2. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ СТЕРЖНЕЙ

2.1.Основные стадии производства керамики

Вразличных керамических производствах можно выделить ряд ос­ новных общих стадий (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Последовательность стадий производства керамических стержней

На стадии подготовки исходных компонентов обеспечивается задан­ ный химико-минералогический состав, необходимая степень чистоты, а также физическое состояние и влажность каждого компонента керамиче­ ской массы. Эта стадия включает в себя процессы обогащения: промывку водой, магнитную или другую сепарацию; химическую очистку или другие способы удаления вредных примесей; предварительное дробление (при не­ обходимости); сушку сырья до необходимой влажности; предварительную термическую обработку (обжиг), обеспечивающую необходимые фазовые превращения.

Измельчение позволяет получить компоненты с размерами зерна, со­ ответствующими особенностям последующей технологии и требованиям, предъявляемым к свойствам изделий. Для измельчения используются раз­ личные помольные машины непрерывного или периодического действия.

Смешивание компонентов должно обеспечивать получение однород­ ной композиции (шихты, массы) определенного химико-минера­ логического и зернового состава. После весовой дозировки компоненты смешиваются в периодических или непрерывнодействующих смесителях. В ряде случаев смешивание компонентов совмещается с их измельчением или активацией их поверхности в мельницах тонкого помола.

На стадии подготовки керамическая масса приобретает определен­ ные физические свойства - плотность, вязкость, пластичность, необходи­ мые для последующих процессов формирования. Эти свойства обусловли­ ваются прежде всего надлежащим содержанием в ней «временной», или «технологической, связки». Последняя представляет собой, как правило, жидкость, хорошо смачивающую минеральные частицы. При последую­ щей термической обработке сформованного полуфабриката эта жидкость удаляется. В качестве такой жидкости можно использовать воду, водные растворы минеральных веществ и наконец органические вещества и их смеси. Стадию подготовки массы часто совмещают с введением такой связки с перемешиванием минеральных компонентов.

Формовочные свойства любых типов керамических масс в значитель­ ной мере зависят от их строения и содержания в них воздуха. Во многих производствах для улучшения строения масс и удаления воздуха преду­ сматривают специальные технологические операции.

Процессы формования должны придавать полуфабрикату (заготовке) требуемую форму и размеры, с учетом последующих изменений его объе­ ма при сушке и обжиге. Одновременно должны быть обеспечены плот­ ность, однородность строения полуфабриката и механическая прочность, достаточная для его транспортировки и других технологических операций.

Сушка керамического полуфабриката должна закреплять его форму и снижать содержание связующей жидкости. Если основными компонентами связки являются малолетучие органические вещества, то вместо сушки осуществляется так называемое предварительное выжигание связки. Часто это процесс является частью процесса обжига.

Обжиг - важнейший этап технологии, превращающий полуфабрикат в готовое изделие. Во время обжига протекает ряд сложных физико­ химических процессов. При обжиге происходит упрочнение и в большин­ стве случаев уплотнение изделия, связанное с уменьшением его размеров. В результате уплотнения и упрочнения, объединяемых понятием «спека­ ние», изделие приобретает требуемые физические, химические и техниче­ ские свойства. На степень спекания и уровень этих свойств оказывает пер­ востепенное влияние совокупность условий обжига (температура, продол­ жительность, газовая среда и т.д.), называемая режимом обжига.

2.2. Зерновой состав масс

Зерновой состав масс выбирают с учетом его влияния на свойства из­ делий, а также на поведение материала в процессе формования, сушки и обжига.

Применяемые разнообразные составы (порошки) по степени измель­ чения могут быть разбиты на две большие группы - грубозернистые и тон­ козернистые. К грубозернистым относятся составы со значительным или даже преобладающим содержанием фракций размером в поперечнике (да­ лее размер крупнее) 0,5-1 мм и больше. В тонкозернистых составах все частицы или подавляющая их часть имеют размеры меньше 0,05-0,1 мм. Составы с промежуточными размерами зерен - от 0,1 до 0,5 мм - в кера­ мической технологии почти не используются. Среди тонкозернистых масс следует выделить еще группу высокодисперсных масс, в которых практи­ чески весь материал измельчен до размеров порядка микрон и долей мик­ рона. Область применения высокодисперсных керамических масс - радио­ электроника, вакуумная техника. В производстве лопаток авиационных двигателей используются тонкозернистые, неплотноспеченные (порис­ тость от 36 до 42 %) керамические массы.

При составлении той или иной композиции необходимо принимать во внимание влияние соотношения размеров зерен на плотность упаковки по­ рошковых систем. Это влияние изучается и теоретически, и эксперимен­ тально, так как имеет очень большое значение для различных отраслей техники. Если рассмотреть идеализированную систему шаров одного раз­ мера, то окажется, что существуют различные системы укладки шаров, значительно отличающиеся содержанием пустот. Так, при кубической сис­ теме укладки объем пустот составляет 47,64 %, тетрагональной - 25,95 %, соответственно количество соприкосновений шаров равно 6 при кубиче­ ской укладке и 12 при тетрагональной. Но экспериментально доказано, что из-за неправильности формы зерен огнеупора система укладки не оказыва­ ет значительного влияния на объем пустот. В системах же, состоящих из ряда фракций порошков, возможно значительное повышение плотности упаковки.

Эффективно снижают пустотность:

а) непрерывные укладки, при которых пустоты заполняются зернами всех размеров - от некоторых крупных фракций до минимальных (близких к нулю);

б) прерывные укладки, при которых между зернами заданных фрак­ ций зерна промежуточных фракций отсутствуют. При этом зерна самой крупной фракции образуют скелет, пустоты которого заполняются зернами следующей, более мелкой, фракции. Новые пустоты заполняются зернами третьей, еще более мелкой, фракции и т.д. Различными исследователями

предложен ряд довольно сходных кривых и расчетных формул для опреде­ ления оптимального соотношения фракций при непрерывной укладке. Од­ на из удобных формул, рекомендованная Андерсеном, имеет вид

Y = 100 ( d ) q

{*>)

где Y - содержание фракций с размером меньше d, %; D - максимальный размер зерна;

q - показатель степени, определяемый экспериментально для данного типа порошка и условий упаковки (он зависит от формы зерен, ха­ рактера их поверхности, обычно q = 0,33.. .0,5).

Характер интегральных кривых распределения для составов, по Ан­ дерсену, показан на рис. 2.2.

Размер зерна, мм

Рис. 2.2. Различные варианты зернового состава с плотной упаковкой: 1 - непре­ рывный (по Андерсену), q = 0,5; 2 - непрерывный (по Андерсену), q = 0,3; 3 - ступенчатый двухфракционный «идеальный»; 4 - ступенчатый двухфракционный «реальный»

Точное соблюдение зернового состава, определенного по указанной формуле с оптимально подобранным значением q, позволяет получать упаковки с пористостью не выше 20 %. Получить низкозернистые массы (какими являются массы, используемые для производства стержней лопа­ ток ГТД) с высокой плотностью упаковки весьма затруднительно. Для это­