ХИМИЧЕСКАЯ технология керамики и огнеупоров

Проведение анализа

Посуда и приборы: емкость для кипячения с решетчатой подставкой, эксикатор, пикнометры вместимостью 25 мл, сита № 02 и 0063, аналитические весы, технические весы, весы с приспособлением для гидростатического взвешивания, вакуумная установка, термостаты, электрическая плитка, песчаная баня, сушильный шкаф.

Определение истинной плотности керамических образцов

Для установления истинной плотности керамики и других материалов наибольшее распространение получил пикнометрический метод. Сущность этого метода заключается в измерении объема жидкости, вытесненной пробой испытуемого материала из сосуда с известной вместимостью. В качестве жидкой среды используют дистиллированную воду, а также обезвоженные ксилол и толуол. Выбор среды зависит от испытуемого материала, который должен хорошо смачиваться жидкостью и не вступать с ней в химическое взаимодействие. Для керамических материалов в основном можно использовать воду. Исключение составляют магнезит, доломит и другие материалы, которые способны к гидратации.

Сырьевой материал для измерения истинной плотности должен быть высушен до постоянной массы в сушильном шкафу. Образцы керамических материалов после обжига сушке не подвергаются. Отобранную среднюю пробу материала (сырьевого или керамического) в количестве 15–20 г измельчают в агатовой или корундовой ступке до полного прохождения через сито № 02 или 0063 (последнее сито применяют при наличии в материале мелких закрытых пор). Используемые пикнометры очищают и высушивают. Находят массу сухих пикнометров на аналитических весах.

Плотность определяют параллельно на двух навесках в двух пикнометрах. Из высушенной и измельченной пробы отбирают по 5–8 г материала и через воронку засыпают его в предварительно взвешенные и высушенные пикнометры. Взвешивают пикнометры с пробами на аналитических весах. Необходимо следить за тем, чтобы на наружных поверхностях пикнометра не было частиц материала. По разности масс пикнометра, наполненного материалом и пустого, определяют точную массу навески образцов материала. Затем в пикнометры до половины объема заливают дистиллирован-

160

ную воду, при этом следует снять частицы материала с горлышка пикнометра. Пикнометры с пробками вакуумируют на протяжении 30 мин или же подвергают кипячению на песчаной бане в течение 25–30 мин. Таким же образом для удаления воздуха обрабатывают и жидкость, которую используют для дополнительного заполнения пикнометра.

Необходимо следить за тем, чтобы вода при кипячении не выплескивалась из пикнометров, так как это может привести к потере материала и к значительной ошибке опыта.

После вакуумирования (или кипячения) пикнометры доливают жидкостью (водой) с небольшим избытком выше метки и помещают в термостат, где выдерживают на протяжении 30 мин при температуре (20 ± 1)°С.

По истечении указанного времени уровень жидкости над пробой в пикнометре доводят до метки, удаляя жгутиком из фильтровальной бумаги избыток жидкости. Далее пикнометр закрывают пробкой, вынимают из термостата, обтирают сухой неворсистой тканью и взвешивают на аналитических весах. Затем содержимое пикнометров выливают, тщательно промывают, заполняют дистиллированной водой до метки, термостатируют при температуре (20 ± 1)°С, вытирают сухой тканью и определяют их массу на аналитических весах. Все взвешивания производят с точностью до 0,0002 г.

Результаты испытаний заносят в табл. 29.

161

стью, г; ρж – плотность использованной жидкости, г/см3 (для воды температурой 20°С ρж = 0,998 г/см3).

Плотность материала определяют как среднее арифметическое двух параллельных испытаний, различие между которыми не должно превышать 0,005 г/см3.

Определение кажущейся плотности и водопоглощения образ- цов. Оценка общей, открытой и закрытой пористости материала

Кажущаяся плотность – это отношение массы материала к его общему объему. Поэтому при известной массе тела определение кажущейся плотности сводится к измерению его объема, включая объем всех его пор. Для этой цели существуют различные методы и приборы (волюмометры), принцип работы которых основан на вытеснении испытуемым образцом несмачивающей жидкости, или на гидростатическом взвешивании образцов, предварительно насыщенных жидкостью.

