6 Керам04 (Лекции)
Описание файла
Файл "6 Керам04" внутри архива находится в папке "Лекции". Документ из архива "Лекции", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "технология конструкционных материалов (ткм)" из , которые можно найти в файловом архиве МГТУ им. Н.Э.Баумана. Не смотря на прямую связь этого архива с МГТУ им. Н.Э.Баумана, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "лекции и семинары", в предмете "технология конструкционных материалов (ткм)" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "6 Керам04"
Текст из документа "6 Керам04"
Глава 6. ТЕХНОЛОГИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ ПРИБОРОВ.
-
Общие сведения.
Керамика - это неорганические материалы, изготовленные способами порошковой металлургии. Детали и сборочные единицы из керамики широко применяют в электронике, автоматике, телемеханике, вычислительной технике, квантовой электронике и др. У керамики ряд замечательных свойств: нагревостойкость, высокая механическая прочность, малые диэлектрические потери, инертность к ряду агрессивных сред, радиационная стойкость, стабильность и надежность работы в течение длительного времени при термоударах, изменении влажности и давления,.
По строению керамика представляет собой сложную систему, состоящую из трех основных фаз: кристаллической, стекловидной и газовой. Кристаллическая фаза (основная) представляет собой химические соединения или твердые растворы, она определяет характерные свойства керамического материала; стекловидная фаза находится в керамическом материале в виде прослоек между кристаллической составляющей или обособленных микрочастиц и выполняет роль связующего вещества; газовая фаза представляет собой газы, содержащиеся в порах керамики. Газовые поры ухудшают свойства керамики, особенно при повышенной влажности.
Свойства керамики зависят от состава смеси (химического и процентного соотношения веществ), режима обработки.
В производстве приборов широко применяют: радиокерамику (тибар, ситалл, стеатит, форстеритовую, глиноземистую, бериллиевую и др.), электрокерамику (радиофарфор, стеатит и др.), керамику, как конструкционный материал (например, в опорах гироскопов - 22ХС, ЦМ-332 ) и др.
-
Этапы технологического процесса.
Технологический процесс изготовления керамических деталей представлен на рис. 1. Где А, Б и М - составные части - исходные материалы, которых может быть большее или меньшее количество. Керамика может быть изготовлена путем однократного или двукратного обжига. Это имеет свои преимущества и недостатки, которые отмечены в нижеследующей таблице.
Рис.6.1. Общая схема технологического процесса радио-, пьезокерамики и ферритов
Таблица 6-1
Параметры качества | Однократный обжиг | Двукратный обжиг |
Состав шихты Примеси Усадка Распределение зёрен по размеру Влияние давления прессования | При сложном составе шихты возникает неравномерность её состава Меньшее число размолов и операций, меньше возможностей внесения примесей Из-за большой усадки возможна деформация обожженной заготовки Большой набор зёрен различного размера Плотность изделия почти не зависит от давления | Нарушения состава шихты почти не бывает При предварительном обжиге и помоле возникает дополнительная опасность попадания примесей Усадка невелика, деформация незначительна Распределение размеров зёрен по размеру легко подобрать Плотность изделия зависит от давления |
В производстве распространены следующие технологические схемы изготовления радио-, пъезокерамики и ферритов основанные на (рис.6.1.):
1) механическом смешивании исходных веществ в виде порошков окислов и солей металлов, соответствующих химическому составу изготовляемого материала;
-
термическом разложении солей металлов;
-
совместном осаждении карбонатов солей соответствующих металлов или их гидратов.
Исходными веществами для изготовления радио-, пъезокерамики и ферритов по указанным схемам являются окислы и соли металлов. Основные этапы технологического процесса, представленные на схеме рис.6.1, заключаются в следующем.
Набор исходных веществ определяется заданными магнитными и электрическими свойствами изделий, геометрической формой и размерами.
Анализ исходных окислов и солей выполняется с целью определения их физико-химических характеристик, вида и количества примесей, величины и формы частичек, активности, т.е. возможности вступать в реакцию с другими компонентами смеси, и др.
Расчет массы и соотношения исходных компонентов проводят основываясь на химической формуле материала. И затем в соответствии с расчетом производят взвешивание исходных компонентов.
