Керамическая технология

Введение.

Керамическая технология и классификация  керамики.

Керамика является третьим  наиболее широко используемым промышленностью  материалом после металлов и полимеров. Она является наиболее конкурентоспособным  по сравнению с металлами классом  материалов для использования при высоких температурах. Большие перспективы открывает использование транспортных двигателей с деталями из керамики, керамических материалов для обработки резанием и оптической керамики для передачи информации. Это позволит снизить расход дорогих и дефицитных металлов: титана и тантала в конденсаторах, вольфрама и кобальта в режущих инструментах, кобальта, хрома и никеля в тепловых двигателях. Основными разработчиками и производителями керамических материалов являются США и Япония. В таблице 14.1 приведена классификация основных видов.

.

Керамическая технология предусматривает следующие основные этапы: получение исходных порошков, консолидацию порошков, т. е. изготовление компактных материалов, их обработку и контроль изделий.

При производстве высококачественной керамики с высокой однородностью  структуры используют порошки исходных материалов с размером частиц до 1 мкм. Измельчение производится механическим путем с помощью мелющих тел, а также путем распыления измельчаемого материала в жидком состоянии, осаждением на холодных поверхностях из парогазовой фазы, виброкавитационным воздействием на частицы, находящиеся в жидкости, с помощью самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и другими методами. Для сверхтонкого помола (частицы менее 1 мкм) наиболее перспективны вибрационные мельницы, или аттриторы.

Консолидация керамических материалов состоит из процессов  формования и спекания. Различают  следующие основные группы методов формования:

1. Прессование под действием сжимающего давления, при котором происходит уплотнение порошка за счет уменьшения пористости;
2. Пластичное формование выдавливанием прутков и труб через мундштук (экструзия) формовочных масс пластификаторами, увеличивающими их текучесть;
3. Шликерное литье для изготовления тонкостенных изделий любой сложной формы, в котором для формования используют жидкие суспензии порошков.

При переходе от прессования  к пластичному формованию и шликерному литью увеличиваются возможности  изготовления изделий сложной формы, однако усложняется процесс сушки  изделий и удаления пластификаторов  из керамического материала. Поэтому для изготовления изделий сравнительно простой формы предпочтение отдается прессованию, а более сложной – экструзии и шликерному литью.

При спекании отдельные  частицы порошков превращаются в  монолит и формируются окончательные  свойства керамики. Процесс спекания сопровождается уменьшением пористости и усадкой.

Применяют печи для спекания при атмосферном давлении, установки  горячего изостатического прессования (газостаты), прессы горячего прессования  с усилием прессования до 1500 кН. Температура спекания в зависимости от состава может составлять до 2000 – 2200°С.

Часто применяются совмещенные  методы консолидации, сочетающие формование со спеканием, а в некоторых случаях  – синтез образующегося соединения с одновременным формованием  и спеканием.

Обработка керамики и контроль являются основными составляющими в балансе стоимости керамических изделий. По некоторым данным, стоимость исходных материалов и консолидации составляет всего лишь 11 % (для металлов 43 %), в то время как на обработку приходится 38 % (для металлов 43 %), а на контроль 51 % (для металлов 14 %). К основным методам обработки керамики относятся термообработка и размерная обработка поверхности. Термообработка керамики производится с целью кристаллизации межзеренной стеклофазы. При этом на 20 – 30 % повышаются твердость и вязкость разрушения материала.

Большинство керамических материалов с трудом поддается механической обработке. Поэтому основным условием керамической технологии является получение  при консолидации практически готовых  изделий. Для доводки поверхностей керамических изделий применяют абразивную обработку алмазными кругами, электрохимическую, ультразвуковую и лазерную обработку. Эффективно применение защитных покрытий, позволяющих залечить мельчайшие поверхностные дефекты – неровности, риски и т. д.

Для контроля керамических деталей чаще всего используют рентгеновскую  и ультразвуковую дефектоскопию.

Прочность химических межатомных связей, благодаря которой керамические материалы обладают высокой твердостью, химической и термической стойкостью, одновременно обусловливает их низкую способность к пластической деформации и склонность к хрупкому разрушению. Большинство керамических материалов имеет низкую вязкость и пластичность и соответственно низкую трещиностойкость. Вязкость разрушения кристаллической керамики составляет около 1 – 2 МПа/м^1/2, в то время как для металлов она составляет более 40 МПа/м^1/2.

