6 Керам04 (Лекции), страница 4

Температурный режим и время сушки в сушилках периодического действия регулируют автоматически, а в сушилках непрерывного действия определяется скоростью движения изделий через 4 зоны сушки с температурой соответственно 50-60, 60-80, 80-100 и 100-120ºС.

1. Обжиг

При обжиге происходит спекание керамического материала в результате протекания ряда физико-химических процессов с приобретением обожженным изделиям определенных свойств. При обжиге происходит уплотнение и упрочнение материала за счет протекания процессов переноса и перераспределения веществ.

Установлено, что спекание происходит за счет следующих механизмов переноса вещества: 1) диффузионного, 2) жидкостного, 3) испарения и конденсации, 4) пластической деформации, 5) реакционного. Для большинства радио- и электрокерамических материалов присущи два первых вида механизмов спекания - диффузионный и жидкостной.

Диффузионное спекание - характерно для соединения твердых частичек. Спекание протекает при температурах, когда элементы кристаллической решетки (атомы, ионы) приобретают определенную подвижность. Причиной диффузии являются дефекты кристаллической решетки - вакансии, т.е. пустоты в узлах кристаллической решетки.

Благодаря тепловому движению атом или ион кристаллической решетки может перескочить на соседнюю вакантную позицию, создавая на прежнем месте новую вакансию. Этим создаются условия для дальнейшего передвижения элементов кристаллической решетки.

Перед спеканием материал представляет собой пористое тело, состоящее из контактирующих друг с другом частиц и пор между ними. При определенной температуре вследствие поверхностной диффузии элементов решетки округляются углы частиц, их поверхность сглаживается, а в местах контакта частицы соединяются, образуя узкие перешейки. По мере утолщения перемычек имеющиеся в теле поры смыкаются, образуя меньшее количество закрытых более крупных пор. Дальнейшее уменьшение размера закрытых пор и их исчезновение связано с диффузией вещества в область поверхности пор, являющихся источниками вакансии. Полное зарастание пор происходит при диффузии вакансий к границе, что может происходить при обжиге в вакууме или среде водорода.

Жидкостное спекание характерно для керамических масс, при обжиге которых используются расплавы.

Различают два случая жидкостного спекания:1- жидкая фаза не взаимодействует с твердой фазой; 2- жидкая фаза реагирует с твердой.

Спекание в первом случае определяется величиной поверхностного натяжения на границе фаз, вязкостью жидкой фазы, ее количеством и размером кристаллов. В этом случае так же образуются закрытые поры, удаление которых на поверхность затрудняется тем больше, чем меньше поверхность твердой фазы. В этом случае всегда имеются закрытые поры, объем которых в изделии составляет 3-8%.

При спекании во втором случае образующаяся жидкая фаза растворяет твердую фазу, а после насыщения расплава наступает процесс кристаллизации его. Выделение твердой фазы из расплава происходит в основном на поверхности оставшихся нерастворенных зерен крупной фазы и ростом их размеров. Частично кристаллы возникают и в расплаве, в этом случае они имеют малый размер. Процесс спекания протекает в три стадии.

На первой стадии спекания возникает жидкая фаза и под влиянием сил поверхностного натяжения происходит сближение частиц твердой фазы. На второй стадии происходит растворение твердой фазы жидкой в местах их контакта, дальнейшее сближение твердых частиц за счет поверхностного натяжения и начинается кристаллизация. На третьей стадии завершается кристаллизация и образуется скелет из кристаллической фазы.

Другие механизмы спекания. Спекание за счет испарения и конденсации. В основе этого процесса лежит перенос вещества с поверхности одной частицы на поверхность другой связанный с различной величиной упругости пара.

Спекание за счет пластической деформации происходит при одновременном воздействии температуры и давления (горячее прессование), позволяет получать практически беспористые материалы.

При реакционном спекании образуется новое вещество за счет кристаллической фазы спекаемого материала из газообразной фазы другого вещества.

Обжиг осуществляют в печах периодического или непрерывного действия с использованием жидкого топлива, генераторного газа, нефти или электронагрева.

Обжиг осуществляют в три этапа. В первый этап нагревают со скоростью 140ºС в час от 150-200ºС до 850-1000ºС в окислительной атмосфере. При этом удаляют остатки влаги и химически связанную воду, выгорают органические вещества, разлагаются карбонаты с выделением СО₂, образуются окислы, образуется требуемая фаза. Во втором этапе (выдержка) нагрев со скоростью 10-20ºС в час в окислительной среде до температуры 900-1050ºС с целью выравнивания температуры во всех участках и выгорания остатков органических веществ. В третий этап подъем температуры ведут со скоростью 50-80ºС в час до максимальной температуры 1250-1750ºС, заканчивают его 2-3 часовой выдержкой при максимальной температуре. Рабочая среда в этом случае нейтральная. Затем охлаждение изделий с печью. Температуру нагрева и время выдержки для конкретного материала подбирают опытным путем.

