-частота колебаний вибростола 95-100 Гц;
-амплитуда колебаний 0,1 мм;
-время уплотнения 30 с.
При данных параметрах виброуплотнения достигается Ку = 8,6.. .9,0.
2.4.4. Процессы спекания и обжиг керамики
От химических и физических процессов, протекающих при обжиге керамических материалов, зависят состав и характеристика образующихся фаз, их соотношение, размер, форма и взаимное расположение структур ных элементов (включая поры), изменение массы и объема изделия. Эти процессы определяют весь комплекс физических, механических и химиче ских свойств керамики, а также получение заданных размеров и формы из делий.
Химические процессы, протекающие при обжиге керамики различных типов, весьма разнообразны. К числу таких процессов относятся: термиче ское разложение компонентов масс; окислительно-восстановительные процессы при их взаимодействии с газовой средой обжига; их модификационные превращения, растворение в расплаве твердых фаз и кристалли зация из расплава.
Понятием «спекание» издавна пользуются при описании и анализе процессов обжига в технологии керамики. Попытки дать точное определе ние термину «спекание» предпринимались неоднократно. Однако из-за сложности и многозначности явлений, охватываемых этим понятием, в на учной литературе не существует общепринятого и строгого определения, показывающего одновременно физическую сущность процесса спекания и меру его количественной оценки.
В результате спекания керамический материал (сырец), подвергнутый термообработке, превращается из конгломерата слабосвязанных частиц, объединяемых преимущественно силами трения и явлением адгезии, в единое твердое тело, которое может быть разрушено лишь при разрыве возникших прочных связей. Такими связями являются межатомные силы, действующие в кристаллической решетке, в стекловидном веществе или в соответствующих пограничных слоях.
Чаще всего за количественную оценку процесса спекания принимают величину изменения плотности обжигаемого материала. При этом понятия «спекание» и «уплотнение в обжиге» даже отождествляют, что для многих практически важных случаев является вполне оправданным. Однако такой подход не нужно считать универсальным, так как во многих случаях обжи гаемые материалы приобретают значительную прочность и необходимые свойства почти без уплотнения (а иногда даже и при снижении плотности). Очевидно, нельзя отказываться от термина «спекание» и для обозначения
процесса слияния слабосвязанных частиц в прочное тело с требуемым ком плексом свойств.
Основным энергетическим источником процесса спекания является свободная энергия поверхности частиц на границах раздела фаз: кри сталл - газ и жидкость - газ. При спекании, т.е. при образовании из порис того конгломерата более монолитного тела, уменьшаются межфазовые по верхности раздела и связанная с ними свободная энергия системы. Роль поверхностной энергии подтверждается, в частности, тем хорошо извест ным фактом, что при более тонком измельчении материалов (т.е. при уве личенной удельной поверхности) спекание всегда интенсифицируется. Однако этот важный и универсальный факт еще не раскрывает конкретных механизмов спекания.
При рассмотрении механизмов и классификации процессов спекания прежде всего следует учитывать фазы, участвующие в спекании керамиче ской системы. Если спекание обусловливают процессы, идущие в системе твердая фаза - жидкость - газ, то основная роль в механизме переноса ве щества принадлежит жидкой фазе. Эту группу процессов называют спека нием с участием жидкой фазы или жидкостным спеканием. Процессы спе кания, протекающие без участия жидкой фазы, называют твердофазовым спеканием.
Для анализа процессов спекания такого разделения на две группы не достаточно, так как в каждой из групп возможен не один, а несколько ме ханизмов переноса вещества. При жидкостном спекании такими механиз мами являются вязкое течение жидкости и ее взаимодействие с твердой фазой. При твердофазовом спекании следует рассматривать механизмы пластической деформации твердых частиц, испарения-конденсации и диффузионный. Разделение процессов по механизму переноса вещества очень важно для их исследования и установления основных закономерно стей. При этом необходимо учитывать, что спекание многих реальных ке рамических тел происходит при одновременном действии различных ме ханизмов.
