Огневой В.Я. Машиностроительные материалы

Подождите немного. Документ загружается.

331

смешиваться в течение продолжительного времени. Если добавить к

смеси стеклянный бой того же состава, ее плавление ускорится, а

введение определенных количеств воды уменьшает пылеобразование

и расслоение и благоприятно сказывается на процессе плавки. С

помощью транспортера или вагонетки смесь либо в виде порошка,

либо брикетированная подается в плавильную печь.

В течение столетий стекломассу плавили в горшковых печах, без

которых, впрочем, и сегодня немыслим любой стекольный завод по

производству специальных стекол (хрусталь, оптическое стекло).

Такой способ, когда стекломасса расплавляется в небольших горшках

или тиглях, находящихся в самой печи, имеет, конечно, много

недостатков. Главный из них - это периодичность процесса, замед-

ляющая выработку. Размеры печи ограничены. Ее диаметр не

превышает 1 м, а глубина определяется удобством извлечения

плавленого стекла через отверстия. Из-за постоянно понижающегося

уровня расплава выгрузка стекла может происходить только вручную,

что затрудняет механизацию дальнейших стадий переработки.

Существенный прогресс в плавильной технике был достигнут,

когда вместо тиглей в качестве плавильной емкости стали

использовать внутреннее простанство печи. Такие печи также

работают периодически и с ручной выгрузкой материала, но тем не

менее дают больше высококачественного стекла.

Новым прогрессивным способом получения достаточно

хорошего расплава стали ванные печи, поверхность плавления ко-

торых составляет многие квадратные метры, а глубина относительно

невелика (< 1,2 м). В непрерывно действующие установки с одного

конца загружается смесь, которая расплавляется в горячей стекло-

массе. В процессе медленного течения расплава вдоль ванны

осуществляется его осветление, дегазация и гомогенизация. Дойдя до

противоположного конца ванны, он полностью готов к дальнейшей

переработке. Уровень расплава, а также его физические и химические

характеристики поддерживаются постоянными, и готовая стекломасса

непрерывно выгружается и перерабатывается в изделия.

В ходе совершенствования процесса получения стекла в смесь

стали добавлять ускорители плавления и осветляющие средства.

Ускоритель плавления очень быстро образует тонкий слой расплава, а

332

осветлитель вызывает завихрения в расплавленной массе и

способствует лучшей гомогенизации.

Ванные печи - крупные сооружения: вместе со вспомогательным

оборудованием и оснащением для завершающего этапа процесса они

занимают несколько этажей в больших цехах. Долгое время такие

печи обогревались исключительно генераторным газом, а сейчас для

этого все чаще применяются природный газ или электроэнергия.

Один из самых новых способов - это чисто электрическая

плавка, при которой газ используется только для предварительного

плавления загруженной смеси при пуске печи. После того как

образовался определенный слой расплава, процесс плавления идет

исключительно за счет тепловой энергии, выделяющейся при

прохождении электрического тока через расплавленную массу.

В то время как у всех непрерывно работающих ванных печей

зоны плавления и осветления остаются почти неизменными, зона

выработки готовой стекломассы определяется способом ее

переработки, то есть меняется в зависимости от типа машин.

Прессование, дутье, вытяжка и прокатка - переработка

непрерывна и в больших количествах получающег расплава стекла

должна быть механизирована.

Тарелки, чашки, вазы, кинескопы и детали электронной техники,

да и вообще массивные изделия из стекла получают методом

машинного прессования, установка оснащена максимум

шестнадцатью вращающимися прессующими головками.

Аналогичные машины, оснащенные добавочно системой для

создания вакуума или избыточного давления, служат для

производства полых стеклянных изделий до 30000 штук в день.

Стеклянная капля сначала выпрессовывается в виде продолговатой

заготовки с горловиной, а затем стекло выдувается через горловину к

внешним стенкам формы. Таким способом фабрикуются все бутылки,

банки и подобные им сосуды, а также колбы электроламп, стаканы и

лабораторная посуда.

Прокатка используется при производстве профильного

орнаментированного и армированного стекла. Струя расплава из

ванны протекает между валками, на которые нанесен узор (валков два

или более - это зависит от формы образца - и по крайней мере один из

них вращается). В зазоре валков получают равномерное по толщине

333

стекло, причем в него может быть одновременно запрессована

армирующая основа. Готовая лента застывает на находящемся за

валками транспортере, который ведет в охладительную камеру.

Наиболее сложные и разнообразные формы возникают из стекла при

вытяжке. Этот процесс используется как при производстве труб и

стержней, так и при получении плоских изделий. Трубы можно изго-

товлять, например, по очень старому методу горизонтальной вытяжки

(метод Даннера): струя расплава течет по наклонной жаропрочной

трубе и образует внутри нее вязкую оболочку, которую поток воздуха

непрерывно сдвигает вперед, равномерно растягивая по всей

поверхности трубы. При этом получают длинные трубы малого и

среднего диаметров.