Наибольшее распространение получили методы насыщения и гидростатического взвешивания (ГОСТ 2409), позволяющие одновременно находить кажущуюся плотность и водопоглощение и рассчитывать открытую пористость.

Вкачестве пропитывающей жидкости для обожженных материалов и изделий, не подвергающихся гидратации, обычно применяют воду. Необожженные образцы и материалы, взаимодействующие с водой, пропитывают керосином.

Всоответствии с ГОСТом используют образцы объемом от 5 см3 и более, вырезанные или отколотые от изделий с частичным сохранением наружной поверхности. В лабораторных условиях допускается применение специально изготовленных образцов (или отколотых) меньшего размера. Образцы очищают щеткой от пыли, высушивают в шкафу до постоянной массы, они не должны содержать трещин. После обжига в печи образцы не сушат.

Подготовленные образцы (не менее трех) взвешивают на технических весах с точностью до 0,01 г. Для насыщения пор образ-

162

цов жидкостью применяют кипячение или метод вакуумного насыщения.

Для насыщения кипячением сухие взвешенные образцы помещают на подставке с отверстиями в сосуд, который постепенно заливают водой с таким расчетом, чтобы уровень воды на 2– 3 см перекрывал поверхность образцов. Образцы кипятят в течение 2–3 ч.

Испарившуюся часть воды необходимо возмещать, так как кипячение образцов, не полностью погруженных в воду, приводит к ошибкам опыта. После кипячения образцы охлаждают в воде до комнатной температуры.

Для насыщения вакуумированием сухие взвешенные образцы отправляют в вакуум-камеру и подвергают вакуумированию до получения остаточного давления 200 Па (15 мм рт. ст.).

Образцы выдерживают под вакуумом в течение 15 мин. В сосуд, где проводят вакуумирование, подают насыщающую жидкость (водопроводную воду) так, чтобы не менее чем за 3 мин образцы были полностью ею покрыты. Затем насос отключают, а сосуд с образцами соединяют с атмосферой. После вакуумирования образцы выдерживают в жидкости на протяжении 2 ч.

Насыщенные жидкостью образцы взвешивают на воздухе

ив погруженном состоянии в жидкости на гидростатических весах. Для этого образец вынимают из сосуда, удаляют с его поверхности избыточную влагу хлопчатобумажной тканью, предварительно смоченной и тщательно отжатой, после чего образец немедленно взвешивают на технических весах. Взвешенный образец снова переносят в жидкость до завершения всех измерений

ирасчетов.

Для взвешивания в погруженном состоянии образец помещают в легкую сетчатую подставку или подвешивают проволочной петлей на чашке весов со специальным подвесным устройством для погружения образца в воду (или другую жидкость). Перед началом опыта чашки весов уравновешивают. Измеряют температуру жидкости. При использовании для насыщения не воды, а другой жидкости необходимо определить ее плотность с точностью до 0,001 г/cм3 (с помощью аргометра или пикнометра).

При нахождении пористости и плотности спекшихся образцов малого размера для повышения точности результатов их рекомендуется взвешивать на аналитических весах.

163

Водопоглощение рассчитывают по следующей формуле с точностью до 0,01%:

В = m1 − m100%, m

где m, m1 – соответственно масса сухого образца и насыщенного водой, г.

Кажущуюся плотность определяют из выражения

где m – масса сухого образца , г; ρж – плотность жидкости, г/см3; m1, m2 – масса насыщенного жидкостью образца соответственно при взвешивании на воздухе и погруженного в жидкость, г.

Открытую пористость находят как

По = Вρк,

или

По = m1 − m 100%. m1 − m2

Истинную, или общую, пористость рассчитывают исходя из значений кажущейся и истинной плотности:

Закрытая пористость может быть вычислена на основании уже известных величин Пи и По:

Пз = Пи – По.