2.4.5. Жидкостное спекание
Процессы спекания при участии жидкой фазы являются наиболее рас пространенными в технологии строительной и тонкой керамики, алюмоси ликатных огнеупоров и многих других видов технической керамики.
Присутствие в системе жидкости при высоких температурах может обусловливаться наличием в исходном сырье примесей (плавней) как от носительно легкоплавких минералов, так и компонентов, образующих при взаимодействии эвтектические расплавы.
т.е. усадку материала. Скорость сближения (т.е. величина относительной
усадки ^JU , наблюдаемой в единицу времени) пропорциональна поверхно-
стному натяжению о сж, обратно пропорциональна вязкости жидкости т) и размеру частиц г. Таким образом, высокая вязкость жидкости замедляет процесс спекания, а повышение температуры, которое влияет на уменьше ние вязкости гораздо больше, чем на снижение поверхностного натяжения, ускоряет спекание. Однако чрезмерное уменьшение вязкости недопустимо из технологических соображений, так как оно ведет к общему размягче нию спекаемого материала и может вызывать деформацию изделия под действием сил тяжести.
2.4.6. Твердофазовое спекание
При получении многих типов технических изделий из керамики к их огнеупорности, химической стойкости, механическим, тепловым, электри ческим или магнитным свойствам предъявляются такие требования, кото рые исключают присутствие в спекаемом материале существенных коли честв жидкости. Если незначительное количество жидкости и образуется (чаще всего за счет неконтролируемых примесей), то ее стягивающее и растворяющее действие никак не может быть определяющим фактором в процессе спекания. Следовательно, при спекании должны действовать ка кие-то другие механизмы переноса вещества, непосредственно между твердыми частицами, вызывающие заполнение промежутков (пор), уплот нение и упрочнение системы. Такими механизмами (процессами) в прин ципе могут быть: пластическая деформация твердых частиц, испарение (сублимация) вещества и его конденсация на поверхности частиц, диффу зионное перемещение вещества в твердом теле (диффузионный механизм).
Процессы пластической деформации и испарения-конденсации в спе кании окисной керамики играют незначительную роль. Наиболее важны процессы твердофазового спекания, основанные на диффузионном меха низме переноса вещества.
Возможность диффузии вещества в твердом теле обусловлена наличи ем дефектов кристаллической решетки. Главную роль в процессах диффу- ,зии играют точечные дефекты, или вакансии, т.е. узлы кристаллической решетки, не заполненные соответствующими атомами (ионами). Атом или ион, перескакивающий благодаря тепловому движению с узла решетки на соседнюю вакантную позицию, освобождает тем самым новую вакансию, что создает возможность продолжения процесса.
Направление и интенсивность диффузионного перемещения вещества между отдельными участками кристалла зависят от существующей между
Сравнивая процессы твердофазового (диффузионного) и жидкостного спекания, нужно отметить, что первый в большинстве случаев протекает с меньшей скоростью и требует для своего завершения более высоких тем ператур. Необходимость высоких температур, а для электрокорунда это 1700-1750 °С, может серьезно затруднить или удорожить производство со ответствующих изделий. Поэтому на практике часто приходится решать задачу интенсификации диффузионного спекания. Известны следующие основные способы интенсификации такого спекания:
1. Повышение степени измельчения исходного материала, вплоть до получения преобладающей части зерен с размерами меньше 1 мкм. При уменьшении размера зерен увеличивается общая поверхность раздела фаз, уменьшается средний радиус кривизны выпуклых участков спекания от дельных зерен, растет избыточная поверхностная энергия спекаемых зе рен, уменьшается расстояние между источниками и поглотителями вакан сий. Суммарный эффект этих факторов определяется тем, что теоретиче ски рассчитанная скорость усадки по диффузионному механизму обратно
пропорциональна D5у/6 (D - начальный диаметр частиц). Эксперимен тальные исследования и практический опыт керамических производств подтверждают важнейшую роль степени измельчения. За счет действия этого фактора удается в ряде случаев снизить требуемую температуру спе кания на 200° и более.
