Главная › Температуры

Температура плавления керамики в градусах

Температура плавления керамики в градусах

Принципиальными недостатками керамики являются ее хрупкость и сложность обработки. Керамические материалы плохо работают в условиях механических или термических ударов, а также при циклических условиях нагружения. Им свойственна высокая чувствительность к надрезам. В то же время керамические материалы обладают высокой жаропрочностью, превосходной коррозионной стойкостью и малой теплопроводностью, что позволяет с успехом использовать их в качестве элементов тепловой защиты.

При температурах выше 1000°С керамика прочнее любых сплавов, в том числе и суперсплавов, а ее сопротивление ползучести и жаропрочность выше.

К основным областям применения керамических материалов относятся режущий инструмент, детали двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных двигателей и др.

Режущий керамический инструмент. Режущая керамика характеризуется высокой твердостью, в том числе при нагреве, износостойкостью, химической инертностью к большинству металлов в процессе резания. По комплексу этих свойств керамика существенно превосходит традиционные режущие материалы – быстрорежущие стали и твердые сплавы (таблица 14.2).

Высокие свойства режущей керамики позволили существенно повысить скорости механической обработки стали и чугуна (таблица 14.3).

Для изготовления режущего инструмента широко применяется керамика на основе оксида алюминия с добавками диоксида циркония, карбидов и нитридов титана, а также на основе бескислородных соединений – нитрида бора с кубической решеткой (-BN), обычно называемого кубическим нитридом бора, и нитрида кремния Si3N4. Режущие элементы на основе кубического нитрида бора в зависимости от технологии получения, выпускаемые под названиями эльбор, боразон, композит 09 и др., имеют твердость, близкую к твердости алмазного инструмента, и сохраняют устойчивость к нагреву на воздухе до 1300 – 1400°С. В отличие от алмазного инструмента кубический нитрид бора химически инертен по отношению к сплавам на основе железа. Его можно использовать для чернового и чистового точения закаленных сталей и чугунов практически любой твердости.

Состав и свойства основных марок режущей керамики приведены в таблице 14.4.

Режущие керамические пластины используются для оснащения различных фрез, токарных резцов, расточных головок, специального инструмента.

Керамические двигатели. Из второго закона термодинамики следует, что для повышения КПД любого термодинамического процесса необходимо повышать температуру на входе в энергетическое преобразовательное устройство: КПД = 1 – T2/Т1, где Т1 и Т2 – температуры на входе и выходе энергетического преобразовательного устройства соответственно. Чем выше температура T1 тем больше КПД. Однако максимально допустимые температуры определяются теплостойкостью материала. Конструкционная керамика допускает применение более высоких температур по сравнению с металлом и поэтому является перспективным материалом для двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных двигателей. Помимо более высокого КПД двигателей за счет повышения рабочей температуры преимуществом керамики является низкая плотность и теплопроводность, повышенная термо- и износостойкость. Кроме того, при ее использовании снижаются или отпадают расходы на систему охлаждения.

Вместе с тем следует отметить, что в технологии изготовления керамических двигателей остается ряд нерешенных проблем. К ним прежде всего относятся проблемы обеспечения надежности, стойкости к термическим ударам, разработки методов соединения керамических деталей с металлическими и пластмассовыми. Наиболее эффективно применение керамики для изготовления дизельных адиабатных поршневых двигателей, имеющих керамическую изоляцию, и высокотемпературных газотурбинных двигателей.

Конструкционные материалы адиабатных двигателей должны быть устойчивы в области рабочих температур 1300 – 1500 К, иметь прочность при изгибе не менее 800 МПа и коэффициент интенсивности напряжений не менее 8 МПа•м 1/2 . Этим требованиям в наибольшей мере удовлетворяет керамика на основе диоксида циркония ZrO2 и нитрида кремния. Наиболее широко работы по керамическим двигателям проводятся в Японии и США. Японская фирма «Isuzu Motors Ltd» освоила изготовление форкамеры и клапанного механизма адиабатного двигателя, «Nissan Motors Ltd» – крыльчатки турбокомпрессора, фирма «Mazda Motors Ltd» – форкамеры и пальца толкателя.

Компания «Cammin Engine» (США) освоила альтернативный вариант двигателя грузовика с плазменными покрытиями из ZrO2, нанесенными на днище поршня, внутреннюю поверхность цилиндра, впускные и выпускные каналы. Экономия топлива на 100 км пути составила более 30 %.

Фирма «Isuzu» (Япония) сообщила об успешной разработке керамического двигателя, работающего на бензине и дизельном топливе. Двигатель развивает скорость до 150 км/ч, коэффициент полноты сгорания топлива на 30 – 50% выше, чем у обычных двигателей, а масса на 30 % меньше.

Конструкционной керамике для газотурбинных двигателей в отличие от адиабатного двигателя не требуется низкая теплопроводность. Учитывая, что керамические детали газотурбинных двигателей работают при более высоких температурах, они должны сохранять прочность на уровне 600 МПа при температурах до 1470 – 1670 К (в перспективе до 1770 – 1920 К) при пластической деформации не более 1 % за 500 ч работы. В качестве материала для таких ответственных деталей газотурбинных двигателей, как камера сгорания, детали клапанов, ротор турбокомпрессора, статор, используют нитриды и карбиды кремния, имеющие высокую теплостойкость.

Повышение тактико-технических характеристик авиационных двигателей невозможно без применения керамических материалов.

Керамика специального назначения. К керамике специального назначения относятся сверхпроводящая керамика, керамика для изготовления контейнеров с радиоактивными отходами, броневой защиты военной техники и тепловой защиты головных частей ракет и космических кораблей.

