Dielektromos zománcozás rendkívüli tulajdonságokkal
Rudi Meinen, Ferro Techniek Eckhard Voß, Wendel Email Mitteilungsblatt, 2006.02. (Fordította: Dr Való Magdolna)
1. A dielektromos zománc definíciója és tulajdonságai A dielektrikum definíciója a következ : a dielektrikum egy igen nagy specifikus ellenállású anyag (108-1014 m). A dielektrikumok elektromosan majdnem egyáltalán nem vezetnek, de polarizálható anyagok, ezért gyakran az izolátor szót, mint a dielektrikum szinonimáját alkalmazzák (1.ábra). Egy ideális dielektrikumnak nincs szabad töltéshordozója, az igazi dielektrikumok határa a félvezet kkel szemben homályos. A dielektromos viselkedést minden aggregát állapotban meg kell állapítani, mind kristályos, mind amorf anyag esetében. A „dielektrikum” fogalmat mindenekel tt akkor alkalmazzák, ha nem csak az anyag izoláló tulajdonságáról van szó, hanem különösen egy kondenzátor fegyverzete közötti viselkedésér l, amelynek nagy a kapacitása a vákuumértékkel szemben. Egy anyag dielektromos viselkedése, az elektromágneses hullámokkal szembeni transzmissziós és az abszorpciós tulajdonságaira vonatkozóan, elméletileg a komplex dielektromos állandójával, illetve a veszteségi szögével írható le; technikai szempontból a jellemzéséhez az átütési szilárdságának EDS van jelent sége. A dielektrikumokat célszer en szervetlen és szerves dielektrikumokra osztják fel. Szervetlen dielektrikumok az elemek, mint a kén, a foszfor, a bór, továbbá a gyémánt; a legtöbb gáz (folyékony és szilárd állapotban is); a sziliciumdioxid és a fémoxidok, mint az alumíniumoxid és a tantáloxid; üvegek, kerámiák, csillám és az aszbeszt. Szerves dielektrikum gyakorlatilag minden szerves vegyület, kivéve azokat, amelyek jellegzetes módszerrel konjugált kett s kötés ek, néhány molekulakomplex és pirolizált grafitszer termék. Ismert képvisel i a polimerek, mint a polisztirol, polivinilklorid, polietilén, borostyánk , gyanta, parafin, olajok és sok más szerves folyadék. Az általános definíció szerint a dielektromos zománcnak tehát nagy fajlagos ellenállásúnak és nagy átütési szilárdságúnak kell lennie. Ezeket a tulajdonságokat meg kell tartania széles h mérséklet-tartományban. Például egy f z lap teljes keresztmetszetében tág h mérséklet tartományban ellenállónak kell lennie. Dielektromos zománccal kell bevonni a kerámia testre kötött huzaltekercseket és azok a használatnál nem mutathatnak semmiféle repedezést. A dielektromos zománcok kémiai ellenállóképessége alárendelt jelent ség . A zománcok lehetnek direktzománcok vagy alkalmazhatók fed zománcokként. A tulajdonságokat el nyösebb alkáliamentes zománcokkal elérni. Különösen a direktzománcoknál nehéz elérni az összes tulajdonságot, mint kötés, tágulás és nedvesítés. Különös jelent sége van a zománc buborékszerkezetének. A zománc összetétele lényegesen befolyásolja a buborékszerkezetet.
Szigetelésnél az elektronok az atomot nem hagyhatják el. Nem lehet küls elektromos mez , így az elektronok töltési súlypontja az atomburokba esik, a pozitív töltés atommag töltési súlypontjával együtt.
