Технология керамики. Курс лекций. Учебное пособие

ную величину зерен и различные значения электромагнитных параметров: при малой величине зерна повышенная механическая прочность; большая коэрцитивная сила, меньшая магнитная проницаемость.

Рис.11. Рост зерна керамики в процессе спекания

С увеличением зерна, кроме уменьшения механической прочности, повышается магнитная проницаемость у ферритов с округлой петлей гистерезиса.

41

Рис.12. Микроструктура керамики из титаната алюминия (хорошо видны зерна, разделенные стеклофазой)

Пористость при спекании изделий играет существенное значение для магнитных характеристик. Различают межзеренную и внутризеренную пористость.

Внутризеренная пористость сильно ухудшает начальную магнитную проницаемость и параметры петли гистерезиса. При спекании крупногабаритных изделий регулировкой скорости и температуры не удается получить равномерные свойства изделия по поперечному сечению. Для получения равномерных свойств в исходные материалы вводят различные добавки. Например, добавки оксида алюминия или хрома к составам магниймарганцевых ферритов, приводит к уменьшению размеров зерен при других равных условиях, а добавка оксида цинка или кадмия - к росту зерен и уменьшению коэрцитивной силы.

Ниже представлены интервалы температур обжига различных видов керамических изделий (рис.13).

Печи периодического действия. К ним относятся печи с выкатным подом и колпаковые печи, в основе которых находится одиночная камера, загружаемая предварительно высушенными заготовками. В колпаковых печах колпак, оборудованный нагревательным элементом, устанавливают на под при помощи подъемного устройства, в печах с выкатным подом садку помещают в рабочее пространство печи на вагонетках.

После загрузки печь герметично закрывают и обжигают изделия по заданному режиму. В качестве источника тепла обычно служат газовые горелки, конструкция печей позволяет четко

42

контролировать температуру и характер среды (окислительный или восстановительный) в них. Также для обогрева печей периодического действия, в частности при производстве технической керамики, используют электроэнергию. Для выпуска технической керамики разработаны особые конструкции печей, например, печи горячего прессования (горячего изостатического прессования), высокотемпературные печи, а также печи для обжига в защитной среде.

Рис.13. Интервалы температур обжига различных видов керамики

Печи периодического действия применяют при небольших объемах производства для выпуска специализированных изделий (кирпича особой формы, фитингов для труб и черепицы, огнеупоров и т. д.).

Главное достоинство таких печей – возможность гибко регулировать технологический процесс, особенно при частой смене продукции, что до некоторой степени компенсирует их сравнительно низкую энергоэффективность. На рис. 14 представлен по-

43

перечный разрез печи с выкатным подом. Кольцевые печи (печи Гофмана) состоят из ряда соединенных между собой камер, которые последовательно заполняют высушенными изделиями (например, кирпичом), герметично закрывают и обжигают в псевдонепрерывном режиме, при этом горячие газы поступают из первой камеры в следующую по дымоходам и через отверстия между камерами.

Рис.14. Непрерывно действующие печи

Такая схема позволяет осуществлять предварительный обогрев изделий и охлаждение дымовых газов, что повышает энергоэффективность печи и ведет к снижению затрат по сравнению с печами периодического действия. В настоящее время для обогрева таких печей в основном используют газ, местами выполняют верховую загрузку углем или мазутом. Печи Гофмана применяют при выпуске особых видов продукции, в частности, окрашенного кирпича.

Туннельные печи (рис. 15) представляют собой сконструированные из огнеупорных материалов туннели, в которых проложены рельсы для перемещения вагонеток. На вагонетках устроены огнеупорные полки, куда в определенном порядке загружают

44

изделия. Вагонетки проталкивают вдоль печи через определенные интервалы против движения воздуха, нагнетаемого одним или несколькими вентиляторами в вытяжной канал вблизи устья печи. Большая часть современных туннельных печей обогревается газом, максимальная температура создается в зоне обжига около центра печи. По мере своего движения входящая садка прогревается горячими топочными газами, а выходящая охлаждается при обдуве подаваемым в печь воздухом, который при этом подогревается. Часть воздуха из зоны охлаждения отбирают в смежные сушилки, что обеспечивает существенную экономию топлива. Канал печи и вагонетки обычно изолируют от подсоса воздуха извне при помощи песчаного затвора с целью снизить продолжительность обжига и энергопотребление путем создания герметичного рабочего пространства печи. В последнее время разработаны конструкции печей с водяной и механической изоляцией.

Одноярусные роликовые печи (рис.16) находят практиче-

ски повсеместное применение в производстве облицовочной и напольной плитки, продолжительность обжига в них составляет менее 40 мин. Плитка движется по вращающимся роликам, для обогрева служат горелки на природном газе, установленные по периферии печи.

Основными механизмами передачи тепла являются конвекция и излучение, а поскольку такие печи оборудуют открытыми горелками, это ведет к повышению коэффициента теплопередачи, и как следствие, к снижению продолжительности обжига и энергопотребления. Роликовые печи также применяют при производстве черепицы, керамических труб, санитарно-технических изделий и посуды.

45

Рис. 15. Вид в разрезе туннельной печи с вагонеткой

Вращающаяся печь имеет форму длинного цилиндра, как правило, расположенного под уклоном и медленно вращающегося вокруг своей оси. Для обогрева служит горелка, устанавливаемая по оси печи в нижнем ее конце. Такие печи используют при производстве керамзита. Также вращающиеся печи применяют при обжиге глины на шамот и пережога доломита или магнезита.