Контейнеры для хранения радиоактивных отходов. Одним из сдерживающих факторов развития ядерной энергетики является сложность захоронения радиоактивных отходов. Для изготовления контейнеров применяют керамику на основе оксида В2О3 и карбида бора В4С в смеси с оксидом свинца РbО или соединениями типа 2РbО•PbSO4. После спекания такие смеси образуют плотную керамику с малой пористостью. Она характеризуется сильной поглощающей способностью по отношению к ядерным частицам – нейтронам и -квантам.

Ударопрочная броневая керамика. По своей природе керамические материалы являются хрупкими. Однако при высокой скорости нагружения, например в случае взрывного удара, когда эта скорость превышает скорость движения дислокаций в металле, пластические свойства металлов не будут играть никакой роли и металл будет таким же хрупким, как и керамика. В этом конкретном случае керамика существенно прочнее металла.

Важными свойствами керамических материалов, обусловивших их применение в качестве брони, является высокие твердость, модуль упругости, температура плавления (разложения) при в 2 – 3 раза меньшей плотности. Сохранение прочности при нагреве позволяет использовать керамику для защиты от бронепрожигающих снарядов.

В качестве критерия пригодности материала для броневой защиты М может быть использовано следующее соотношение:

— (14.1)

где Е – модуль упругости, ГПа; Нк – твердость по Кнупу, ГПа; – предел прочности, МПа; Тпл – температура плавления, К; – плотность, г/см 3 .

В таблице 14.5 приведены основные свойства широко применяемых броневых керамических материалов в сравнении со свойствами броневой стали.

Наиболее высокие защитные свойства имеют материалы на основе карбида бора. Их массовое применение сдерживается высокой стоимостью метода прессования. Поэтому плитки из карбида бора используют при необходимости существенного снижения массы броневой защиты, например для защиты кресел и автоматических систем управления вертолетов, экипажа и десанта. Керамику из диборида титана, имеющую наибольшую твердость и модуль упругости, применяют для защиты от тяжелых бронебойных и бронепрожигающих танковых снарядов.

Для массового производства керамики наиболее перспективен сравнительно дешевый оксид алюминия. Керамику на его основе используют для защиты живой силы, сухопутной и морской военной техники.

По данным фирмы «Morgan M. Ltd» (США), пластина из карбида бора толщиной 6,5 мм или из оксида алюминия толщиной 8 мм останавливает пулю калибром 7,62 мм, летящую со скоростью более 800 м/с при выстреле в упор. Для достижения того же эффекта стальная броня должна иметь толщину 10 мм, при этом масса ее будет в 4 раза больше, чем у керамической.

Наиболее эффективно применение композиционной брони, состоящей из нескольких разнородных слоев. Наружный керамический слой воспринимает основную ударную и тепловую нагрузку, дробится на мелкие частицы и рассеивает кинетическую энергию снаряда. Остаточная кинетическая энергия снаряда поглощается упругой деформацией подложки, в качестве которой может использоваться сталь, дюралюминий или кевларовая ткань в несколько слоев. Эффективно покрытие керамики легкоплавким инертным материалом, играющим роль своеобразной смазки и несколько изменяющим направление летящего снаряда, что обеспечивает рикошет.

Конструкция керамической брони показана на рисунке 14.2.

Рисунок 14.2 – Конструкция керамической бронепанели: а, б – составляющие элементы бронепанели для защиты от бронебойных пуль разного калибра; в – фрагмент бронепанели, собранный из элементов а и б; 1 – бронебойная пуля калибра 12,7 мм; 2 – пуля калибра 7,62 мм; 3 – защитное покрытие частично снято

Бронепанель состоит из отдельных последовательно соединенных керамических пластин размером 50 * 50 или 100 * 100 мм. Для защиты от бронебойных пуль калибром 12,6 мм используют пластины из Аl2О3 толщиной 15 мм и 35 слоев кевлара, а от пуль калибром 7,62 мм – пластины из Аl2О3 толщиной 6 мм и 12 слоев кевлара.

Во время войны в Персидском заливе широкое использование армией США керамической брони из Аl2О3, SiC и В4С показало ее высокую эффективность. Для броневой защиты также перспективно применение материалов на основе AlN, TiB2 и полиамидных смол, армированных керамическими волокнами.

Керамика в ракетно-космическом машиностроении. При полете в плотных слоях атмосферы головные части ракет, космических кораблей, кораблей многоразового использования, нагреваемые до высокой температуры, нуждаются в надежной теплозащите.

Материалы для тепловой защиты должны обладать высокой теплостойкостью и прочностью в сочетании с минимальными значениями коэффициента термического расширения, теплопроводности и плотности.

Исследовательский центр НАСА США (NASA Ames Research Centre) разработал составы теплозащитных волокнистых керамических плит, предназначенных для космических кораблей многоразового использования. Свойства плит ряда составов приведены в таблице 14.6. Средний диаметр волокон 3 – 11 мкм.

Для повышения прочности, отражательной способности и абляционных характеристик внешней поверхности теплозащитных материалов их покрывают слоем эмали толщиной около 300 мкм. Эмаль, содержащую SiC или 94 % SiO2 и 6 % В2О3, в виде шликера наносят на поверхность, а затем подвергают спеканию при 1470 К. Плиты с покрытиями используют в наиболее нагреваемых местах космических кораблей, баллистических ракет и гиперзвуковых самолетов. Они выдерживают до 500 десятиминутных нагревов в электродуговой плазме при температуре 1670 К. Варианты системы керамической теплозащиты лобовых поверхностей летательных аппаратов приведены на рисунке 14.3.