Помол или растворение и смешивание выполняют для получения однородной по химическому составу и размеру частиц смеси. Эти операции выполняют или с жидкостью (водой ) или без воды, т.е. выполняют мокрый ( шликерный ) или сухой помол. Мокрый помол завершается сушкой.
Операция брикетирование (гранулирование ) нужна для получения более компактной формы полученной смеси ( шихты ) и более полного протекания реакции при выполнении следующей операции. Здесь получают брикеты, таблетки или гранулы.
Предварительный обжиг шихты выполнят для частичного или полного протекания диффузионных процессов между окислами для превращения их в ферритовый или керамический материал (синтез керамики) и уменьшения усадки при окончательном обжиге.
Вторичный помол и смешивание брикетов, таблеток или гранул выполняют с целью получения изделий с равномерными свойствами, полного протекания диффузионных процессов и обеспечения возможности формирования изделия. Операция выполняется в воде или без воды, а поэтому после ее завершения, как и в первом случае, полученную смесь сушат.
Для улучшения формуемости порошков в них вводят пластификаторы (связки, смазки), улучшающие сцепляемость отдельных частиц. Введение пластификаторов дает возможность получать различные массы: для прессования - пресспорошки, для литья - шликеры, а для формирования из пластичных масс - пластичные массы.
Основными способами формирования являются прессование, формование из пластичных масс, шликерное литье.
Отформованные изделия подвергают высокотемпературному спеканию, при котором получают соответствующий данному материалу (радио-, пьезокерамике, ферриту) комплекс определенных магнитных, электрических, механических свойств и физико-механических характеристик
Контроль спеченных изделий выполняют по внешнему виду (на отсутствие раковин, трещин и т.д.), геометрическим размерам (на соответствие чертежу), магнитным электрическим и механическим характеристикам и т.д. В результате этой операции изделия подразделяют на годные и бракованные.
Особенности технологической схемы, основанной на термическом разложении солей. Исходные вещества обязательно должны быть растворимы. Такими веществами являются сульфаты, нитраты, хлориды. Каждую соль грубо размельчают до размера частиц 1-2мм, затем все исходные элементы перемешивают и помещает в сосуд с водой ( 1 л. воды на каждые 5 килограмм соли), нагревают до кипения и после испарения воды продолжают ( до 24 ч) нагревать до 300ºС для удаления кристаллизационной воды. Полученную обезвоженную смесь подвергают термическому разложению - 3-4 часовому прокаливанию при 900-1000º С в тиглях до полного удаления газов (продуктов разложения). Операция прокаливания - термического разложения может быть совмещена с предварительным обжигом и поэтому отпадает в этом случае необходимость в брикетировании или гранулировании шихты.
Особенности технологической схемы, основанной на совместном осаждении карбонатов солей и гидроокисей. Отличительными операциями этой схемы являются растворение солей, очистка от механических загрязнений (фильтрация), осаждение с помощью осадителей, промывание и контроль чистоты промывки. Соли смешивают и растворяют вместе с осадителем в дистиллированной воде.
Преимущества и недостатки различных схем технологических процессов получения керамических материалов. Преимущества механического метода: возможность точного соблюдения химического состава, отсутствие вредных выделений и отходов, простота процесса изготовления. Недостатки - необходимость тщательного измельчения и смешивания.
Преимущества двух других схем - это возможность получения однородных по химическому составу смесей, высокая активность шихты. Недостатки: трудность точного соблюдения химического состава из-за возможных потерь компонентов при растворении и осаждении.
-
Исходные материалы
Для изготовления керамических изделий используют различные природные и искусственные материалы.
Искусственные и природные материалы – оксиды , соли различают по количественному и качественному содержанию примесей посторонних оксидов и в соответствии с этим условно обозначают буквами: Ч (чистый), ЧДА (чистый для анализа), ХЧ (химически чистый), и др. Также различают исходное сырье по физико-химическим показателям (размерам и форме частиц, удельной поверхности, активности и др.).
Исходным сырьем для производства радио- и пьезокерамики является большое количество различных солей и окислов: каолины, глины, полевые шпаты, кремнийсодержащие материалы, тальки - это природные пластичные материалы; искусственные непластичные материалы производимые промышленностью - технический глинозем и корунд, диоксиды циркония и титана, оксид бериллия, карбонаты бария и стронция.