Küls töltés hatása alatt (tehát ha elektromos mez van) eltolódnak ezek a töltési súlypontok. Az atomburok könny elektronjait a küls pozitív töltések, a nehéz atommagot a küls negatív töltések kissé magukhoz vonják. Az atomok az izolátorban kis elektromos dipóllá alakulnak, polarizá-lódnak. Ezért az izolátort dielektrikumnak is nevezik 1.ábra A dielektrikum sémája
2. A sikeres zománcozás feltételei Ha megvan az alkalmas zománc vagy zománckombináció, biztosított az egyenletes min ség termék. A komplikált, drága alkatrész kiesése a teljes komplett eszköz kiesését okozza. A hibalehet ségek analízise szerint a következ hiba okok lehetségesek a gyártás során: 1. zománcfritt 2. iszap 3. hordozóanyag 4. zománcozás 5. szitanyomás 6. szerelés
- min ség - el készítés - min ség - körülmények - kivitel - körülmények
Ezeket a f pontokat különböz tényez k támasztják alá. Például a zománc min ségét a következ pontok befolyásolják: 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
nyersanyagok olvasztási körülmények malomadalékok a hordozóanyaggal történt reakciók égetési feltételek
A frittgyártó felel ssége a zománcgyártás. A min séget és a zománc tulajdonságait a nyersanyagok kiválasztása és az olvasztási körülmények befolyásolják
1.1 Nyersanyagok A nyersanyagokat úgy kell kiválasztani, hogy az olvadék egyenletes kigázosodása biztosított legyen. A dielektromos zománcok adalékai megkövetelik az összetétel igen pontos betartását. Idegen elemek csekély mennyisége megváltoztathatja az elektromos tulajdonságokat. A nyersanyagok kiválasztásánál nagy súlyt kell fektetni a min ség egyenletességére. 1.2 Olvasztás Az átütési szilárdságot jelent sen befolyásolja a buborékképz dés mértéke. A 2001 évi DEV napokon a Wendel ismertette a szabadalmaztatott olvasztási metódusát. Mint ahogyan Lipcsében el adtuk, ezt az olvasztási metódust egyenesen a dielektromos zománcok számára állítottuk el . Az átütési szilárdság számára különösen a szabálytalan buborékképz dés és a nagy buborékok kedvez tlenek. A szabadalmaztatott olvasztási eljárás biztosítja, hogy egyenletes buborékeloszlás jöjjön létre. A 2.ábrán ugyanaz a zománc látható Wendel olvasztási eljárással és egy forgó kemencében történt szokásos olvasztás után. A Wendel olvasztási metódus által meggátolható, hogy a zománcban nyersanyag maradékok legyenek. A nem kiolvasztott nyersanyag oka lehet a lokális nagy buborék képz désének, és pl. a fekete pontoknak a titánfehér zománcban. Az a lehet ség, hogy forgókemencében homogén olvadékot állítunk el , és hogy hengerek között h tjük le, egyenletesen homogén olvadékhoz vezet. A malomadaléknál, az acélmin ségnél és a beégetési körülményeknél fennálló hibalehet ség kiküszöböléséhez nem kerültünk közelebb. Ha a dielektromos zománc FMEA szerinti el állítását vesszük figyelembe, felismerjük ennek a terméknek a komplexitását. A zománc és a zománcozás lényeges része a gyártási folyamatnak. A folyamat uralásához feltétlenül fontos a hibalehet ségek ismerete. A zománc tulajdonságait meghatározott vizsgálati ráfordítással kell megállapítani. Összehasonlítva a zománcfelhasználással megnövekedett laborköltségekkel kell számolni.
2. ábra
3. Az új zománctípus dilatometrikus adatai. A zománcozott alkatrészeknek például egy kb. 75 cm2 felületen 3500 Watt teljesítményt kell átvennie. A h mérsékletváltozás és a h mérsékletkülönbség ezen a felületen nagyon extrem. A repedések elkerüléséhez a zománcnak nagy nyomófeszültség alatt kell lennie. Egyidej leg az alkalmazási h mérsékletet a lehet legnagyobb h mérsékletre kell eltolni. Ehhez a kötésnek a nemesacélon nagyon
jónak kell lennie. A 3.ábrán különböz dielektromos zománcok láthatók. Az új típus, mint Kerdi HT (Kerdi = Keramisches Dielektrikum) van jelölve, a Tg transzformációs tartományban fekszik, messze az eddigi Kerdi típus TE lágyulási h mérséklete felett. Az új zománccal teljesen új tulajdonságokat értünk el.
3. ábra A Kerdi variánsok tágulási együtthatói
4. A Kerdi 2 tulajdonságainak összehasonlítása a Kerdi 1-gyel A réteg elemei a 4.ábrán látható módon van felépítve: a fémalap (Carrier sheet metal) többnyire ferrites nemesacél. Ha a zománc tágulási együtthatójának nagynak kell lennie, lehet ausztenites (nem mágneses) nemesacélt alkalmazni. A f t elem (Thick Film circuit) f ként meghatározott ellenállású ezüstb l áll. A fed réteg feladata az elemet az atmoszférikus és a mechanikus hatásoktól megvédeni. A fed réteg lehet egy zománc vagy egy szerves-szervetlen réteg, a fellép h mérsékletterhelést l függ en, és attól, hogy az alkatrész milyen atmoszférának van kitéve.
