditu: alde batetik, erremintek jasan behar dituzten tentsioak gero eta handiagoak dira, eta, bestetik, ebaketan zehar lortzen diren tenperaturak, gero eta altuagoak. Baldintza latz hauetarako, material egokiak erabili behar dira; hots, goi tenperaturetan gogorrak eta erresistenteak diren materialak. Halaber, zailtasuna garrantzi handikoa da prozesu ez-jarraietan, materialek talka mekanikoak jasateko gai izan behar dutelako.

Idazlan honetan, erremintetarako zeramiko eta zermet direlakoen diseinu mikroegiturala aztertuko da; material hauen propietateak aipatutako ebaketa-baldintza latzetarako aproposak baitira. Zeramikoen zailtasun eza dela kausa, material hauen ezaugarriak ez dira ondo ulertu eta ez ondo erabili. Hala ere, azken hamarkadan, aurreko 40 urteetan baino gehiago ikertu da material hauei buruz. Zermeten garapena, erabat ezberdina izan da, zementaturiko karburoak aspalditik erabili direlarik. Dena den, material hauen diseinuak zeramikoen problematikarekin zerikusi handia duela eta, elkarrekin aztertzea komeni da. Bestalde, idazlan honen zenbait alderdi argitzearren, material metalikoak hartu dira konparazio gisa, material hauen portaera guztiontzat ezagunagoa delako.

1. irudia. Ebaketa-baldintzen araberako erreminterako materialen sailkapena.

Konposatuetatik materialera: mikroegitura

Zeramiko estrukturalak, ondoko konposatu kimikoetan oinarritzen dira: hots, hainbat nitruro (Si ₃ N ₄ , TiN, ...), karburo (WC, SiC, ...), oxido (Al ₂ O ₃ , ZrO ₂ , ...) eta boruro (TiB ₂ , ZrB ₂ , ...) direlakoetan batez ere. Erreminten fabrikazioaren ikuspuntutik, konposatu hauen egokitasuna, beren elementuen arteko lotura kimikoetan datza. Lotura hauek oso gogorrak eta direkzionalak direnez, konposatu hauen egitura kristalografikoak, oso erresistenteak eta zurrunak dira (ia deformaezinak), propietate hauek oso tenperatura altuetan mantendu egiten direlarik. Halaber, konposatu hauek kimikoki egonkorrak direnez, ia edozein material mekanizatzeko gai dira. Dena den, zeramiko estrukturalen ezaugarriak, konposatuetan ezezik, mikroegituran ere badautza.

Oro har, zeramikoen fabrikazioa, hauts-teknologiaren bidez burutzen da (3. irudia), prozesuaren hasieran, materialen osagaiak (konposatu kimikoak) hauts modura erabiltzen direlarik. Hauts hauen partikulak konposatuaren monokristalak direla eta, beren portaera konposatuaren portaera intrintsikoari dagokio. Hauts hauetatik zeramiko estrukturalak fabrikatzeko, partikulen arteko loturak sortaraztea besterik ez da egin behar. Azken hau lortzeko, hautsak tinkatu eta sinterizatu egin behar dira. Bi prozesu hauetan, tenperatura edo eta presioaren bidez, material trinkoa lortzen da: ale monokristalinoz osatutakoa, hain zuzen ere.

Prozesu idealean, materialaren bolumen osoan ez du partikulen arteko hutsunerik egon behar; beraz, materialaren dentsitateak, konposatu kimikoari dagokiona izan behar du. Zoritxarrez, materialaren bolumenean zehar, poroak aurki daitezke askotan. Halaber, fabrikazio-prozesutik datozen ezpurutasunak ere egon daitezke (4. irudia). Bestalde, aleen tamaina, morfologia eta banaketa direlakoek, aleen arteko loturak baldintzatzen dituzte. Beraz, aipatutako alderdi hauek, mikroegitura definitzen dute. Hau dela eta, konposatu berberaz egindako materialek, mikroegitura ezberdinak izan ditzakete (5. irudia).

Bai mikroegituraren akatsetan (hutsuneetan zein ezpurutasunetan) eta bai aleen arteko mugetan elementuen arteko banaketa espaziala distortsionatuta dagoenez, bertako loturak aleen barneko atomoen artekoak baino makalagoak dira (6. irudia). Beraz, mugak eta akatsak, mikroegituraren puntu ahulak dira. Hau dela kausa, materialen propietate mekanikoak, beren osagai monokristalinoenak (konposatu kimikoenak) baino txarragoak izaten dira.