Способ высокоскоростной вытяжки расплава через отверстие в

ванне применяется для получения труб большого диаметра, причем

требования к постоянству температуры и гомогенности состава стекла

очень высоки.

Особенно большие плавильные ванны необходимы при

производстве листового стекла. Продольные узкие тоннели рабочей

ванны такой плавильной установки содержат соответствующие

будущей ширине листа фильеры, через которые стекло

выдавливается, крепится в металлических захватах и протягивается

через систему валков. Постепенно охлаждаемая полоса уже в совсем

холодном состоянии разрезается и передается для дальнейшей

обработки.

Подобные устройства не используются при современном

способе, когда листовое стекло формуется на зеркале расплавленного

металла (чаще всего олова с температурой плавления 232 °С).

Благодаря этому получается поверхность очень высокого качества.

Из-под пресса выходят уже готовые стеклянные изделия, а вот

при других способах переработки стеклу предстоит еще либо

разрезание с помощью алмазных инструментов, либо нагрев в

остроконечном пламени с последующим отламыванием. Протянутое

плоское, профильное или листовое стекло в принципе готово к

употреблению, но при особых требованиях (например, настольное

стекло) его края должны быть отполированы и отшлифованы. У

дутых полых изделий края, как правило, оплавляют.

334

Особой отраслью стекольной промышленности является

стеклодувное дело. Стеклодувы из труб, стержней изготавливают

сложнейшие, порой уникальные аппаратуру и лабораторное

оборудование, используя при этом изгиб, выплавку, сплавление и

выдувку в пламени газовой горелки.

Аналогично этому производятся радиолампы, кинескопы,

которые потом, после монтажа электроники и откачки воздуха или

заполнения инертным газом, герметически заплавляются.

Есть еще один способ обработки стекла, основанный на его

химических свойствах. Стекло можно матировать, обрабатывая

смесью плавиковой и серной кислот или другими фтористыми

соединениями. Такие смеси неравномерно разъедают стекло, образуя

на его поверхности определенный рельеф. При других соотношениях

компо-нентов смесь плавиковой и серной кислот оказывает,

наоборот, полирующее действие. Этот состав используют для

восстановления гладкой поверхности после шлифовки изделия при

производстве хрусталя.

Важную роль играет нанесение покрытий на поверхность стекла.

Металлы, оксиды, пластмассы, силикон и другие материалы наносятся

в виде тонкого слоя и закрепляются различными способами

(термообработка, окисление, полимеризация).

8.2. Ситаллы

Прочность стекла и его устойчивость к перемене температур

можно повысить и другим способом - за счет направленной

кристаллизации. Такие стекла должны содержать центры образования

зародышей - небольшие кристаллы, которые при определенных

температурных условиях вызовут кристаллизацию основной массы

стекла. Так возникают ситаллы, или стеклокерамика. Подобные материалы

могут выдерживать внезапное повышение температуры на 1000°С, так

как при этом не происходит практически никакого изменения их объема.

Изделия из них применяются в промышленности, в лабораториях и

домашнем хозяйстве.

Ситаллы представляют собой поликристаллические материалы с

очень мелкими (0,01-1,0 мкм), равномерно распределенными по

объему кристалликами, сросшимися друг с другом или соединенными

335

тонкими прослойками остаточного стекла. Получают ситаллы на

основе неорганических стекол путем их полной или частичной

кристаллизации. За рубежом они называются стеклокерамикой или

пирокерамикой. От керамики эти стекла отличаются меньшей

зернистостью и однородностью микрокристаллической структуры.

Кроме стекол, для получения ситаллов используют катализаторы

кристаллизации, обычно светочувствительные металлы (золото,

серебро, медь) в коллоидном

состоянии.

По способу производства, исходному сырью и основным

свойствам ситаллы подразделяются на три группы: технические,

шлакоситаллы и фотоситаллы.

Технические ситаллы изготавливают из стекол, получаемых на

основе чистых оксидов и катализаторов. По химическому составу и

свойствам можно выделить 3 группы: литиевые, магниевые и борные

ситаллы.

Литиевые ситаллы отличаются низким коэффициентом

линейного расширения и

термостойкостью до 950°С. Изготавливают

из них температурные датчики, резонаторы, потенциометры,

высокотемпературные сопротивления. Более высокой

кислотостойкостью, износостойкостью, прочностью и твердостью

обладают ситаллы АС-023.

Магниевые ситаллы характеризуются повышенными ди-

электрическими и более высокими механическими свойствами.

