книги из ГПНТБ / Аветиков В.Г. Магнезиальная электротехническая керамика

ния (3—11%). О наличии CaO, SrO, BaO, MgO в стеклофазе стеатитовых материалов при введении добавок указанных углекислых солей свидетельствует повыше­ ние показателя светопреломления стеклофазы от 1,548 до 1,572 (11% добавки) и до 1,584—1,589 (18% добав­ ки). Снижение tgô (рис. 2-20—2-23) вызвано увеличе­ нием КМС стеклофазы в результате повышения в ней концентрации CaO, SrO, BaO, MgO и уменьшения Si02 при постоянном количестве R20 и R2O3.

В случае введения в стеатитовые материалы 9—10% кварцевого песка КМС стеклофазы снижается, а tgô возрастает (рис. 2-24). Хотя введенный кварцевый песок не полностью растворяется в расплаве при обжиге (о чем свидетельствует наличие кристаллов кварца), его концентрация в стеклофазе в значительной мере повы­ шается, судя по снижению показателя светопреломле­ ния от 1,557 до 1,545, при введении 10% кварцевого песка. В данном случае повышение tgô вызвано сниже­ нием КМС стеклофазы из-за увеличения концентрации кремнезема и уменьшения количества MgO при постоян­ ном содержании всех остальных окислов.

Стеатитовые материалы с близким значением КМС стеклофазы и эквимолекулярным содержанием добавок окислов двухвалентных элементов Ca, Mg, Zn, Sr, для которых ионные радиусы находятся в пределах (0,65— 1,13) • 10~ 10 м, а атомные веса составляют 24,32—87,63,

мало отличаются по величине тангенса угла диэлектри­ ческих потерь (табл. 2-14).

Рис. 2-24. Зависимость tg ô при f= 1 Мгц, 20 °С

(1) и 80 °С (2) от КМС стеклофазы стеатитовых материалов при увеличе­ нии содержания кремне­ зема.

КМС стеклодэаяы

Однако эквимолекулярная замена окиси бария окисью кальция значительно повышает tg ô стеатитовых материалов (табл. 2-15). Это вызвано тем, что ионы

Т а б л и ц а 2-14

Тангенс угла диэлектрических потерь стеатитовых материалов с эквимолекулярным содержанием

CaO, MgO, ZnO и SrO

Ва+ 2 имеют по сравнению с ионами Са+ 2 значительно больший радиус (1,35-10~ 10 м вместо 0,99-10-10 м) и почти в 3,5 раза больший атомный вес— 137,36 вместо 40,08. Поэтому ионы бария, содержащиеся в стеклофазе стеатита, менее подвержены колебаниям в поле высо­ кой частоты, что приводит к меньшим диэлектрическим потерям,

венно отличаются Друг от друга по составу и строению. В табл. 2-16 приведен химический состав маложелези­ стых тальков различных стран, используемых для по­ лучения стеатитовых материалов, а также тальков не­ которых месторождений СССР, перспективных в отно­ шении их дальнейшего применения для разных целей, в том числе в электроизоляторной промышленности.

Онотский кусковой тальк, пригодный для производ­ ства электроизоляторов, радиоустановочных и электро­ вакуумных деталей, должен удовлетворять требованиям ТУ-39-55 или ТУ-21-7-34-70, а молотый онотский тальк — ТУ-21-25-567. В соответствии с требованиями ТУ-39-55 общее содержание железа в онотском кусковом тальке в пересчете на Fe20 3 не должно превышать 0 ,6 %, а по­ тери при прокаливании при температуре 1 000°С долж­ ны находиться в пределах 4,5—6,5 мае. %.

К числу тальков с тонкокристаллической зернистой структурой (жировикам) относится гепферсгрюнский. Тальки СССР (Онотское месторождение), Испании, Румынии также имеют зернистую структуру типа жиро­ виков. Тальки ряда других стран, а также отечествен­ ные тальки, кроме онотского (табл. 2-16), характери­ зуются крупнокристаллическим пластинчатым строением. Египетский тальк занимает по структуре промежуточное положение между тальками этих двух типов.