2. irudia. Denboran zehar ebaketa-erreminterako materialek izandako eboluzioa.

Zeramikoen problematika

Material estrukturalen arloan, portaera mekanikoa deskribatzeko ondoko propietateak erabiltzen dira: gogortasuna, zurruntasuna, hausturarekiko erresistentzia eta zailtasuna.

Zeramikoak oso gogorrak direnez, higadurarekiko erresistentzia altuko ebaketa erremintak fabrikatzeko oso material aproposak dira. Bestalde, oso zurrunak direla eta, oso gutxi deformatzen dira tentsio-eremuaren menpe daudenean. Halaber, 7. irudian ikus daitekeenez, material zeramikoak metalikoak baino tentsio altuagoak jasateko gai dira.

Dena den, material zeramikoen aplikagarritasunaren problematika, hausturarekiko portaeran datza. 7. irudian adierazi denez, zeramikoek jasan dezaketen tentsio maximoa gaindituz gero, materialak berehala hausten dira. Deformagarritasun eza dela kausa, material hauek ezin dute egokiarazi ‘soberako’ tentsioa. Beraz, zeramikoen haustura, katastrofikoa da (plater bat lurrera erortzen denean bezalakoa). Material metalikoak, berriz, beraiei dagokien tentsio maximoa gainditu ondoren, plastikoki deformatzen dira hautsi baino lehen. Hain zuzen, material hauek, deformazioaren bidez egokiarazten dituzte tentsioak; mikroegituraren aleak harikorrak baitira. Adibide modura, kolpea hartuz gero; automobiletan suertatzen diren mailatuak aipa daitezke.

Prozesuen etekina oso garrantzizkoa da edozein industri ekintzatan. Beraz, ikuspuntu honetatik, katastrofikoki hausten diren erremintek ez dirudite oso aproposak. Hala ere, material zeramikoen gainerako propietateak oso egokiak direla kontutan harturik, ahalegin zientifiko nabarmena egin da zeramikoen hausturarekiko portaera hobetzearren.

Haustura definitzen duten parametroak ondokoak dira: hausturarekiko erresistentzia (materialek jasan dezaketen tentsio maximoa adierazten duena) eta zailtasuna (materialek hautsi orduko xurgatzen duten energiarekiko proportzionala dena). Zer esanik ez, material zeramikoen zailtasun eskasa, arazorik handiena da ebaketa-operazioetan.

Lehen esan denez, materialen portaera ondoko bi mailetan definitu behar da: konposatu kimiko eta mikroegitura direlakoetan. Konposatu kimikoen portaera intrintsekoa aldaezina denez, portaera mekanikoa hobetzeko bide bakarra mikroegitura aldatzea da. Horretarako, haustura-prozedura ezagutzea komeni da.

Materialen hausturan, ondoko bi prozesuek parte hartzen dute:

• pitzadurak sortzea (tentsio kritikoa gainditzen denean)
• pitzadurak haztea (tentsio-eremuak hornitzen duen energiaz baliatuz)

3. irudia. Hauts-teknologia.

Zeramikoen diseinurako oinarriak

Hausturan parte hartzen duten prozesuak kontutan harturik, ondokoa ondoriozta daiteke:

• pitzadurak sortzea zenbat eta zailagoa izan, hausturarekiko erresistentzia, hainbat eta handiagoa da
• pitzadurak hazten xurgatzen den energia zenbat eta handiagoa izan, zailtasuna hainbat eta handiagoa da

4. irudia. Mikroegituretan aurki daitezkeen mikrohutsune eta ezpurutasunen adibidea.

Zeramiko monolitikoei dagokionez, ondokoan ihardun da. Alde batetik, mikroegiturak gero eta garbiagoak lortzen ari dira, hau da, akats gutxi dauzkaten mikroegiturak. Horrela, pitzadurak sortzeko probabilitatea jaitsi egiten da eta mikroegituraren hausturarekiko erresistentzia, ale monokristalinoari dagokion baliora hurbiltzen da. Halaber, baldin eta akatsak elkarrekiko urrunago badaude (gutxi daudelako), pitzadurak haz daitezen energia gehiago xurgatu behar du materialak; pitzadurak haztea akatsetan sortutako mikropitzadurak elkarri konektatzean baitatza. Beraz, zailtasuna ere hobe daiteke. Bestetik, gero eta mikroegitura finagoak lortzen ari dira, zeren eta, aleak zenbat eta txikiagoak izan, hausturarekiko erresistentzia hainbat eta handiagoa baita.