Читать еще:  Температура плавления стали 45

Рисунок 14.3 – Система керамической теплозащиты лобовых поверхностей летательных аппаратов для температур от 1250 до 1700 о С: 1 – керамика на основе SiC или Si3N4; 2 – теплоизоляция; 3 – спеченная керамика

Высокопористый волокнистый слой теплоизоляции на основе FRCI, АЕТВ или HTR защищен облицовкой из слоя карбида кремния. Облицовочный слой предохраняет теплоизолирующий слой от абляционного и эрозионного разрушения и воспринимает основную тепловую нагрузку.

Керамические материалы

Керамика – неорганический материал, получаемый из отформованных минеральных масс в процессе высокотемпературного обжига. В результате обжига (1200-2500 0 С) формуется структура материала (спекание), и изделие приобретает необходимые физико механические свойства.
Техническая керамика включает искусственно синтезированные керамические материалы различного химического и фазового состава; они обладают специфическими комплексами свойств. Такая керамика содержит минимальное количество или совсем не содержит глины. Основными компонентами технической керамики являются оксиды и бескислородные соединения металлов.

Любой керамический материал является многофазной системой . В керамике могут присутствовать кристаллическая, стекловидная, и газовая фаза.
Кристаллическая фаза представляет собой определенные химические соединения и твердые растворы. Эта фаза составляет основу керамики и определяет значения механической прочности, термостойкости и другие основные свойства.
Стекловидная фаза находится в керамике в виде прослоек стекла, связывающих кристаллическую фазу (1-10%), хотя и ухудшают механические свойства, но она облегчает технологию изготовления изделий.
Газовая фаза находится в порах и поэтому, по ее присутствию, определяют плотность и пористость материала. Они также снижают механическую прочность материала.

Керамика на основе чистых оксидов. В производстве оксидной керамики используют в

основном следующие оксиды: Al2O3, ZrO3, MgO, CaO, BeO, ThO2, UO2. Температура плавления чистых оксидов превышает 2000 0 С поэтому их относят к классу высокоогнеупорных. Она обладает высокой прочностью при сжатии по сравнению с прочностью при растяжении или изгибе. С повышением температуры прочность керамики понижается. При использовании материалов в области высоких температур важным свойством является окисляемость. Керамика из чистых оксидов, как правило, не подвержена процессу окисления.

Свойства керамики на основе чистых оксидов

Свойства бескислородной керамики

Неорганические материалы
Вопросы для самопроверки

1. Укажите особенности строения графита и важнейшие свойства.

2. Как изменяется прочность графита от температуры?

3. Охарактеризуйте технический и пиролитический графит, назовите области их применения.

4. Опишите неорганическое техническое стекло, назовите его состав, разновидности, свойства и применение. Какими способами повышают качество стекла?

5. Что такое ситаллы, укажите способы их получения, разновидности, свойства их применение?

6. Что представляет собой техническая керамика, ее разновидности?

7. Назовите представителей керамики на основе чистых оксидов, Дайте сравнительную оценку свойств.

8. Какие вы знаете виды бескислородной керамики? Назовите их разновидности, свойства и применение

Этот вид конструкционных материалов представляет собой сочетание двух и более химически разнородных материалов с резко отличными свойствами и с чёткой границей раздела между ними. Композиционные материалы состоят из матрицы и наполнителя ( упрочнителя).

Свойства конструкционных материалов зависят от свойств и объёмной доли матрицы и наполнителя, а также от прочности связи между ними. Как правило, матрицу и наполнитель выбирают так, чтобы они дополняли друг друга, например, пластичная матрица и прочный, но хрупкий наполнитель и. т.д. К материалам наполнителя предъявляются требования высокого модуля упругости, высокой прочности, термостойкости, химической инертности по отношению к матрице и т.д.

Композиционный материал обладает свойствами, которыми не обладают ни один из компонентов данной композиции в отдельности. Эти материалы применяют в космических кораблях, самолётах, ракетах, глубоководных аппаратах, транспортных устройствах и т.д. Композиционные материалы подразделяют на три группы: волокнистые, дисперсные и слоистые .

Волокнистые композиционные материалы состоят из волокон материала – упрочнителя ( проволока из вольфрама, молибдена, стали и др., а также стеклянные, углеродные, керамические и др. волокна ), распределённом в другом компоненте, являющимся матрицей ( металл, полимер, керамика).

Волокнистые материалы по ориентировке волокон бывают с

однонаправленными ( рис. 14.2,а) или ориентированными в двух или более направлениях ( рис. 14.2,б) волокнами;

по размерам волокон эта группа материалов бывает с непрерывными или короткими ( дискретными) волокнами, диаметр волокон 1-50 мкм, а проволоки – доли мм..

Рис. 14.2. Схемы композиционных материалов:

а—волокнистые с однонаправленными волокнами;

б— волокнистые с перпендикулярно направленными волок­нами; в—дисперсные с равномерно распределенными карбидами, боридами и другими соединениями; г — слоистые (м — матрица, в—волокно, д—дисперсные частицы, карбиды и др., с—слоистая композиция)

Волокнистые композиционные материалы

Армирование мат­рицы высокопрочными волокнами позволяет получать композиции с очень высокой прочностью и жесткостью, в них волокна являются главными компонентами, несущими нагрузку, которую передаёт им матрица. В волокнистых мате­риалах матрица связывает волокна вместе, защищает их от повреждения и воздействия внешней среды (например, коррозии). Прочность волокнистых композиционных материалов зависит от свойств волокон и матрицы, объёмной доли волокон, ориентировки, размеров и распределения волокон, прочности связи на границе раздела волокно- матрица и других факторов. Так, в композите, в котором матрицей служит алюминий , а наполнителем – стальная проволка диаметром 0,15 мм, достигается предел прочностиσв = 3600 МПа. Это при­мерно в 40 раз больше, чем у чистого алюминия в отожжённом состоянии после деформации.

Волокнистые материалы с однонаправленными волокнами анизотропны, а с взаимно перпендикулярными или расположенными под углом друг к другу — изотропны.