46

Рис.16. Вид роликовой печи в разрезе

Аппараты кипящего слоя. Кипящим называют слой твердых частиц, находящихся во взвешенном состоянии в токе газа и ведущих себя подобно жидкости. Порошок помещают на пористую основу, сквозь которую снизу под давлением подают газ (как правило, воздух). На этом принципе основано перемещение порошков по расположенному под небольшим уклоном пористому керамическому желобу с их одновременной сушкой или прокаливанием.

2.8. Механическая обработка керамики

Различают механообработку до и после обжига керамики. Механообработка необожженной керамики производится с целью получения более сложной формы детали и получения высококачественной поверхности и выполняется с помощью твердосплавного инструмента. Механическая обработка необожженной керамической массы включает также очистку изделий (снятие выступов и неровностей), резку на требуемые размеры. Для очистки изделия используют инструменты типа заостренных ножей; стержней, скребков или шлифовально-доводочных станков. Крепление изделия осуществляется с помощью клеящих веществ (церезина, воска, канифоли и др.).

47

Вырубка заготовок из ферритовых и керамических необожженных лент и пленок используется для получения изделий малой толщины (до 10-5 мкм). Изделия большей толщины выгоднее получать путем резки, шлифования, полирования и доводки спеченных заготовок. Для обработки применяют также ультразвуковую и алмазную обработки. Разрезку осуществляют на специальных станках вольфрамовой проволокой в сочетании с абразивной суспензией или алмазными пилами (рис.17, 18).

Глазурование производят для защиты поверхности детали от загрязнений, повышения поверхностного сопротивления, красивого внешнего вида и соединения отдельных керамических деталей. Для этих целей используют глазури, которые бывают тугоплавкие и легкоплавкие, первые имеют температуру плавления 1200-1400 оС, вторые 600-1000 оС. Глазури состоят из высокодисперсных материалов, близких по составу к составу керамической массы с добавлением стеклообразующих веществ. Легкоплавкие глазури наносят на детали после их обжига, тугоплавкие – после формования или сушки, если в массе нет органической связки, либо после предварительного или окончательного обжига.

Рис. 17. Механическая обработка керамики

48

Рис.18. Поверхность керамики после шлифовки

Металлизацию керамики осуществляют с целью выполнения электрических цепей, обеспечения электрических контактов, а иногда и для соединения деталей друг с другом. Нанесение металлических слоев на керамику осуществляют вжиганием, химическим осаждением металлов из водных растворов, вакуумным испарением, ультразвуковым лужением и др.

49

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК Основной

Болтон, У. Конструкционные материалы: металлы, сплавы, полимеры, керамика, композиты. Карманный справочник [Текст] / У. Болтон. – М : Додэка

XXI, 2010. – 319 с.

Калистер, У. Материаловедение. От технологии к применению (металлы, керамика, полимеры) [Текст] / У. Калистер,

Д Ретвич . – М : НОТ, 2011.- 896 с.

Салахов, А. М. Керамика для технологов [Текст] / А. М. Салахов, Р. А. Салахова. – Казань: КНИТУ, 2010. – 234 с.

Technische Keramik. - Informationszentrum. Düsseldorf, 2013.- Режим доступа : http://www.keramverband.de.- Загл. с экрана.

Дополнительный

Андриевский, Р. А. Наноструктурные материалы [Текст] / Р. А.Андриевский, А. В. Рагуля. – М. : Изд. центр «Академия», 2005. – 192 с.

Анциферов, В. Н. Механика процессов прессования порошковых и композиционных материалов [Текст] / В. Н. Анциферов, В. Е. Перельман.– М., 2001.– 628 с.

Белинская, Г. В. Технология электровакуумной и радиотехнической керамики [Текст] / Г. В. Белинская, Г. А. Выдрик. – М. : Энергия, 1977. – 335 с.

Гузман, И. Я. Химическая технология керамики [Текст] / И. Я. Гузман.– М : ООО РИФ «Стройматериалы», 2003. – 496 с.

никова. – М. : Энергия, 1974 . – 224 с.

Nanocomposite Science and Technology / Edited by

P. M. Ajayan, L. S. Schadler, P. V. Braun. – WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2003. – Р. 345.

Получение и структура пористой керамики из нанокристаллического диоксида циркония / Д. С. Никитин, В. А. Жуков, В. В. Перков и др. // Неорганиче-

ские материалы. – 2004. – Т. 40, № 7. – С. 869–872.

Панин, В.Е. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов [Текст] / В. Е. Панин, В. Е. Егорушкин, П. В. Макаров – Новосибирск : Наука. Сибирская изд. фирма РАН, 1995. – Т. 1. – 298 с.

Панин, В.Е. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов [Текст] / В. Е. Панин, П. В. Макаров, С. Г. Псахье – Новосибирск : Наука. Сибирская изд. фирма РАН, 1995. – Т. 2. – 320 с.

Хасанов, О. Л. Методы компактирования и консолидации наноструктурных материалов и изделий [Текст] / О. Л. Хасанов, Э. С. Двилис, З. Г. Бикбаева. – Томск : Изд-во Томского политехнического университета, 2008. – 196 с.

50