В процессе спекания наблюдается усадка и образование новых зерен путем рекристаллизации. Процессом рекристаллизации можно управлять. Изменяя температуру, время выдержки и скорость нагрева можно получать различную величину зерен и различные значения электромагнитных параметров: при малой величине зерна - повышенная механическая прочность, большая коэрцитивная сила, меньшая магнитная проницаемость. С увеличением зерна, кроме уменьшения механической прочности, ухудшаются параметры петли гистерезиса ферритов с ППГ, повышается магнитная проницаемость у ферритов с округлой петлей гистерезиса. 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. Добавки оксида алюминия или хрома к составам магний-марганцевых или литиевых ферритов приводит к уменьшению размеров зерен при других равных условиях, а добавка оксида цинка или кадмия - к росту зерен и уменьшению коэрцитивной силы.

Оборудование. Для термической обработки используют электронагревательные печи периодического и непрерывного действия, низкотемпературные и высокотемпературные; камерные - для создания рабочей атмосферы или вакуума и др.

В процессе работы печи строгое соблюдение режимов позволяет обеспечить повторение свойств вновь спекаемых таких же изделий. Поэтому в рабочей зоне строго соблюдают в процессе обработки температуру, состав газовой атмосферы и объемное ее содержание во время спекания.

1. Дополнительные операции

Механическая обработка керамики. Различают механообработку до и после обжига керамики. Механообработка необожженной керамики производится с целью получения более сложной формы детали и выполняется с помощью твердосплавного инструмента. С этой целью заготовки пропитывают парафином или церезином при температуре 80-100ºС в течение 20-60 мин после предварительной сушки до 2-3% - ой влажности.

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 и т. д. Крепление изделия осуществляется с помощью клеящих веществ (церезина, воска, канифоли и др.).

Вырубка заготовок из ферритовых и керамических необожженных лент и пленок используется для получения изделий малой толщины (до 10-500 мкм). Изделия большей толщины выгоднее получать путем резки, шлифования, полирования и доводки спеченных заготовок.

Механообработку после обжига осуществляют с целью увеличения точности размеров до 5 квалитета (и выше) и формы, а также для получения высококачественной поверхности (до R_Z = 0.05-0.025 мкм). Обработку выполняют в этом случае на шлифовально-доводочных станках. Для обработки применяют также ультразвуковую обработку, алмазную обработку. Разрезку осуществляют на специальных станках вольфрамовой проволокой в сочетании с абразивной суспензией или алмазными пилами.

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 1200-1400ºС, вторые 600-1000ºС. 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.

Металлизацию керамики осуществляют с целью изготовления электрических цепей, контактных площадок для создания электрических цепей, 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.

Вопросы для самоконтроля

1.Преимущества и недостатки одно- и двукратного обжига в производстве технической керамики.

2.Преимущества и недостатки различных схем получения порош­ков и керамики. 3. Разновидности природных и искусственных исходных материа­лов для производства керамики и ферритов и классификация их по чистоте химического состава.

4. Основные операции технологического процесса в производстве керамики, их назначение и краткое содержание их.

5. Физико-химические основы формирования керамических изде­лий; структура керамической массы, роль глинистых материа­лов, воды и связующих.

6. Керамика: способы формования и их характеристика.

7. Преимущества, недостатки и особенности горячего прессования в производстве керамики.

8. Технологические требования к конструкции керамических дета­лей.

9. Механизмы и особенности спекания в производстве керамики.

10. Влияют ли и если да, как и какие этапы в производстве ке­рамики на показатели её качества?

11. Виды и назначение дополнительных операций в производстве ке­рамики.

12. Какие материалы называют керамикой? Характерные особенности и свойства керамики.

ЛИТЕРАТУРА .

1. Технология материалов в приборостроении. Под ред. А.Н. Малова.-

М.: Машиностроение, 1969. - 440 с.

2. Технология электрокерамики. Под ред. Г.Н. Масленниковой. - М.: Энер-

гия, 1974.- 224 с.

3. Белинская Г.В., Выдрик Г.А. Технология электровакуумной и радио-

технической керамики. –М.: Энергия, 1977.- 335 с.

4. Окадзаки К. Технология керамических диэлектриков.- М.: Энергия,

1976.- 336 с.

5. Бабич Э.А., Улановский Б.М. Технология производства ферритов и

радиокерамики / Уч. пособие для техн. училищ.- М.: Высшая школа,

1984.- 223 c.