Возможны два подхода  к повышению вязкости разрушения керамических материалов. Один из них  традиционный, связанный с совершенствованием способов измельчения и очистки порошков, их уплотнения и спекания. Второй подход состоит в торможении роста трещин под нагрузкой. Существует несколько способов решения этой проблемы. Один из них основан на том, что в некоторых керамических материалах, например в диоксиде циркония ZrO₂, под давлением происходит перестройка кристаллической структуры. Исходная тетрагональная структура ZrO₂ переходит в моноклинную, имеющую на 3 – 5 % больший объем. Расширяясь, зерна ZrO₂ сжимают трещину, и она теряет способность к распространению. При этом сопротивление хрупкому разрушению возрастает до 15 МПа/м^1/2.

Рисунок 14.1 – Схема упрочнения конструкционной керамики включениями ZrO₂ (а), волокнами (б) и мелкими трещинами (в): 1 – тетрагональный ZrO₂; 2 – моноклинный ZrO₂

Второй способ состоит в создании композиционного материала путем введения в керамику волокон из более прочного керамического материала, например карбида кремния SiC. Развивающаяся трещина на своем пути встречает волокно и дальше не распространяется. Сопротивление разрушению стеклокерамики с волокнами SiC возрастает до 18 – 20 МПа/м^1/2, существенно приближаясь к соответствующим значениям для металлов.

Третий способ состоит в том, что с помощью специальных технологий весь керамический материал пронизывают микротрещинами . При встрече основной трещины с микротрещиной угол в острие трещины возрастает, происходит затупление трещины и она дальше не распространяется.

Определенный интерес представляет физико-химический способ повышения надежности керамики. Он реализован для одного из наиболее перспективных керамических материалов на основе нитрида кремния Si₃N₄. Способ основан на образовании определенного стехиометрического состава твердых растворов оксидов металлов в нитриде кремния, получивших название сиалонов. Примером высокопрочной керамики, образующейся в этой системе, являются сиалоны состава Si_3-хAl_xN_4-хO_х, где х – число замещенных атомов кремния и азота в нитриде кремния, составляющее от 0 до 2,1. Важным свойством сиалоновой керамики является стойкость к окислению при высоких температурах, значительно более высокая, чем у нитрида кремния.

Характеристика  керамических изделий.

Строительные керамические материалы и изделия в зависимости от основного назначения делятся на группы (СНиП I-B.9-62):

а) стеновые материалы - кирпич глиняный обыкновенный, кирпич глиняный пустотелый и пористо-пустотелый пластического  прессования, кирпич глиняный пустотелый полусухого прессования, камни керамические пустотелые пластического прессования, кирпич строительный легкий. В последнее время заводы стали вырабатывать крупноразмерные керамические изделия - блоки, панели, которые также относятся к этой группе;

б) кирпич и камни строительные глиняные специального назначения - кирпич глиняный лекальный, камни для канализационных сооружений (подземных коллекторов), кирпич для дорожных одежд (мостовой клинкер). Кирпич для дорожных одежд в нашей стране не получил распространения и имеет крайне незначительное применение;

в) изделия керамические пустотелые для перекрытий - камни для часторебристых покрытий (сборных или монолитных), камни для армокерамических балок, камни для накатов, а также  панели перекрытий и покрытий, изготовленные  из отдельных керамических камней;

г) изделия керамические для облицовки  фасадов зданий - кирпич и камни  керамические лицевые, ковровая керамика, плитки керамические малогабаритные, плиты керамические фасадные, подоконные сливы;

д) изделия керамические для внутренней облицовки - плитки для облицовки стен, детали встроенные, плитки для полов;

е) кровельные материалы - черепица глиняная;

ж) трубы керамические канализационные  и дренажные;

з) изделия керамические кислотоупорные - футеровочные (кирпич кислотоупорный нормальный, плитки кислотоупорные и др.), трубы кислотоупорные и фасонные части к ним.