Волокнистые композиционные материалы получают заливкой волокон, набранных в специальной фopмe, жидким металлом, например, волокон вольфрама сплавом нихрома или пропиткой волокон расплавом матрицы и др.

Дисперсные композиционные материалы состоят из частиц одного или нескольких компонентов ( частицы окислов, нитридов, карбидов, боридов и др.), равномерно распределённых в матрице ( металле, сплаве, см. рис. 14.2,в). Этот вид композицнонных материлов чаще всего производят методом порошковой металлургии для получения металлокерамических и металлических композиций. В качестве исходного материала матрицы используют металл или металлические порошки, например, алюминиевый порошок САП, а наполнителями или упрочнителями служат частицы нитридов, карбидов и др. При нагружении таких материалов матрица несёт основную нагрузку, а частицы упрочнителя служат препятствиями, задерживающими движение дислокаций. Степень дисперсного упрочнения зависит от размера, формы и модуля сдвига частиц добавляемого компонента, расстояния между частицами упрчнителя и характера связи между ними и матрицей. Оптимальные cвойства обычно получают при содержании частиц упрочнителя в пределах 2-20% (объемных), размере частиц 0,01. 0,1 мкм и расстоянии между ними 0,1-1,0 мкм. Хорошо зарекомендовали себя алюминий, дисперсно упрочнённый окисью алюминия Al2O3 (6. 23%) или спеченной алюминиевой пудрой (САП) с размером частиц 10. 50 мкм; никель, дисперсно-упрочнённый 2. 3% двуокиси тория или гафния, а также вольфрам, упрочненный 1. 2 % частиц окиси тория и др. Такие дисперсные композиционные материалы получают в основном методом порошковой металлургии, включающим изготовление тонких порошков или порошковых смесей матрицы и наполнителя, их смешение, холодное прессование, спекание и горячую обработку давлением. Такие композиционные материалы «работают » при температурах до 1200 о С. Свойства дисперсных композитов изотропны.

Слоистые композиционные материалы — это многослойные композиции и биметаллы (см. рис. 14.2, г), получаемые сочетанием таких материалов, как нержавеющая сталь – углеродистая сталь, медь ( или медные стружки) – углеродистая сталь, титан — углеродистая сталь и многие др. Здесь матрицей служит углеродистая сталь. Для образования металлических свя­зей слоистых композиций необходимо непосредственно перед соединением поверхностей предварительно удалить с них окисные пленки и загрязнения, сблизить очищенные поверхности до расстояния, на котором проявляется действие межатомных сил (до нескольких ангстрем). Сближение металлических поверхно­стей возможно при их coвмecтнoй пластической деформации прокаткой, прессованием или иным способом обработки давлением. В слоистых композитах слои необязательно должны быть сплошными пластинами, они могут быть заполнены упорядо­чено расположенными в одной плоскости отдельными пласти­нами или волокнами, плотно расположенными в параллельных

1. Композиционные материалы с металлической матрицей

Композиционные материалы состоят из металлической матрицы (чаще алюминий, магний, никель и их сплавы), упрочненной высокопрочными волокнами (волокнистые материалы) или тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в основном металле (дисперсно-упрочненные материалы). Металлическая матрица связывает волокна (дисперсные частицы) в единое целое. Волокно (дисперсные частицы) плюс связка (матрица) составляют ту или иную композицию, получили название композиционные материалы (КМ (14.3).

Рис. 14.3. Схема структуры (а) и армирование непрерывными волокнами (б) композиционных материалов.

На ( рис.14.3) приведены схемы армирования волокнистых композиционных материалов. Они делятся, по механизму армирующего действия, на дискретные l/d » 10-10 3 и с непрерывным волокном l/d = ¥ . Дискретные волокна располагаются в матрице хаотично. Чем больше отношение длины к диаметру волокна, тем выше степень упрочнения. Чаще КМ представляет слоистую структуру, в котором каждый слой армирован большим числом параллельных непрерывных волокон. КМ отличаются от обычных сплавов высокими значениями временного сопротивления и предела выносливости (на 50 — 100%), модуля упругости, коэффициента жесткости и пониженной склонности к трещинообразованию. Применение КМ повышают жесткость конструкций при одновременном снижении металлоемкости. Прочность КМ определяется свойствами волокон, которые должны обладать более высокими прочностными характеристиками и модулем упругости.
Для упрочнения алюминия, магния и их сплавов применяют ?

Механические свойства композиционных материалов
в зависимости от вида наполнителя

Мосгончар +7 (495) 971-86-78

Температурный режим обжига керамики этапы обжига

Обжиг керамики подразделяется на несколько этапов в зависимости от температуры нагрева печи.

20 — 100
На начальном этапе разогрева происходит удаление влаги из глины или другой керамической массы. Разогрев должен проходить медленно. Самое главное — соблюдать равномерность нагрева. Скорость нагрева определяется толщиной стенок изделия: чем толще стенки, тем медленнее должен быть нагрев.

100 — 200
На этом этапе продолжается процесс удаление влаги из массы все еще продолжается. Важно помнить, что показания температуры на приборе, как правило, выше температуры самого изделия, особенно в толще или если изделие расположено на толстой подставке, которая поглощает часть тепла. Также начинается усадка глазурей. В этот промежуток нагрева, поскольку из изделия все еще выпаривается вода, глазурное покрытие подвержено риску растрескивания или фрагментарных сколов. Нагрев должен быть равномерным, так как из люстровых покрытий выделяются летучие органические соединения.

200 — 400
В этом интервале выгорают органические соединения. Хороший приток воздуха особенно необходим, если содержание в массе органических вещество высоко (деколи, люстры, связующее надглазурных красок и мастик).