Пластинчатые тальки, как правило, содержат значи­ тельно меньше примесей (А120 3, ТЮ2, Fe20 3), чем зер­ нистые (табД. 2-16). На основе зернистых и пластинча­ тых маложелезистых тальков могут быть получены вы­ сокочастотные и электроизоляционные стеатитовые материалы с хорошими электрическими и механическими свойствами. Применение пластинчатых тальков взамен зернистых в случае наличия в их составе меньшего содержания примесей позволяет получить стеатитовые материалы с меньшим значением тангенса угла диэлек­ трических потерь и более высокой механической проч­ ностью. Однако применение пластинчатых тальков при­ водит к повышению ТКЛР и в результате этого к сни­ жению стойкости к термоударам. Такое изменение характеристик имеет место в случае, если образцы для испытаний изготовлены из стеатитовых пластичных масс методом вытяжки из вакуумных прессов.

Пластичные стеатитовые материалы типа СПК-2 и другие на основе онотского талька имеют ТКЛР в ин­

тервале температур 20—100°С около б -К И ^ О 1, а на основе тальков пластинчатого строения Киргитейского и других месторождений — около 8-10_6°С_1. Соответст­ венно стойкость к термоударам этих материалов значи­ тельно снижается — от 130 до 80—90 °С и ниже. В слу­ чае изготовления образцов для испытаний и изделий по непластичной технологии (прессованием, горячим литьем под давлением или другими способами) различие в зна­ чениях ТКЛР и стойкости к термоударам незначительно. В связи с этим для изготовления крупногабаритных изделий по пластичной технологии, особенно если они предназначены для работы в условиях резкого перепада температур, рекомендуется использовать зернистые тальки. В СССР для этой цели применяется только онотский тальк. Причины, по которым применение пластинчатых тальков ухудшает термические свойства стеатитовых материалов, а также некоторые важные тех­ нологические свойства пластичных стеатитовых масс, будут рассмотрены ниже.

Учитывая, что строение и химический состав талька, входящего в состав стеатитовой массы, оказывает боль­ шое влияние на технологические свойства масс и физикотехнические характеристики стеатита, в некоторых стра­ нах, не располагающих собственными месторождениями высококачественных тальков и работающих на привоз­ ном сырье различных месторождений, с целью стабили­ зации свойств керамики предпочитают вводить в состав одной массы тальки различных (до 4—5) месторожде­ ний. При этом в случае вынужденной замены талька одного месторождения другим свойства массы и полу­ чаемого материала практически остаются без измене­ ний, так как доля замененного талька в рецептуре мас­ сы мала. Отечественные стеатитовые массы, как пра­ вило, содержат тальк какого-либо одного месторождения.

Следует подчеркнуть, что при использовании в стеа­ титовых массах талька одного месторождения предъяв­ ляются особо жесткие требования к качеству и постоян­ ству состава талька, так как в случае замены талька — основного сырья неизбежно изменение технологических свойств массы и физико-технических характеристик по­ лучаемого стеатитового материала.

В ряде стран (СССР, ФРГ, ГДР, США, Болгарии и др.) прове­ дены опыты по замене природных тальков в стеатитовых массах синтезированным метасиликатом магния — энстатитом и протоэнстатитом. Стремление заменить природные тальки синтезированным ме­

тасиликатом магния вызвано отсутствием в некоторых зарубежных странах тальков зернистого строения, запасы которых в природе ограничены, и, кроме того, трудностями технологического порядка в случае использования пластинчатых тальков, особенно в производ­ стве крупногабаритных изоляторов.

По имеющимся данным применение синтезированного метасили­ ката магния дает возможность получить стеатитовые изделия, свой­ ства которых лучше, чем у изделий из материалов на основе при­ родных тальков. В связи с этим использование синтезированного метасиликата магния в составе стеатитовых материалов имеет опре­ деленные преимущества. Пластинчатая структура слоистых тальков трудно разрушается при механической обработке и может быть только частично нарушена при обжиге до 1 300—1 400°С. Однако и обожженные чешуйки талька еще просвечивают, т. е. еще двух­ размерны по термическому расширению. Кристаллы же синтезиро­ ванного энстатита не прозрачны, .так как они трехразмерны.

Синтез энстатита производят термическим и гидротермальным методами из различных магнезиальных минералов (магнезита, хло­ ристого магния и др.) и кремнезема в различных формах (кварце­ вого песка, инфузорной земли, кварцевого стекла и иных материалов, содержащих кремнезем). Термический синтез метасиликата магния осуществляют нагреванием до 1 400 °С тонкоизмельченной шихты. Применение энстатита позволило получить в ФРГ вытяжкой из ва­ куумных прессов крупногабаритные опоры, оси и другие изделия с однородной структурой. Образцы, вырезанные из наружных и внут­ ренних частей изделий, диаметр которых 80 мм, имеют одинаковые ТКЛР, ів то время как такие же образцы из осей стеатитовых ма­ териалов на основе природного жировика (месторождения Гепферсгрюна и . Румынии) отличаются по ТКЛР на (0,Зч-0,4) • 10_6 СС_1. Гидротермальный синтез энстатита может быть осуществлен в авто­ клаве при температуре около 400 °С и избыточном давлении 400 кгсісм2.