Указанные изделия изготовляются  из легкоплавких, тугоплавких и реже огнеупорных глин, чаще всего без  значительной подготовки и обработки  их и поэтому в основном относятся к так называемой грубой строительной керамике, за исключением плиток для внутренней облицовки стен и плиток для полов.

По строению черепка  они делятся на две группы: с  пористой структурой (пористость больше 5%) - кирпич, черепица, архитектурно-отделочная керамика и др. - и с плотной камневидной структурой, спекшиеся (пористость менее 5%) - плитки для полов, канализационные трубы и др. Изделия из грубой строительной керамики могут быть неглазурованными и глазурованными(покрыты тонким слоем легкоплавкого стекла).

Керамические изделия  разделяют на грубую и тонкую керамику бытового и

технического назначения (рис. 1).

К тонкой керамике относятся  тонкостенные изделия из бело- или  светложгущихся глин и каолинов с  мелкозернистым, обычно белым и часто просвечивающим черепком. Изделия из тонкой керамики могут также быть пористыми (из фаянса) и плотными, неглазурованными, например из технического фарфора, и покрытыми прозрачной или глухой глазурью, например электротехнический фарфор, скульптурные изделия.

Рис. 1. Классификация  керамических изделий.

 

 

К грубой в основном относится: архитектурно-строительная керамика (кирпич, изразцы, керамические облицовки оконных наличников, черепица и др.) и огнеупорная (плиты, капсели, подставки для обжига изделий и др.). 
В производстве грубой керамики широко используются повсеместно распространенные легкоплавкие и тугоплавкие глины различного 
состава и цвета. Схема приготовления масс сравнительно простая. Исходные материалы измельчают (глина должна содержать после измельчения частицы размером не более 0,5 мм, отощающие материалы - не более 3-4 мм), а затем смешивают в смесителях, куда подают воду (или пар) для получения заданной влажности массы. После обжига изделия имеют в изломе грубозернистую структуру (различимы зерна разного размера и состава). 
Производство изделий тонкой керамики отличается повышенными требованиями к качеству и однородности сырья, более сложными процессами приготовления и переработки масс, формования, тщательной отделкой поверхности изделий в зависимости от технологических требований и повышенными требованиями к качеству обжига. В процессе приготовления масс все исходные материалы подвергают тонкому помолу (материалы проходят через сито, имеющее не менее 10 000 отв/см²). После обжига изделия имеют в изломе мелкозернистую однородную структуру. 
К тонкой керамике бытового назначения относят изделия из фарфора, полуфарфора, тонкокаменных масс, фаянса и майолики. 
Техническая керамика - материалы, искусственно синтезированные химическим путем и отличающиеся особыми специфическими свойствами. Для производства различных видов изделий из технической керамики используют преимущественно искусственные, химически чистые материалы (оксиды алюминия, магния, кальция, циркония, ванадия и др.; силикаты; бескислородные соединения, например карбид кремния и др.). Изделия технической керамики стали незаменимыми в современной радио- и электротехнике, электронике, химическом машиностроении и других отраслях техники и промышленности. 
По степени спекаемости и физико-техническим свойствам различают пористые и спекшиеся изделия тонкой керамики. 
Пористые изделия пропускают жидкости и газы, водопоглощение их выше 5 % по массе. Они непрозрачны. Для снижения водопроницаемости, улучшения внешнего вида изделия покрывают глазурью (стекловидное покрытие). 
Спекшиеся изделия имеют водопоглощение не более 5 %, не пропускают жидкости и газы, в изломе имеют мелкозернистую блестящую структуру.

 

 

 

 

Классификация керамических изделий.