550 — 600
При разогреве печи до этих температур происходит фазовое превращение кварца, которое характеризуется скачкообразными изменениями внутренней энергии вещества и, соответственно его плотности, а также теплоемкости, сжимаемости и коэффициента термического расширения. Поэтому на стадии охлаждения керамика может потрескаться (т.н. «холодный» треск).

Читать еще:  Температура плавления тантала

400 — 900
В этом промежутке из глины выделяется химически связанная вода, а также разлагается ряд содержащихся в ней минералов. Также разлагаются хлористые и азотнокислые соли.

600 — 800
При этих температурах начинается расплавление надглазурных покрытий, а также легкоплавких флюсов (свинцовых и других).

750 — 800
В этом интервале, который иногда называют третьим декорирующим обжигом, происходит выгорание сульфидов, а также размягчение поверхности глазури и диффузия красок, золота и т.п.

850 — 950
В этом интервале происходит разложение содержащихся в керамической массе мела и/или доломита. Начинается взаимодействия составной части керамической массы — кремнезема — с карбонатом кальция и магния. Эти процессы сопровождаются выделениями углекислого газа.
На этом этапе также заканчиваются все превращения глинистых веществ: прочность черепка обеспечивается за счет спекания самых мелких частиц.
К концу интервала майоликовых глазури, как правило, уже полностью расплавляются.

1000 -1100
На этом этапе происходит уплотнение и деформация черепка, начинают размягчатся полевые шпаты.
Жидкая фаза появляется как результат интенсивного взаимодействия кремнезема и извести.
Также интенсивно разлагаются сульфаты, что сопровождается выделением сернистого газа.
Происходит плавление нефелин-сиенита.

1200 -1250
В данном интервале спекаются фаянсовые и беложгущиеся керамические массы.
В расплаве полевого шпата растворяются кремнезем и каолинит.

1280 — 1350
В этом температурном интервале иглы муллита пронизывают фарфоровую массу, что после выхода из обжига является основой высокой прочности и термостойкости. Процесс носит название муллитообразования.
Также тонкодисперсный кварц преобразуется в кристобаллит.

1200 — 1420
Этот интервал используется для обжига фарфора. При таких высоких температурах диффузия происходит очень быстро. Также при таких температурах, если обеспечены необходимые окислительно-восстановительные условия обжига, происходят процессы восстановления рыжих оксидов железа в более благородные голубые.

ОСТЫВАНИЕ

1420 — 1000
Масса и глазури пребывают в достаточно пластичном состоянии, таким образом изделие охлаждают так быстро, насколько позволяют технические характеристики печи.
Если использовать глазури, склонные к кристаллизации, то медленное охлаждение или выдержка до 10 часов в этом интервале, как правило, приведет к росту кристаллов.

1000 — 700
Здесь начинается окисление марганца, низших оксидов меди и прочих металлов, если таковые содержатся в составе, в высшие.
Недостаток кислорода в печи может дать поверхности изделия металлизацию. Если запланировано восстановление, то его нужно производить именно в этом интервале. Восстановительную среду нужно поддерживать как минимум до 250-300С, а лучше до почти комнатных температур.

900 — 750
Масса (черепок) и глазурь перешли в хрупкое состояние и остывают уже как единое целое. Если КТР не согласованы, то возможны отскок глазури, цек и даже повреждение изделия.

600 — 550
На этом этапе происходит обратное фазовое превращение кварца с резким объемным изменением. Слишком быстрое прохождение этого интервала может вызвать «холодный» треск.

300 — 200
В этом интервале происходит фазовое превращение кристобаллита. Он образовался при температуре 1250 — 1300, если в массе был очень тонкодисперсный кремнезем. Дверь печи не нужно открывать быстро.

250 — 100
В этом интервале продолжается охлаждение. В толстых частях изделий, а также в глубине печи температура гораздо выше, чем в тонких частях и чем показывает измерительный элемент. Изделиям необходимо дать остыть равномерно.

Сушка и обжиг керамических изделий

Сушка – процесс удаления влаги из изделия путем испарения.

Условия сушки – температура и влажность окружающего воздуха должны быть одинаковыми вдоль всей поверхности изделия, т.е. нежелательно высушивать керамику на солнце или сквозняке, т.к. из-за неравномерного просушивания изделие может растрескаться. Скорость сушки зависит от температуры и влажности окружающей среды, а также от формы и габаритов изделия. Время сушки в естественных условиях – 3-10 дней, в сушильных устройствах – 6 ч и менее. Если изделие недостаточно просушено, то при обжиге оно может разорваться.

Воздушная усадка – сокращение размеров глинистых материалов в связи с испарением воды, находящейся в капиллярах между частицами, и отдачей воды из гидратных оболочек глинистых материалов (испарение механически и физически связанной воды). Для определения усадки изготавливают глиняные плитки размером 50 * 50 * 8 мм с метками по диагоналям на расстоянии 50 мм. Воздушная усадка (%) L = l1 — l2 * 100, 11 где 11 – линейные размеры влажного образца, 12 – линейные размеры образца после сушки. Наибольшая воздушная усадка наблюдается у высокопластичных глин и достигает 12…15%. Огневая усадка – сокращение размеров абсолютно сухого глиняного изделия при его обжиге вследствие происходящих в глине химических превращений (дегидратации, перекристаллизации глиняных материалов) и плавления наиболее легкоплавких примесей с образованием стекла, заполняющего промежутки между частицами (? 1%). У высокопластичных глин усадка при сушке и обжиге может достигать 20-25%.

Обжиг – конечная и важная стадия любого керамического производства. При обжиге керамических изделий происходят сложнейшие физико-химические процессы, в результате которых керамическая масса – механическая смесь минеральных частиц – становится камнеподобным материалом – прочным, твердым, химически стойким, с присущими только ему эстетическими свойствами.