Относительную плотность в долях единицы находят из выражения

ρотн = ρк .

ρи

Относительная плотность ρотн, %, рассчитывается по формуле

ρотн = ρк 100%.

ρи

Результаты всех испытаний и расчетов заносят в табл. 30.

164

Таблица 30

Экспериментальные и расчетные данные

По итогам определения плотности, водопоглощения и пористости керамических образцов делают заключение о текстуре, степени спекания керамического материала, оценивают виды пористости и в связи с этим его эксплуатационные характеристики.

4.2. Определение механической прочности керамических материалов

Общие сведения

Прочность – одно из важных свойств керамических материалов, особенно для тех видов, которые подвергаются в службе воздействию механических напряжений.

Керамика при обычных температурах относится к хрупким материалам, для которых характерно разрушение после небольшой упругой деформации; пластическая деформация при

строения, рассчитанная по величине силы их межатомных связей составляет примерно 1/6 от модуля упругости и равна (1–5) × 105 МПа. Однако величина реальной прочности керамики значительно ниже и колеблется в широких пределах от 10 до 104 МПа. Такое снижение прочности обусловлено особенностями строения керамики, представляющей сложную многофазную систему.

Как известно, кристаллическая составляющая обладает более высокой механической прочностью по сравнению со стекловидной фазой, характеризующейся неупорядоченным строением.

165

Однако кристаллическая фаза керамики практически всегда имеет дефектную структуру как на макро-, так и на микроуровне, обусловленную наличием примесных ионов, дислокаций, вакансий, границ зерен, пустот, включений других фаз. Кроме того, на поверхности материала имеются микротрещины (так называемые трещины Гриффитса), являющиеся концентратами напряжений и способствующие снижению прочности и даже разрушению материала. В случае, если удается в значительной мере избежать дефектов решетки и поверхностных микротрещин, прочность материала приближается к теоретической. Примером могут служить нитевидные кристаллы.

Механическая прочность керамики зависит от всего технологического процесса производства, начиная от свойств сырья, методов его переработки и заканчивая уплотнением сырца в процессе формования и спекания. На прочностные свойства керамики большое влияние оказывает ее пористость, с повышением которой прочность материалов снижается вследствие концентрации напряжений вокруг пор и уменьшения контактной поверхности зерен. Тонкозернистая керамика обладает более высокой механической прочностью, чем грубозернистая при одном и том же химическом составе.

Характер разрушения керамики определяется видом прилагаемой нагрузки. Поэтому прочностные свойства материалов принято оценивать кратковременной прочностью при сжатии, изгибе, растяжении, скручивании и на удар. Каждое испытание имеет свои особенности, поэтому наблюдаются отличия и в аппаратуре, и в требованиях, предъявляемых к испытуемым образцам. Значения прочности при сжатии, растяжении и изгибе сильно различаются в силу особенностей поведения керамических материалов при приложении различного вида напряжений. В наименьшей степени керамика сопротивляется воздействию растягивающих напряжений, в наибольшей – сжимающих.

Для хрупких материалов, в том числе для керамики, прочность при изгибе составляет 1/3– 1/5, а прочность при растяжении – 1/6– 1/8 от прочности на сжатие.

Известно, что наибольшей прочностью обладает керамика кристаллического строения, главным образом, оксидная и на основе некислородных соединений. Например, предел прочности при сжатии керамического кирпича равен 10–20 МПа, фарфора – 300–500 МПа,

166

а некоторых разновидностей технической оксидной керамики –

1000–1800 МПа и более.

Анализ на прочность проводят как на целых изделиях, так и на специально изготовленных образцах. Для сравнительной оценки прочности различных материалов испытания должны проходить на образцах, одинаковых по размеру и форме. Кроме того, на значение получаемой прочности влияют другие факторы, например скорость нагружения.

Наиболее часто показатели механической прочности керамики определяются при сжатии и изгибе, так как в этих случаях применяются образцы простой формы и несложное оборудование.