Adierazitako bi helburuak lortzearren, erabiltzen diren hautsak purutasun handiko eta partikula txikikoak dira. Halaber, dentsifikazioa erabatekoa izan dadin eta tinkatuak kutsa ez daitezen, fabrikazio-teknika sofistikatuak erabiltzen ari dira.

Horrela lortutako zeramiko monolitikoen portaera mekanikoa nabarmenki hobea izan arren, esandakoa ez da diseinubide bakarra. Hain zuzen ere zeramiko monolitikoetatik, zeramiko-zeramiko eta zeramiko-metal konpositeak garatu dira.

Zeramiko-zeramiko konpositeak

5. irudia. Bi TiB ₂ -zeramiko monolitikoen mikroegiturak (José Manuel Sánchez, CEIT). Fabrikazioaren aldagaien bidez, mikroegitura kontrola daiteke. Irudiko adibidean, hasierako hautsen partikulek tamaina ezberdinak zituzten.

Konposite hauek, bi konposatu “zeramiko” dituzte osagai modura. Konposatu ugarienaz osatutako ale-egiturari, matrizea deritzo. Beste konposatuaren aleak, homogenoki banatuta daude matrizean zehar. Bigarren fase honen funtzioaren arabera, ebaketarako ondoko bi zeramiko-zeramiko materialak bereiz daitezke nagusiki:

• Partikulen bidez sendotutakoak
• Fase transformakor baten bidez sendotutakoak

Partikulen bidez sendotutako konpositeen bigarren konposatuaren aleei, elkarrekin loturik ez daudenez, partikula deritze (8. irudia). Matrizeak kanpo-tentsioak barreiatzearren partikulen kontrako indarra eragiten dutela eta, partikula hauek, tentsio-eremu konpresibo baten menpe daude. Beraz, tentsio-eremua jasateko, partikulek matrizeak baino zurrunagoak izan behar dute. Tentsio-eremu honek bai pitzadurak sortzea eta bai pitzadurak haztea eragozten du. Pitzadurak sortzeari dagokionez, partikulak tentsioen metatze-kokagune bihurtzen direla eta, materialak tentsio handiagoa jasan dezake.

Bestalde, pitzadurak sortuz gero, partikulek, pitzadurak haztea oztopatu egiten dute, pitzadurek partikulen inguruko tentsio-eremua zeharkatu ezin dutelako. Beraz, partikula batera hurbiltzen ari dela, pitzadurak norabidea aldatu egiten du (8. irudia). Horrela, pitzadurek egin behar duten bidea askoz luzeagoa dela eta, materialek energia gehiago xurgatu behar dute; hots, zailtasuna, handiagoa da. Arlo honetan, SiC partikulez sendotutako Si ₃ N ₄ (9. irudia) eta TiB ₂ partikulez sendotutako SiC konpositeak, aipa daitezke.

9. irudia. (goikoa) SiC partikulez sendotutako Si ₃ N ₄ konposite baten mikroegituraren xehetasuna (Enkarni Gomez, CEIT) eta (behekoa) ZrO ₂ partikulez sendotutako Al ₂ O ₃ konposite bat (Frank Riley, University of Leeds).

Fase transformakor baten bidez sendotutako konpositeetan, bigarren fase zeramikoak matrizearen aleak inguratzen ditu. Bigarren fase hau, egoera metaegonkorrean dago. Horrela, tentsio kritikoaren menpe dagoenean, fase hau bere egoera egonkorrera transformatzen da. Transformazio honetan energia xurgatu behar dela eta, konpositearen zailtasuna handiagotu egiten da. Bestalde, zenbait kasutan, transformazioarekin batera, bigarren fasearen bolumena ere handiagotu egiten da.

Orduan, fase honek konpresio-indarrak eragiten ditu fase nagusiaren gainean. Beraz, partikulez sendotutako konpositeekin konparatuz, kontrako eragina suertatzen den arren, efektu berbera lortzen da. Horrela, pitzadurek tentsio-eremu hauek zeharkatzeko energia gehiago xurgatu behar dute. Beraz, hau da zailtasuna hobetzeko beste bide bat. Zeramiko-zeramiko konposite hauetan, erresistentzia ez da handiagotzen; pitzadurak matrizeak jasan dezakeen tentsio maximoaren menpe sortzen baitira. Zeramiko-zeramiko konposite hauetan, ZrO ₂ fase transformakorraren bidez sendotutako Al ₂ O ₃ aipa daiteke (9. irudia).

6. irudia. Mikroegituraren mugetako atomoen arteko loturen distortsioa. Alea-alea, alea-ezpurutasuna eta alea-mikrohutsunea motetako mugak aurki daitezke mikroegituretan.