  • подъем температуры, нагревание (наиболее ответственный);
  • выдержка при постоянной температуре;
  • снижение температуры, охлаждение.

Составляющие режима обжига :

  • скорость нагрева и охлаждения,
  • время выдержки при постоянной температуре,
  • температура обжига ,
  • среда обжига (окислительная, в условиях свободного доступа воздуха; восстановительная, в условиях прекращения доступа воздуха и избытка угарного газа; нейтральная).

Физико-химические процессы, происходящие при обжиге :

  1. Удаление свободной (гигроскопической) влаги – 100–250? С.
    После сушки изделия имеют остаточную влажность около 2–4 %, и эта влага удаляется в начальный период обжига в интервале температур 100–250? С. Подъем температуры в этом периоде обжига следует вести осторожно со скоростью 30–50? С в час.
  2. Окисление (выгорание) органических примесей – 300–800? С.
    При быстром подъеме температуры и недостаточном притоке кислорода воздуха часть этих примесей может не выгореть, что обнаруживается по темной сердцевине черепка.
  3. Дегидратация глинистых материалов – удаление химически связанной воды – 450–850? С.
    Особенно активно этот процесс происходит в интервале температур 580–600? С. Al2О3? 2SiO2? 2Н2О> Al2О3? 2SiO2 + 2Н2О Удаление химически связанной, или конституционной, воды в составе основного глинообразующего минерала – каолинита – сопровождается разложением молекулы этого минерала и переходом его в метакаолинит Al2О3? 2SiO2, имеющий скрытокристаллическое строение. В интервале температур 550–830? С метакаолинит распадается на первичные оксиды Al2О3? 2SiO2 > Al2О3+2SiO2, а при температуре свыше 920? С начинает образовываться муллит 3Al2О3? 2SiO2, содержание которого во многом определяет высокую механическую прочность, термостойкость и химическую стойкость керамических изделий. С повышением температуры кристаллизация муллита ускоряется и достигает своего максимума при 1200–1300? С.
  4. Полиморфные превращения кварца – 575? С.
    Данный процесс сопровождается увеличением объема кварца почти на 2%, однако большая пористость керамики при этой температуре не препятствует росту кварцевых зерен и в черепке не возникает значительных напряжений. При охлаждении печи при той же температуре происходит обратный процесс, сопровождаемый сокращением объема черепка на приблизительно 5 %.
  5. Выделение оксидов железа – от 500? С.
    В составе керамических масс железо может находиться в виде оксидов, карбонатов, сульфатов и силикатов. При температуре обжига выше 500? С оксид железа Fe2O3, частично замещающий Al2О3 в глинистых минералах, выделяется в свободном виде и окрашивает керамику в красный цвет, интенсивность которого зависит от содержания Fe2O3 в керамической массе.Углекислое железо – сидерит – Fe2СO3 разлагается в интервале температур 400–500? С. Разложение сульфата железа FeSO4 происходит при температуре 560–780? С.
  6. Декарбонизация – 500–1000? С.
    Данный процесс происходит в фаянсовых и майоликовых массах, в состав которых входят карбонатные породы: мел, известняк, доломит: СаСО3>СаО+СО2. Выделяющийся СО2 не дает каких-либо дефектов на изделиях, если керамические массы в этот период еще не отфлюсовались. В противном случае на поверхности изделий могут появиться характерные вздутия – «пузыри».
  7. Образование стеклофазы – от 1000? С.
    Глинистые минералы при нагреве до 1000? С не плавятся, но ввод в состав керамических масс силикатов с высоким содержанием щелочных металлов способствует образованию смесей с температурой плавления от 950? С. Жидкая фаза, даже в небольшом количестве, играет очень важную роль в повышении спекания черепка, как бы «склеивая» минеральные частицы керамической массы в единое целое.
  8. Восстановительный обжиг (для фарфора – 1000–1250? С, Для гончарной керамики и майолики – 500–950? С).
    Восстановительная среда создается путем увеличения концентрации окиси углерода в печных газах и способствует изменению цвета керамических масс и декоративных покрытий за счет стремления СО «отнять» кислород у химических элементов, входящих в состав керамических изделий. Цель создания восстановительной среды при производстве фарфора – перевод оксида железа, содержащегося в фарфоровой массе и придающего нежелательную желтую или желто-серую окраску фарфору, в силикат-фаялит FeO?SiO2 – слабоокрашенное соединение голубовато-белого цвета, в результате чего значительно повышается белизна фарфора. Если в топку печи будет подано избыточное количество топлива по отношению к подаваемому с воздухом кислороду, то реакция горения будет происходить не до конца и в результате неполного сгорания будет образовываться не углекислый газ (СО2), а угарный газ (СО) и оставаться не прореагировавшее с кислородом топливо © в виде копоти и дыма. 3С + О2 > 2СО + С. Угарный газ, являясь в данных условиях особо активным восстановителем, будет реагировать с окисью железа (Fe2O3) в составе керамической массы, восстанавливая ее в закись железа (FeO), присоединяя к себе кислород и образуя за счет присоединенного кислорода углекислый газ СО2. Fe2O3 + СО>2 FeO + СО2. Превращение в результате восстановительного обжига окиси железа в его закись придает черепку в зависимости от содержания в нем Fe2O3 и в зависимости от температурного режима обжига оттенок от зеленовато-голубого до иссиня-черного. Реагируя с оксидами в составе глазурей, угарный газ восстанавливает оксиды до металлов, в результате чего на поверхности глазурей появляется металлический блеск.
  9. Расплавление полевошпатных материалов – 1100–1360? С.
    В расплавленном полевошпатном стекле растворяются метакаолинит Al2О3? 2SiO2 и мелкие зерна кварца. В этом температурном интервале происходит образование (кристаллизация) муллита 3Al2О3?2SiO2, который вместе с нерастворившимися частицами кварца образует каркас керамического черепка.
Читать еще:  Температура замерзания углекислого газа

Обжиг обычно контролируют термопарой или милливольтметром. Но при наличии определенного опыта не составляет труда определить визуально температуру обжига на том или ином его этапе по цвету раскаленного черепка внутри печи:

  • темно-красный – 600 – 700? С;
  • вишнево-красный – 800 – 900? С;
  • яркий вишнево-красный – 1000? С;
  • светло-оранжевый – 1200? С;
  • начинает белеть – 1300? С;
  • белый – 1400? С;
  • яркий белый – 1500? С.