Проведение анализа

Определение прочности при сжатии

Приборы: пресс гидравлический или механический, шлифовальный круг, сушильный шкаф, штангенциркуль.

Пределом прочности при сжатии σсж, МПа, называется то максимальное сжимающее напряжение, которое выдерживает образец определенной формы до нарушения его сплошности.

Значения прочности могут сильно различаться для образцов одного и того же вида материалов. Различие в показателях может составлять 10–50% и более. Поэтому всегда испытывают не менее 3–5 образцов и результаты анализируют и усредняют.

Прочность при сжатии различных видов керамики находят на образцах, размеры и форма которых установлены соответствующими ГОСТами и ТУ на изделия.

Образцы для испытания на сжатие должны иметь правильную геометрическую форму. Поверхности, к которым прикладывается давление, должны быть строго параллельны и подшлифованы. Шероховатости и неровности поверхностей, на которые воздействует давление, служат концентраторами напряжений; в этих местах напряжения значительно превосходят действующие в других сечениях, а это приводит к выкрашиванию материала и разрушению образца при пониженных напряжениях. Для устранения указанного недостатка при испытаниях можно применять прокладки из резины, картона и др., которые в значительной степени ликвидируют влияние неровностей поверхностей и позволяют получать результаты, достаточно точно отражающие свойства материалов.

167

Также имеет значение соотношение размеров образца – высоты, ширины и диаметра. Обычно принимают высоту, равной ширине образца, чтобы избежать погрешностей, возникающих при испытании высоких образцов или образцов малых по высоте.

Форма образцов и методика их испытаний на прочность зависит от вида изделия и его назначения.

Образцы для лабораторных испытаний при сжатии должны иметь форму куба с длиной ребра 50 мм. Допускается использование образцов цилиндрической формы диаметром 50 и высотой 50 мм (ГОСТ 4071). Отклонения в размерах куба или цилиндра не должны превышать ±2 мм.

Образцы для испытаний изготовляют из опытных керамических масс или вырезают (выпиливают) из отобранных изделий.

Образцы перед испытанием высушивают при 105...110°С до постоянной массы, затем измеряют размер образца штангенциркулем с точностью до 0,1 мм и находят площадь поперечного сечения образца как среднее арифметическое площадей верхней и нижней опорных плоскостей куба или цилиндра. Площадь поперечного сечения вычисляют с точностью до 0,1 см2.

Перед испытанием образцы осматривают для выявления поверхностных дефектов и замены вследствие их наличия. Испытание образцов проводят на гидравлических или механических прессах различных марок, обеспечивающих необходимое усилие, равномерный и плавный подъем нагрузки.

Испытуемый образец устанавливают в центре нижней плиты на подшлифованную поверхность, плотно зажимают между обеими плитами. Верхняя плита должна иметь шарнирное крепление и плотно прилегать ко всей поверхности образца.

Затем начинают испытание, следя за равномерностью и постепенностью повышения давления. Нагрузка должна увеличиваться со скоростью 2 МПа/с до полного разрушения образца.

Предел прочности при сжатии σсж, МПа, рассчитывают по формуле

σсж = P ,

F

где Р – разрушающая нагрузка, кН; F – расчетная площадь поперечного сечения образца, м2.

Полученные значения прочности округляют до целых чисел. За величину прочности принимают среднее арифметическое значение

168

результатов испытаний не менее 3–5 образцов. Ошибка определения предела прочности при сжатии по указанной методике составляет около 10%.

Результаты испытаний заносят в табл. 31.

По итогам наблюдений проводят оценку механической прочности материала во взаимосвязи с его составом и структурой.

Определение предела прочности при изгибе

Приборы: механический пресс или рычажный прибор, приставка с опорами, штангенциркуль.

Пределом прочности при изгибе sизг, МПа, считают максимальное напряжение, при котором материал разрушается под воздействием изгибающих усилий.

Во время испытаний определяют изгибающий момент М, Н × м, который относится к моменту сопротивления образца W, м3:

169