Фарфор - материал белого цвета, имеющий однородное мелкозернистое строение, блестящий в изломе, просвечивающий в тонком слое и непроницаемый для жидкостей и газов. Фарфоровые изделия бытового назначения покрывают глазурью. Фарфор обладает высокой химической и термической стойкостью, другими положительными свойствами (высокие диэлектрические показатели и др.), что позволяет применяют фарфор в различных областях техники (например, в электротехнике - фарфоровые изоляторы и др.). 
В зависимости от состава исходных масс и температуры обжига получают твердый и мягкий фарфор с различными свойствами. Изделия из мягкого фарфора обжигают при температуре 1200-1250 °С, а из твердого фарфора - при температуре 1380-1430 °С. 
Изделия из тонкокаменных масс по своим свойствам близки к фарфоровым, но для их производства используют различные по составу и цвету глины. Изделия из каменных масс имеют различную окраску и за счет введения в состав масс различных керамических красителей. Температура полного спекания каменных масс ниже, чем фарфоровых. После обжига материал имеет в изломе мелкозернистую, плотноспекшуюся, матово-блестящую структуру. Изделия из каменных масс имеют толстые стенки (толще, чем у фарфоровых изделий), так как в тонком слое каменные массы сильно деформируются при обжиге. 
Полуфарфор - материал, получаемый из масс на основе беложгущихся глин с повышенным содержанием полевого шпата или других сырьевых материалов, которые способствуют образованию спекшегося материала при более низкой температуре обжига. Степень спекания определяется по величине водопоглощения и прочности материала после обжига. 
Фаянс - материал белого цвета, мелкозернистого однородного строения в изломе, без глазури пропускает воду и газы (обладает пористостью). Фаянсовые изделия бытового назначения покрывают глазурью для улучшения внешнего вида и получения водонепроницаемого материала. Помимо изделий бытового назначения выпускают фаянсовые облицовочные плитки, санитарно-строительное оборудование (сливные бачки, унитазы, раковины, полочки) и другие фаянсовые изделия, применяемые в различных областях техники. 
Различают глинистый, известковый и полевошпатовый фаянс.

 

Майолика - это разновидность глинистого фаянса, но материал не белого цвета, а самого различного, так как для производства майоликовых изделий используют глины разного состава и цвета. Майоликовые изделия покрывают цветными прозрачными и непрозрачными глазурями, которые маскируют цвет материала изделий. На Конаковском и Будянском фаянсовых заводах традиционно называют майоликовыми изделия, изготовленные из фаянсовых масс и декорированные цветными глазурями (поливами). 
Свойства, температуры обжига и составы керамических масс приведены в табл. 1,2. 
Фарфоровые и фаянсовые изделия 6ытоеого назначения классифицируют: по составу материала и технологии изготовления, назначению, форме, размерам. 
По составу материала и технологии изготовления все изделия бытового назначения подразделяются на фарфоровые, полуфарфоровые, из костяного фарфора, фаянсовые и майоликовые. 
По назначению различают столовую, чайную, кофейную посуду и художественно-декоративные изделия (вазы, скульптура и др.) 
По форме посуду подразделяют на полые и плоские изделия. К плоским относят изделия с соотношением h/d ≤ 0,5 (блюдца, тарелки, блюда, доски для сыра и др.), к полым - изделия с соотношением h/d  > 0,5 (чашки, пиалы, чайники, кофейники и др.), где h - расстояние от нижней точки внутренней поверхности до внешней точки возможного наполнения сосуда, мм; d - внутренний диаметр наибольшего горизонтального сечения, мм. 
По размерам изделия подразделяют следующим образом: мелкие - диаметром или длиной до 175 мм, вместимостью до 500 см³; крупные - диаметром или длиной от 175 до 250 мм, вместимостью от 500 до 1000 см³; особо крупные - диаметром или длиной от 250 мм и более, вместимостью 1000 см³ и более. 
Фарфоровые и фаянсовые изделия выпускают высшего качества, I, II и III сортов. 
По комплектности различают комплектные и одиночные изделия. Особенность изделий, входящих в комплект, - единство формы и декоративного оформления. 
В зависимости от наличия или отсутствия глазурного слоя изделия подразделяют на глазурованные и неглазурованные. 
Основные ассортиментные группы заводской продукции: столовые, чайные, кофейные сервизы; наборы тарелок; чайные чашки с блюдцами; детские наборы; отдельные предметы чайной и столовой посуды (масленки, розетки для варенья, рюмки для яиц, кружки, кувшины, селедочницы, салатники, вазы для салфеток, бокалы, штофы-графины для вина, пепельницы, чайники и др.); художественно-декоративные изделия; скульптура и др. 
Для всех тонкокерамических изделий общими являются используемое сырье и способы производства, оборудование и тепловые агрегаты, способы декорирования и т. д.