Продолжительность обжига керамических тонкокерамических изделий колеблется в больших пределах и зависит от конструкции и размеров обжигательных печей, вида топлива, конечной температуры обжига , химического и гранулометрического состава керамических масс, размеров и формы изделий и др.

Обжиг некоторых видов крупногабаритных фарфоровых электроизоляторов длится 5–6 суток, а охлаждение – 10–12 суток, обжиг и охлаждение облицовочных керамических плиток в роликовых печах осуществляется всего за 15 минут.

Продолжительность обжига и охлаждения фарфоровых изделий (посуды) составляет в горнах 40–48 часов, в туннельных печах – 26–32 ч, в скоростных конвейерных печах – 18–20 ч.

Обычно тонкокерамические изделия обжигаются дважды: цель первого (утильного) обжига – придать изделиям достаточную механическую прочность, необходимую для выполнения следующей операции технологического процесса – глазурования. В производстве фаянса и фаянсовой майолики в процессе первого обжига , проводимого при высоких температурах (1200–1230? С), черепок доводится до требуемой степени спекания, а задачей второго, или «политого», обжига является лишь наплавление глазури на изделия. Температура утильного обжига гончарных изделий – 800–900? С, «политого» – 900–1000? С.

В условиях производства процесс приготовления керамических масс состоит из следующих основных операций: грубое дробление, рассев, тонкий помол, смешивание, ситовая очистка, магнитная очистка, приготовление пластичной (формовочной) массы, приготовление литейного шликера, транспортировка керамических масс к формовочным и литейным участкам.

В условиях небольших мастерских подготовка формовочной массы происходит по-другому.

Пластичные сырьевые материалы – глины и каолины – имеют непостоянную влажность, зависящую от сезона. Для выравнивания влажности и повышения однородности глины применяют длительное (не менее трех месяцев) вылеживание ее в специальных ямах – глинниках. Воздействие атмосферных явлений, перепады температуры (особенно промораживание) способствуют перераспределению воды в массе, ее саморазрыхлению, при этом окисляются вредные органические примеси, вымываются растворимые соли. Масса в таких условиях как бы «зреет» для формования.

Основная задача первых стадий обработки сырья – получение однородной массы определенной влажности. Из глины необходимо удалить посторонние включения – камни, корни деревьев, куски угля и известняка, другие примеси, которые могут усложнить процесс формования и обжига изделий. Для достижения этих целей применяют отмучивание – один из элементарных способов подготовки формовочной массы. Он заключается в осаждении частиц кварцевого песка, полевого шпата и других из глины, распущенной в воде. При отмучивании глина не только очищается, но и становится более жирной и пластичной.

Обжиг глины: технология, правила, температурные режимы и виды

Глина – податливый материал, благодатная почва для экспериментов и создания различных украшений и творений. Для того, чтобы получившиеся изделия служили как можно дольше и не теряли форму, после сушки необходимо произвести обжиг. Процесс не из лёгких, он предусматривает следование определённым правилам, учёт множества деталей. Но результат того стоит: изделие будет радовать долгим сроком службы, не деформируется и не разрушится. Данная статья посвящена обжигу изделий из глины. Об особенностях технологии, её видах, правилах и температурном режиме читайте далее.

Состав сырья

Глина неоднородна, количество примесей в ней варьирует. В зависимости от их процентного содержания, выбирается определённый вид обжига и температурный режим. В природном сырье содержится песок, причём чем его меньше, тем ниже должна быть температура.

В составе не должно быть посторонних камней или воздуха. Ввиду того, что плотность этих элементов отличается от плотности основного материала, температуру они будут переносить по-другому: изменять свои свойства и расширяться с разной скоростью. В некоторых случаях это может быть чревато взрывом изделия. На цвет натуральной глины влияет наличие в составе определённых элементов. Так, красной она становится из-за высокого содержания меди. Время обжига глины варьируется в зависимости от состава.

Подготовка

Перед началом процедуры изделие необходимо тщательно высушить. Предварительную сушку проводят без участия нагревательных приборов и без попадания на поверхность прямых солнечных лучей. Лучший вариант – тёмное сухое место, в котором поддерживается средняя комнатная температура. Важно, чтобы просушка прошла равномерно. В противном случае, на поверхности появятся трещины и сколы. Процесс занимает до недели: в зависимости от объёма получившегося изделия. Если его не досушить, после обжига возможно образование дефектов.

Такого понятия как «пересушка» глины не существует.

После подготовки необходимо проверить, не образовались ли на поверхности трещины. Их можно устранить с помощью жидкой глины, однако это не избавит от риска, что в печи изделие деформируется.

Последним этапом подготовки является шлифовка, она доводит изделие до идеального состояния. Основной инструмент – наждачная бумага. С ее помощью устраняются различные неровности, бугорки, отпечатки пальцев.

  1. Свойства глины при обжиге изменяются, поэтому после завершения этого процесса изменить форму изделия будет невозможно.
  2. После сушки изделия деформируются, уменьшаются в размере.
  3. Если обжиг глины выполняется дома, помещение обязательно должно проветриваться. Под воздействием температуры выделяются различные органические соединения. Некоторые вещества имеют неприятный запах и могут быть токсичными.

