熱サイクル中にセラミック部品に亀裂が入るのはなぜですか?

金属が磨耗する. プラスチックが溶ける. 半導体工場では, ジェットエンジンと化学反応器, コンポーネントは 1000°C を超える温度、連続磨耗に耐えることが期待されます。, 化学腐食性物質にも何十年も故障することなく使用できます。. これはまさに、技術的なセラミック部品が埋めるために設計されたギャップです。. 食器棚にあるセラミックとは対照的に、非常に要求の厳しい産業環境向けに作られた耐久性のある精密部品です。. このガイドでは、それらの概要、その作成方法、使用場所、および最適なサプライヤーを選択するための最良の方法について説明します。.

テクニカルセラミック部品とは?

セラミックが選ばれるのは、極度の熱に耐えられるという理由からです. したがって, セラミック部品が長期にわたる高熱にさらされるのではなく、繰り返しの温度変化によって亀裂が生じるのは矛盾しているように思えます。. 残念ながら, 熱サイクルは熱だけでセラミックスを破壊するわけではありません – それよりも, ストレスは悪影響を及ぼします: あらゆる温度変化により内部張力が発生し、最終的には材料の許容範囲を超えます。, 亀裂の形成につながる – この応力がどこから来るのかを理解することが、数週間以内に故障するのではなく、何年も長持ちする耐久性のある部品を作成するための鍵となります.

短い答え: 熱応力が材料の破壊靱性を超える

セラミック部品は、材料が内部応力を除去できるよりも早く内部応力が蓄積するため、熱サイクル下で破損します。. この圧力がそれよりも大きい場合、 コンポーネントの亀裂靭性, これは亀裂の成長を止めるための固有の限界です – 障害が発生する. セラミックス, 延性金属とは異なり、衝撃に耐えるために曲がったり変形したりすることができません。. 結果は突然です, 徐々に曲がったり反ったりするのではなく、壊滅的な亀裂が生じることが多い. コンポーネントがいつ限界点に達するかを決定するさまざまな要因があります, 素材の構成など, その微細構造、機械加工と焼結の履歴、一般的な冷却または加熱速度.

セラミックが熱サイクルに対して特に脆弱である理由

脆性破壊 vs. 延性変形

金属は塑性変形によって熱応力を受けます. 原子が互いに滑り、金属部分は壊れるのではなく曲がる. セラミックにはこの滑り機構がありません. 強力な共有結合とイオン結合により、丈夫で剛性が高くなります。, ただし、同じ剛性は、応力が亀裂の始まりを超えて広がることができないことも意味します。. 微小亀裂が発生し始めると、脆性材料は亀裂の伝播に対してほとんど抵抗を示さなくなります。.

熱膨張係数の役割 (CTE) ミスマッチ

各材料は、温度が変化すると特定の速度で収縮および膨張します。これは、熱膨張係数としても知られています。 (CTE). 部品の異なる領域、または金属製の固定具に接着されたセラミック部品の場合に問題が発生します。 – 異なる速度で拡大する. アルミナが良い例です. 窒化シリコンの約3倍のCTEを持っています。. セラミック片が金属と接合する場合、または部品の一部が他の部分よりも加熱され、亀裂が最も発生しやすい場所に局所的な応力集中が発生する場合.

熱亀裂の主なメカニズム

熱衝撃 抵抗限界

各セラミックには最小温度差があります (DT) 亀裂が入る前に耐えられること. これが熱衝撃に強い理由です. 冷たい状態で熱い物体を加熱することによって引き起こされる急速な冷却または加熱は、熱が材料を通過するよりも速く中心温度と表面温度を引き離す可能性があります。. 表面が膨張または収縮し、コアが後ろに残り、亀裂が始まる箇所に引張応力が発生することがよくあります。.

微細構造欠陥と多孔性

高品質の素材を使用したセラミックには小さな欠陥が含まれる場合があります, 焼結過程で生じる残留気孔や粒界の不規則性や介在物など. これらの欠陥は応力集中要因として機能します. 固体, 気孔率が低く、よく相互成長したピースは、隠れたボイドを持つピースよりも応力をはるかに均一に分散します。. これが、焼結と焼結後の検査の制御が適切な材料の選択と同じである理由です。.