Глины и каолины состоят преимущественно из гидроалюмосиликатов (Al2O32SiO2H2O) и примесей солей железа, щелочных и щелочноземельных оксидов и солей. Из полевых шпатов наиболее приемлемы для производства керамики калиево-натриевые полевые шпаты (K2OAl2O36SiO2; Na2OAl2O36Sio2). Основой кремнийсодержащих материалов и кварцев является диоксид кремния (SiO2), в котором могут быть различные добавки (окислы железа, глины, полевые шпаты и др.).Состав тальков разнообразен: от 3MgO4SiO2H2O до 4MgO5SiO2H2O, примеси в них Fe2O3, Al2O3, CaO, Na2o, Cr2O и др. Самыми нежелательными примесями во всех природных пластичных материалах являются соли железа.
Названные природные пластичные материалы используют для улучшения пластических свойств пресс-масс при формования изделий и как стеклообразуюшие добавки в радиокерамике. Тальки являются основой таких видов радиокерамики как стеатитовая и форстеритовая.
Технический глинозем и корунд получают при химической переработке природного сырья-минерала боксита и прокаливания его до 1100-1200ºС. Диоксиды циркония (Zn2O2), титана (TiO2), олова (SnO2), оксиды бериллия (B2O), стронция (SrO), цинка (ZnO), свинца (PbO), магния (MgO) получают при воздействии на исходное сырье путем комплекса химических и термических взаимодействий.
Кроме основных частей (природных материалов - огнеупорных глин, талька, кварца и др. или искусственных материалов - технического глинозема, электрокорунда, окиси иттирия, магния и др.) для приготовления керамической массы применяют и вспомогательные вещества - пластификаторы, улучшающие формование непластичных керамических масс. Пластификаторы - это органические вещества, подразделяемые в зависимости от выполняемой ими роли на связующие, пластифицирующие, смазывающие и поверхностно-активные вещества (ПАВ). Связующие вещества (крахмал, декстрин, глицерин, поливиниловый спирт и др.) - вещества, которые хорошо смачивают поверхность твердых частиц и образуют прочные связи между ними, т. е. склеивают их. Пластифицирующие вещества (парафин, церезин, тунговое и льняное масло и др.) - это жидкости способные растворять связующие вещества и давать вместе с ними жидкие прослойки между твердыми частицами керамической массы. Смазывающие вещества ( тунговое, льняное, трансформаторное масла) - неполярные жидкие масла с малым поверхностным натяжением, применяемые для уменьшения трения и прилипания массы к поверхности пресс-формы. Поверхностно-активные вещества (олеиновая и стеариновая кислоты, пчелиный воск) - вещества улучшающие смачивание керамических частиц пластификатором.
-
Приготовление керамической массы
Основы приготовления керамической массы. В приготовлении керамической массы важнейшими операциями являются: составление шихты, измельчение исходных материалов, гранулирование и сушка керамических масс.
Составление шихты (шихта - исходные материалы) - важнейшая операция, определяющая качество и свойства керамики. Состав шихты обычно рассчитывают в массовых процентах и затем исходные материалы измельчают до однородного тонкодисперсного состояния и смешивают.
Измельчение материалов. Исходные материалы, синтезированные химические соединения (иногда и спеченный керамический материал) в виде кусков различных размеров с различными физическими свойствами размельчают механическим путем (дробят и размалывают). Сначала производят грубое дробление на щековых дробилках до размера частиц 10-15 мм. (рис.6.2а), а затем среднее - до размера частиц 1 мм и мелкое дробление - на бегунах, валковых и конусных дробилках (рис.6.2,б,в) или на конических мельницах (рис. 2,г). Измельченный материал просеивают через металлические сита и пропускают через магнитный сепаратор для отделения ферромагнитных примесей. Частицы, не прошедшие через сита, возвращаются для повторного дробления. Измельченный материал поступает для повторного мелкого помола, обычно совмещаемого со смешиванием компонентов. Часто помол осуществляют с добавлением воды (поэтому его в отличие от сухого называют мокрым или шликерным) в шаровых мельницах (рис.6.2,д) жидкую керамическую массу называют шликером. Шаровая мельница - это вращающийся цилиндрический барабан, футерованный внутри керамическими плитками, по которым перекатываются керамические шары. Работа шаровой мельницы основана на дробящем действии падающих шаров и на истирании шарами зерен материала. Рекомендуют соотношение материала, шаров и воды 1:2:1. Это обеспечивает наименьшую продолжительность помола.