Технология обжига глины

Процесс проходит в один или несколько этапов. Наиболее популярная схема – двухэтапная. Она подразумевает два последовательных процесса обжига.

Промежуточный (утильный) этап.В печь попадает изделие без глазури и декора (за исключением ангоба и узоров, выполненных с помощью цветной глины). После процедуры получается так называемый полуфабрикат, утиль. Выбор температурного режима должен быть осуществлён таким образом, чтобы получился баланс двух факторов:

  • изделие успело приобрести некоторую прочность, а все газообразные вещества испарились из состава. Это происходит в результате завершения особых физико-химических процессов;
  • пористость поверхности не должна окончательно устраниться. Материал должен быть способен поглощать некоторое количество влаги, чтобы на него можно было нанести глазурь и узоры.

Политой обжиг(второй этап) проводится после того, как на изделие наносится глазурь и создаётся декор. Температурный режим диктуется требованиями использованных материалов: краски, глазури и других.

Виды двухэтапного обжига

  1. Фарфоровая схема. Основной принцип: температура печи во время второго этапа должна быть выше, чем во время первого. Такая схема позволяет облегчить процесс декорирования после не очень интенсивного первого обжига. Температура обжига глины устанавливается в районе 800-1000°C. Если на изделии появляются трещины, их легко выявить по характерному звуку после постукивания и устранить. Покрытие глазурью проходит гораздо проще, по сравнению с одноэтапным вариантом. Основные свойства (прочность, стойкой, влагонепроницаемость) изделие приобретает после декорирования, во время второго этапа. Такую технологию используют для фарфора.
  2. Фаянсовая схема. Главный принцип – второй (политой) этап происходит при меньших температурах, чем первый. Используется, если после интенсивного обжига структура материала остается пористой или если глазурь требует низкой температуры. Применяется для изделий из фаянса: глина в его составе имеет высокую тугоплавкость. Температурный режим – 1200-1250°C. Второй этап не имеет ограничений по температуре: ее величина диктуется особенностями глазурной и краски.

Последующие этапы проводятся в тех случаях, когда необходимо закрепить декор. Они менее продолжительные, в отличие от двух предыдущих этапов и проводятся при более низких температурах.

Обжигание в один этап

  • выгоден с экономической точки зрения;
  • подразумевает использование меньшего количества ресурсов.
  • более тщательный подход к декорированию: за счёт того, что поверхность недостаточно прочная, необходимо быть осторожней;
  • глазурирование с помощью простого окунания практически исключается. А такой метод считается самым простым и выгодным;
  • для того, чтобы закрепить глазурь, необходимо использовать специальные добавки.

Такой метод подходит в тех случаях, когда:

  • длительное и трудоёмкое декорирование не обязательно;
  • производство предусматривает процент бракованных единиц;
  • глазурь является высокотемпературной и период ее плавления равен периоду спекания глины;
  • если часть глазури возможно нанести с помощью распыления.

Процесс обжига происходит в несколько этапов:

  1. 25-200°C – изделие постепенно и медленно нагревается, вода между слоями испаряется. Этап показательный: в это время можно увидеть, были ли допущены ошибки по время изготовления и предварительной сушки. Если погрешности были, то на поверхности появятся пузыри, неровности, трещины. Важно, чтобы нагревание печи производилось равномерно, не допускался слишком интенсивный или, наоборот, медленный рост температуры. Оптимальная скорость – 70-100°C в час.
  2. 200-400°C – на этом этапе вся вода в слоях должна полностью испариться, а большая часть органических соединений устраниться. Оптимальная скорость роста температуры – 100°C в час. По достижении температуры в 400°C необходимо сделать двадцатиминутный перерыв для того, чтобы все газы удалились, а температура внутри печи стабилизировалась.
  3. До 600°C – происходит выделение воды, которая входит в кристаллическую решётку минералов в составе глины. Скорость подъёма уровня температуры не должна превышать 100°C. После достижения уровня в 600°C следует сделать получасовой перерыв.
  4. 600-800°C – температуру следует поднимать интенсивнее обычного – на 140-150°C в час. Это переходный период, когда старые структуры уже разрушились, а новые ещё не успели образоваться. Материал при такой температуре является наименее прочным.
  5. 800-1000°C – начало процесса спекания и образования керамических соединений. Глинистые минералы больше не разлагаются, а начинают взаимодействовать с другими элементами, образовывать новые связи. Происходит диффузия структур – химический процесс, сопровождающийся выделением газообразных веществ. Скорость обжига не должна выходить за рамки диапазона 75-100°C.
  6. Охлаждение керамики чаще всего происходит естественным путём, после того как печь отключается. Не стоит открывать её, впуская более холодный воздух, – равномерность остывания нарушается.

Способы обжига

  1. Муфельная печь, оснащённая специальным механизмом, который регулирует температуру внутри. Зачастую обладают специальными программами для различных типов обжига.
  2. Костёр/неэлектрическая печь. Изделие стоит поместить в ёмкость с песком, затем в костёр: так эффект резкого нагревания минимизируется.
  3. Обжиг глины в домашних условиях, используя газовую или электрическую печь. Наиболее опасный метод. На сковородку из чугуна необходимо насыпать речной песок, затем поставить необходимое изделие и накрыть его кастрюлей или глиняным горшком. Важно следить за процессом и периодически проветривать помещение.

Если вам необхлодимо гончарное оборудование предлагаем обратиться в интернет-магазин Колокол Мануфактура.

Оценка статьи:
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...
Сохранить себе в:
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации
×
×
Для любых предложений по сайту: [email protected]