Наиболее термостойкие используют для изготовления различных

деталей в радиотехнике. Кристаллическая фаза в них составляет до

80...90%.

Борные ситаллы

обладают низкой диэлектрической прони-

цаемостью и применяются в основном в вакуумной технике.

Шлакоситаллы. представляют собой стеклокристаллические

материалы, получаемые на основе доменных шлаков, кварцевого

песка и катализаторов. Применяют их для футеровки емкостей,

контактирующих с агрессивными средами.

Фотоситаллы. - стеклокристаллические материалы на основе

литиево-алюмосиликатных светочувствительных стекол, содержащих

в качестве добавок незначительные

количества золота, серебра, меди,

диоксида циркония. Используются они в электронике, оптике и

других областях.

336

Плотность ситаллов 2450-2950 кг/м

. Временное

сопротивление при растяжении

до 1100 МПа, предел прочности

при сжатии

В СЖ

= 700-2000 МПа, ударная вязкость KCU = 45-105

кДж/м

, твердость близка к твердости закаленных сталей. Ситаллы

устойчивы к кислотам и щелочам, имеют нулевое водопоглощение,

стойки к термоударам.

Применяются ситаллы для защиты металлических поверхностей

от коррозии и воздействия высоких температур, для высокоточных

калибров, фильер, деталей вакуумной и радиоэлектронной

промышленности и др.

8.3. Керамика

В то время как изготовление из местных глин посуды, кирпича,

черепицы, канализационных труб, облицовочной плитки и т.п.

относится к древнейшим ремеслам человечества, с течением времени

керамика завоевала столько новых и поистине необъятных областей

применения, что стало уже затруднительно определить само понятие

керамические материалы. Успехи на первых этапах развития

керамического производства были результатом не систематических

исследований, а эмпирических изысканий. Коренные изменения,

произошедшие в этом отношении несколько десятилетий назад,

привели к созданию совершенно новых керамических материалов. В

качестве произвольно выбранных примеров здесь можно назвать

используемые для изготовления дюз самолетов и ракет огнеупорные

материалы, состоящие из стойких к высооким температурам карбидов

и оксидов, материалы для ядерных реакторов, непрозрачный материал

для капсулирования полупроводников и пьезоэлектрическую

керамику для электронных схем - вот какое многообразное

применение в промышленности находит сегодня керамическая про-

дукция.

8.3.1. Особенности структуры и свойств

337

Под керамикой понимаются поликристаллические материалы,

получаемые спеканием неметаллических порошков природного или

искусственного происхождения.

Керамические материалы выгодно отличаются от металлических

и полимерных следующими свойствами: многофункциональностью,

доступностью сырья, низкой энергоемкостью производства,

возможностью создания экологически безопасных технологий

получения, высокой коррозионной стойкостью и устойчивостью к

радиационному воздействию, биологической совместимостью,

возможностью регулирования свойств материала в широких

пределах

за счет изменения структуры, низкой плотностью.

Приведенные свойства керамики позволяют ей с каждым годом

завоевывать все расширяющиеся области применения как в

машиностроении, энергетике, так и в медицине и химической

промышленности (табл. 73).

Эти материалы перспективны для инструментов, деталей

двигателей внутреннего сгорания, фильтров, мембран с различной

пропускной способностью, элементов искусственных органов,

износостойких покрытий, нагревательных элементов, элементов

источников питания и др.

Однако керамике присущ и ряд существенных недостатков:

чувствительность к термоударам (особенно переохлаждению),

хрупкость, низкое временное сопротивление, сложность механи-

ческой обработки.

По составу керамику можно подразделить на кислородную,

состоящую из оксидов металлов и неметаллических элементов

(бериллия, магния, алюминия, кремния, титана, циркония), и

бескислородную - нитридную, карбидную, боридную и др.

По структуре она может быть аморфная, кристаллическая или

представлять собой композиционный материал с различными

армирующими элементами, например, волокнами.

Таблица 73

Свойства и области применения керамических материалов

, МПа, при

Основа

керамики

ПЛ

°С

г/см

изгибе сжатии

Особенности и применение

338

Оксидная керамика

(корундо-

вая)

2050

3,99 150

3000

Химически стойкая, отличный

диэлектрик, высокая прочность.

Применение - резцы для чистовой

обработки, абразивные инструменты,

фильеры для кабельной

промышленности, детали машин,

свечи зажигания ДВС.

ZrO

2700

3,60 230

2100

Высокая термостойкость (до 2200°С).

Низкая стойкость к термоудару.

Применение - огнеупорные тигли,

тепловая изоляция печей и аппаратов,

термическая защита металлических

поверхностей.