Энстатит, полученный двумя вышеописанными способами, не отличается строением кристаллической решетки и кристаллооптиче­ скими характеристиками от такового, образующегося при нагревании жировика. В табл. 2-!7 приведены свойства стеатитовых материалов одинакового шихтового состава на основе природного жировика из Гепферсгрюна и синтезированного энстатита.

Т а б л и ц а 2-17

Свойства стеатитовых материалов

Синтез энстатита произведен также кз природного сырья Бол­ гарии — магнезита и кварцевого песка, полученного при обогащении каолина месторождения «Стахнов». На основе синтезированного зцетатита разработан высокочастотный сгеатцтовый материал с бо-

лее широким интервалом спекшегося состояния (50—60 °С), чем стеа­ титового материала из природного талька (10—20°С).

Образцы стеатитовых материалов на основе синтезированного

1Определены по методике ГОСТ 5458-64,

Диэлектрическая проницаемость е и удельное объемное электри­ ческое сопротивление ру в меньшей степени зависят от температуры обжига образцов в пределах 1 260—1 340 °С; так, при 20 °С и f — = 1 Мгц диэлектрическая проницаемость равна 7—8, удельное элек­ трическое сопротивление при 100 °С—(1 -е 8) - ІО12 ом ■см. Данные табл. 2-18 показывают, что стеатитовый материал из синтезирован­ ного энстатита не уступает по свойствам стеатитовому материалу на основе талька, а по некоторым свойствам лучше.

2-3. ПРОИЗВОДСТВО ИЗДЕЛИИ ИЗ СТЕАТИТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ а) Приготовление стеатитовых масс

Стеатитовые изделия в зависимости от конструкции, габаритов и требований к точности размеров изготовля­ ются по пластичной технологии, шликерным литьем в гипсовые формы или методами непластичной техноло­ гии: сухим, полусухим, мокрым прессованием и горячим литьем под давлением термопластичных шликеров в ме­

таллические формы. При приготовлении пластичных стеатитовых масс около 75 мае. % вводимого талька для частичного разрушения присущей ему зернистой или пластинчатой структуры подвергают предваритель­ ному обжигу до температуры 1 300—1350°С. Предвари­ тельный обжиг талька также способствует снижению огневой усадки изделий и устраняет получение изделий с неровной, так называемой шагреневой поверхностью. Для получения стеатитовых масс, предназначенных для производства изделий горячим литьем под давлением, предварительный обжиг талька не производят.

Процесс приготовления стеатитовых масс заключает­ ся в подготовке сырьевых материалов, их помоле и сме­ шении компонентов шихты мокрым способом, а затем обезвоживании получаемого шликера. Каменистые ма­ териалы— тальк (сырой и обожженный), полевой шпат, магнезит и другие минералы — сортируют, удаляя кус­ ки, сильно зажелезненные или имеющие инородные включения, отмывают от загрязнений, подвергают раз­ дельному крупному дроблению на щековых дробилках, затем среднему дроблению на бегунах или вальцовых дробилках и электромагнитной сепарации. В случае введения в стеатитовые массы полевого шпата или пег­ матита эти материалы предварительно измельчают мок­ рым способом в шаровых мельницах до среднего раз­ мера частиц 10 — 20 мкм с целью более полного их раст­ ворения в образующемся при обжиге изделий расплаве и снижения температуры его образования.

Наиболее рационально приготавливать стеатитовые масеы совместным мокрым помолом и смешением всех компонентов шихты в шаровых мельницах со стеатито­ вой футеровкой стеатитовыми шарами. Помол произво­ дится при соотношении материал — мелющие тела 1 : 1 . Влажность шликера лежит в пределах 40—50% в зави­ симости от шихтового состава, главным образом содер­ жания глинистых минералов и добавок магнийсодержающих компонентов. О степени тонины помола судят по остатку на сите с сеткой № 006 или № 004 и размеру зерен, определяемому под микроскопом. Тонина помола колеблется для различных материалов в довольно зна­ чительных пределах. Для таких пластичных стеатитовых материалов, как ТК-21, ТКП, СПК-2, тонина помола характеризуется остатком, на сите с сеткой № 006 — 0,3—Г% и с сеткой № 004 — 3—4%. При этом преобла­