4. ábra A réteg elemeinek felépítése
A Kerdi 2 kifejlesztését a következ szempontok és a lényeges javítások irányították: a. hosszabb élettartam magas h mérsékleten b. alacsonyabb levezetési áram magas h mérsékleten c. jó átütési szilárdság az egyenletes eloszlású, kevés buborék által d. nagy nyomófeszültség e. beállítható levezetési áram. Némely termék számára a Kerdi 1 h állósága nem kielégít . A Kerdi 1 magas h mérsékleten (>350oC) túlságosan nagy levezet áramot mutat. A levezet áramot a felületen a földeléssel szemben mérik. Nagy f t felületnél, mint a pirolitikus t zhelynél és a piritónál, a levezet áram túlságosan nagy. A Kerdi 1 élettartama 350oC felett, a nagy levezet áram által hátrányosan befolyásolt. A Kerdi 1 és a Kerdi 2 levezet árama az 5.ábrán látható.
5. ábra Levezet áram a h mérséklet függvényében
Még nagyobb befolyása van az élettartamra magas h mérsékleten a nyomófeszültségnek. Igen magas h mérsékletnél és nagyon nagy h mérsékletkülönbségnél a zománcban nagy húzó- és nyírófeszültség keletkezik. Ezek a feszültségek repedéseket okozhatnak, amelyek a f t elemben az ellenállás növekedéséhez vezet. Az ellenállás növekedése átégeti az elemet, rövidzárlat keletkezik. A repedések keletkezését a magas nyomófeszültség gátolhatja. A nyomófeszültség a Kerdi és az acél különböz tágulása által keletkezik, és az ebb l ered neutrálpont határozza meg. A Kerdi 2 nyomófeszültsége 2,3-szor nagyobb mint a Kerdi 1-é. Nagyon magas nyomófeszültségnél magasabb követelményt állítunk a kötéssel szemben. A fritt, a malomadalék és az acél el kezelésének optimalizálásával a ferrites nemesacélon a Kerdi 2 – vel igen jó kötés érhet el. A tulajdonságok összehasonlítása szerepel a 6.ábrán. 8
Nyomófeszültség ( x 10 Pa ) Kötés (N/mm2)
Kerdi 1 1,1 10
Kerdi 2 2,3 25
6.ábrán
A nagy nyomófeszültség, a magas lágyuláspont és az alacsony levezet áram által a Kerdi 2-vel hosszú élettartam érhet el magas h mérsékletnél. Az új fejlesztés lehet vé teszi a magas munkah mérséklet alkalmazását. A 7.ábrán a vizsgálati eredmények láthatók 500oC-on. Nagyon magas h mérsékleten (700-800oC) is hiba nélkül alkalmazhatók az elemek.
7. ábra Élettartam vizsgálat
5. Túlhevítésvédelem levezet árammal A túlhevítést a levezet árammal szabályozni lehet (szabadalom). A levezet áram az üvegben a h mérséklett l és az összetételt l függ. Egy meghatározott h mérséklett l exponenciálisan növekszik a levezet áram az üvegben (8.ábra) A Kerdi 2 alacsony levezet árama miatt úgy változtattuk a zománcot, hogy a kívánt h mérsékletnek megfelel en a kívánt levezet áram beállítható legyen. A variációk a 9.ábrán láthatók. Az új szabadalmaztatott lehet ség által a kívánt munkah mérsékletre lehet beállítani a réteg elemeit. A levezet árammal történ túlhevítésvédelem el nye, hogy az elem teljes felülete biztosítva van, ellentétben a bimetallal, amelynél a felületnek csak kb. 5% biztosított. A kapcsolási id is nagyon gyors. Ezért nagyon nagy ennek az elemnek az élettartama.
8. ábra E-FAST- technológia
9. ábra Különböz munkaáramok
6. Alkalmazási lehet ségek A következ termékek már gyártásban vannak vagy lehet ség van a gyártásukra Kerdi 2-vel: a. b. c. d. e.
Nagy f t felületek grill-lapok, f z lapok, süt kamrák Kis f t felületek vízmelegít k, rizsf z k, átfolyós kisméret melegít k, piritók Háztartási eszközök bojlerek, átfolyós nagyméret melegít k, fali sugárzó panelek Ipari alkalmazások másológépek, hegeszt gépek Autóipar és infrastruktúra es érzékel k, váltóf tések
7. Összefoglalás A frittgyártó és a feldolgozó szoros együttm ködésével új termék született. Az új anyag a különböz Kerdi-variánssal lehet vé teszi a h átadást teljesen új terméknél. A zománc ismét bizonyította, hogy olyan anyag, amelynek számos lehet sége van.