2. Применение исходных материалов в так называемом активном со стоянии, т.е. с повышенной дефектностью кристаллического строения и, следовательно, с избыточной свободной энергией. Дефектность строения, способствующая ускорению диффузионного процесса, зависит, главным образом, от условий получения материала. Предварительная термическая обработка таких материалов ведет к «залечиванию» дефектов. Это снижает активность материала при последующем обжиге керамики. Возможность использования данного фактора ограничена технологической причиной - увеличением усадки продукта - и может привести к браку (деформация, усадочные трещины).
3. Введение добавок, образующих твердые растворы с основным ком понентом. Если ионы компонента, входящего в твердый раствор, отлича ются по своему заряду от замещаемых ионов основного вещества, то в ре шетке создаются вакансии (катионные или анионные), что может способ ствовать диффузионному процессу и интенсификации спекания. Примером такого рода добавок, снижающих температуру спекания на 100-200 °С, мо гут служить диоксид титана ТЮг (до 1-2 %), вводимый в керамику на ос нове AI2O3, или оксид железа ИегОз (до 2-3 %), вводимый в керамику на основе MgO.
Для интенсификации твердофазового спекания используют регулиро вание газовой среды обжига с целью создания нестехиометрии основной фазы по кислороду (анионные вакансии).
Для ограничения рекристаллизации при спекании прежде всего тща тельно регулируют температуру обжига. Иногда для этой цели могут быть использованы добавки, вызывающие образование небольших количеств новой фазы, располагающейся на границах между кристаллами основной фазы. В этом случае перенос массы с кристалла на кристалл затрудняется. Нередко используют эмпирически подобранные добавки, существенно влияющие на процесс твердофазового спекания и рекристаллизацию (т.е. вызывающие изменение требуемой температуры обжига, формы и размера зерен в спеченном материале и т.д.), хотя механизм их действия остается пока не установленным.
Наиболее эффективно действуют добавки ТЮ2 и М п02, снижающие температуру спекания на 100-150 °С. Механизм действия ТЮ2 и М п02 точно не установлен, но очевидно, что образуется твердый раствор вне дрения данных элементов в AI2O3. Это вызывает искажение кристалличе ской решетки корунда и, как следствие, более активное спекание и рекри сталлизацию. Наибольшему росту кристаллов А120 з способствует добавка ТЮ2. При введении 1-2 % ТЮ2 преобладающий размер кристаллов корун да достигает 200-350 мкм, что не всегда является положительным факто ром. Крупнозернистый корунд с добавкой ТЮ2 отличается более высокой термостойкостью по сравнению с корундом нормальной кристаллизации, но имеет меньшую механическую прочность. ТЮ2 является наиболее ти пичной добавкой, действующей одновременно на спекание и кристаллиза цию корунда. Ряд добавок задерживает рост кристаллов корунда. К этим добавкам относятся Z r02, S i02, CaF2, MgO, MgF2. При введении таких до бавок образуется корунд микронных прослоек МеО-А^Оз. Мелкокристал лическая структура корунда улучшает механические свойства изделия.
Кроме добавок, которые представляют собой в большинстве случаев отдельные окислы и действуют почти при полном отсутствии жидкой стекловидной фазы, существуют добавки, действие которых как раз и ос новано на образовании стекловидного вещества. Такие добавки снижают температуру обжига корунда в процессе жидкостного спекания. Однако для снижения температуры спекания на 80-100° требуется уже большее количество добавок (5-7 %), способное образовать заметное количество жидкости - до 10-15 %. Стеклообразующие добавки обычно вызывают не только понижение температуры спекания, но и сокращение роста кристал лов, уменьшение внутрикристаллической пористости. В большинстве слу чаев такие добавки представляют собой щелочно-земельное и алюмосили-