Zeramiko-metal konpositeak: zermetak

Material hauen diseinuaren oinarria, oso sinplea da, hots, zeramikoen ale deformaezinei tentsioak barreiatzeko ahalmena ematean datza. Horretarako, zermetek, ale gogorren inguruan, fase harikor bat dute, mikroegituraren fase berri horrek tentsioak moldarazi egiten dituelarik. Zer esanik ez, fase harikor hau metalikoa da eta, zermetak, zeramikoen eta metalen arteko hibridoak dira. Hau dela eta, zermeten hausturarekiko erresistentzia, gogortasuna eta zurruntasuna zeramikoenak baino txikiagoak dira; zailtasuna, ordea, askoz handiagoa (7. irudia).

10. irudia. WC-(Co, Fe, Ni) zermet baten mikroegitura tipikoa (Roberto González, CEIT). Zuriz, WC aleak eta beltzez, Co, Fe eta Ni direlakoez osatutako fase estekatzaile (FE) harikorra ikus daitezke.

“Konposatu zeramikoa fase harikorra” bikotea egokia izan dadin, zenbait baldintza bete behar dira. Hots, fase gogorrak eta fase metalikoak, kimikoki bateragarri izan behar dute. Bestalde, materiala trinkotzearren bi faseek bata bestearekiko itsatsi egin behar dute. Baldintza hauek betetzen dituzten bikoteak, trantsiziozko zenbait metalen karburo (WC, TiC, TaC, ...) eta boruro (TiB ₂ , ZrB ₂ , ...) direlakoez eta trantsiziozko metalen lehenengo periodoko VIII taldearen Fe, Co eta Ni direlakoez osatuta daude.

Material hibrido hauetan, WC-Co zementaturiko karburoak prezeski aipatu behar dira; lehenengo zermetak izan baitziren (1929. urtean asmatu ziren). Material hauen sinterizazioan fase metalikoa, likidoa da. Horrela, hozketan ale zeramiko solidoak finkatuta geratzen dira mikroegituran. Fase likidoak zementuak bezala eragiten duela, zermet hauei zementaturikoak deritze. WC-Co bikotean oinarrituta, (WC, TiC, TaC)-(Co, Fe, Ni) familiaren erremintak altzairuaren ebaketa-prozesuetan dira erabilienak, aipatutako WC eta Co osagai nagusiak direlarik (10. irudia)

7. irudia. Material (a) zeramiko eta (b) metaliko direlakoen tentsio/ /deformazio-kurba tipikoak.

Aurrera begira

11. irudia. TiB ₂ -Fe, Ni motako zermet baten mikroegitura. FE: Fe eta Ni direlakoez osatutako fase estekatzaile harikorra; M: mikrohutsunea

.

Zeramikoen arloan emandako bultzaldiaren ondorioz, egungo merkatuan dauden erreminta zeramiko asko, zenbait ebaketa-aplikaziotarako bereziki diseinatzen dira. Zeramiko monolitikoak ia atzean utzita, zeramiko-zeramiko konpositeen diseinu sofistikatuak ikertzen ari dira. Hots, partikulen morfologia, tamaina, orientazioa, banaketa eta bestelako aldagaiak kontrolatuz, bakoitzaren ‘gustuko’ mikroegiturak lor daitezke. Beraz, egungo joera, industri premiek eskatzen dituzten propietate mekanikoen araberako material zeramikoak diseinatzeari jarraitzea da.

Zermetei dagokionez, TiB ₂ -(Fe, Ni) familia berria ikertzen ari da (11. irudia). Zermet hauekin, bai kobaltoa eta bai wolframio karburoa ordezkatu nahi dira. Kobaltoaren produkzioa, oso estatu gutxiren esku dago, elementu estrategikoa delako. Halaber, kobalto-hautsak, minbizia sortarazten duela eta, erabiltzea oso arriskutsua da. Beste aldetik, TiB ₂ konposatua WC delakoa baino gogorragoa denez, dagoeneko saiatu diren TiB ₂ -(Fe, Ni) erremintek, zermet “klasikoek” baino portaera hobea adierazi dute abiadura handiko ebaketa-prozesuetan.

8. irudia. (a) Zeramiko-zeramiko konpositearen mikroegitura tipikoa. (b) Konposite hauetan, partikulek jasaten duten konpresio-eremua, pitzadurak desbideratzen ditu. Halaber, pitzadurak adarka daitezke aurkitzen duten eragozpena dela kausa.

12. irudia. Laburpen grafikoa.