焼結または機械加工による残留応力

焼結中に冷却される焼結速度と、CNC 切断または研削によって生じる機械的応力により、部品に外部に放出されない残留応力が発生する可能性があります。. この応力は通常の状態では目に見えません, ただし、サイクリング中に発生する熱ひずみが直接追加されます。, 部品の安全マージンを確保する, これは理論上の破壊靱性よりも低い.

形状と応力集中

内側の角が鋭利になっている, 壁の厚さの急激な変化と小さなドリル穴は、均一で徐々に変化する幾何学的形状よりもはるかに高い応力を加えます。. 一貫した断面を持つ部品は、多くの場合、熱サイクルに耐えることができます。, 鋭利なエッジや薄い部分のある部品では破損を引き起こす可能性があります.

どれの セラミックス材料 ハンドルサーマルサイクリングベスト?

熱サイクルのパフォーマンスはセラミックファミリーによって大きく異なります。, 主に CTE、熱伝導率、および破壊の強度によって決まります。.

Silicon carbide and silicon nitride generally outperform zirconia and alumina in thermal cycling because they have lower CTE and better thermal conductivity that lets heat flow evenly across the component faster and lessens the temperature gradient which causes cracking.

How to Prevent Cracking From Thermal Cycling

Cracking is usually not due to a single cause. This means that prevention is addressing the material, process and design

• Select materials that have lower CTE and better fracture toughness in applications that have high or frequent temperature fluctuations.
• Control cooling and heating rates to remain within the material’s limits for thermal shock instead of over-extending the limits of DT.
• Improve part geometry to reduce sharp edges and abrupt thickness changes that cause stress.
• 部品の使用開始前に残留応力を緩和するために、焼結中に冷却プロファイルを制御するなどの応力緩和措置を適用します。.
• 高い気孔率と一貫した粒子構造により熱疲労に対する耐性が向上するため、品質監視だけでなく焼結も厳重に行う必要があります。.

デザインを完成させる前にセラミックメーカーに相談すべき場合

素材のデザイン, 構造と焼結手順は別個のものではないため、優れた耐熱衝撃性を備えた材料であっても、その形状に応力が集中したり、焼結により多量の気孔が残ったりすると破損する可能性があります。. エンジニアリング技術. Aams は、社内に R を導入している企業と協力することで最も効果的な成果を達成します。&D, 設計初期段階での焼結および高精度機械加工機能, 生産開始後に壊れた部品を修理しようとしない.

よくある質問

すべてのセラミックは急激な温度変化に耐えることができますか??

いいえ. 熱衝撃耐性は材料によって大きく異なります。一般に、窒化ケイ素と炭化ケイ素は、アルミナやジルコニアよりもはるかに優れた急速な ΔT 耐性を備えています。.

セラミックスの耐熱衝撃性とは何ですか?

これは物体が亀裂を生じずに耐えられる最大の温度差です, 熱伝導率 CTE を使用して測定, 弾性率と亀裂靱性.

セラミックの厚さは熱サイクルにおける亀裂のリスクに影響しますか?

はい. セクションが厚いと、急速な冷却または加熱の際に内部温度勾配がより激しくなり、応力が発生する可能性があります。, より均一な小さな幾何学的形状と比較して.

窒化ケイ素は熱サイクルの用途においてアルミナよりも優れた性能を発揮しますか??

ほとんどの高サイクル環境または急速な温度変化環境, はい – CTE が低く、熱伝導率が高いため、各サイクル中に発生する応力が軽減されます。.

熱亀裂は最終的には材料特性の産物です, 部品の形状, と製造精度が連携、または相互に作用します。. 要求の厳しい熱環境向けにセラミック部品を指定する場合, 吉峰陶磁器’ 社内R&D, 焼結, 精密な機械加工機能により、生産を開始する前に適切な材料と設計を選択できます。. 見積もりを取得する アプリケーションについて話し合うため.