Бескислородная керамика

SiC

(карбо-

рунд)

3,20 250

1500

Устойчива к кислотам, неустойчива к

щелочам. Применение абразивные

инструменты.

- 3,45 -

Диэлектрик. Применение -

инструментальное производство,

абразивные инструменты.

8.3.2. Технические керамические материалы

По функциональному назначению керамические материалы

можно подразделить на конструкционные, электрические, оптические,

магнитные, биологические, бытовые (для изготовления различной

керамики, посуды, художественных изделий и т.д.).

Конструкционные керамические материалы изготавливаются на

основе как кислородной, так и бескислородной керамики. Наибольшее

применение получили оксиды алюминия, циркония, магния, карбиды

и нитриды

кремния, титана, бора, дисилицид молибдена, фарфор. Эти

материалы представляют собой многофазные системы, в которых

присутствуют кристаллическая, аморфная и газовая фазы.

Кристаллическая фаза, составляющая основу конструкционной

керамики, представляет собой твердые растворы или определенные

339

химические соединения. Аморфная фаза находится по границам

кристаллической и может составлять до 40%. Газовая фаза образуется

при обжиге керамики и для конструкционной керамики в основном

нежелательна. В зависимости от формы пор и количества газовой

фазы, керамику подразделяют на плотную, без открытых пор и

пористую. Наличие пор обусловливает снижение прочности

керамики.

Существенное влияние

на механическую прочность керамики

оказывает температура. Например, для оксидной керамики характерна

незначительная потеря прочности (до 15%) при температурах до

800°С, а затем более резкое ее падение; при температурах выше

1200°С потеря прочности составляет более 50%.

Одним из основных недостатков керамики является ее

хрупкость, так как для распространения трещины в керамическом

материале

расходуется энергии в тысячу раз меньше, чем в металлах.

Снижения хрупкости добиваются путем армирования керамики

волокнами из хрома, никеля, ниобия, вольфрама, введением в состав

диоксида циркония. Применяются также методы поверхностного

упрочнения керамических материалов путем лазерной аморфизации

поверхности.

Большое распространение в технике получила пъезокерамика,

способная поляризоваться при упругой деформации или де-

формироваться под действием внешнего электрического поля. В

основном используется керамика на основе титаната бария ВаТiOз.

Пьезокерамические материалы нашли применение в качестве

электромеханических и электроакустических преобразователей.

Керамические материалы используются также в качестве

терморезисторов и варисторов, изменяющих электросопротивление

под действием соответственно температуры и приложенного

напряжения. Термочувствительные датчики на базе терморезисторов

способны

изменять электросопротивление на несколько порядков при

повышении температуры на 100°С. Варисторы используют для

защиты сетей переменного тока от импульсных перенапряжений в

стабилизаторах напряжений и регуляторах токов низкой частоты.

Алюмооксидная керамика широко используется в электронике

для изготовления подложек интегральных схем, а также для подложек

корпусов больших интегральных схем (чипов).

340

Ферромагнитная керамика, представляющая собой соединения

типа Ме

О-Fe

или МеО-Fe

Оз (Me обозначает металл),

характеризуется высокой магнитной проницаемостью и хорошими

диэлектрическими свойствами. Наибольшее распространение

получили ферриты, содержащие оксиды магния, никеля, цинка,

кальция, марганца.

В промышленности используется керамика со специфическими

оптическими свойствами: оптически прозрачная, с люминисцентными

свойствами, светочувствительная. Такая керамика изготавливается

на основе оксида алюминия, оксида иттрия, легированного

редкоземельными элементами, оксида бериллия,

цирконата или

титаната свинца, теллурида кадмия.

8.3.3. Технология получения керамики

Вся керамика, в каких бы областях она ни применялась,

изготовляется в общем по одинаковой технологии. Сущность ее за-

ключается в формовании дисперсной массы и последующем

закреплении формы под действием нагрева.

Процесс изготовления керамических изделий состоит из

следующих стадий: подготовка формовочной

массы, формование

изделия, сушка и обжиг. Подготовка формовочной массы включает

дробление составляющих компонентов, помол, гомогенизацию и

сушку.

Различают сухую и влажную подготовку массы. Смешивание

компонентов производится в шаровых и вибрационных мельницах

или лопастных мешалках. При влажном процессе смешивания в

смеситель вводится жидкая среда - вода или спирт, в зависимости от

состава

компонентов.

Брикетирование смесей производится с целью увеличения

плотности механического контакта между химически разнородными

материалами. Твердофазное взаимодействие компонентов

осуществляется в процессе гомогенизирующего обжига при высокой

температуре, зависящей от природы исходных компонентов (700°С и

более). Обжиг производят в тоннельных, камерных или вращающихся

печах с электрическим или газовым подогревом.