Керамика – неорганические поликристаллические материалы, получаемые из сформованных минеральных масс (глины и их смеси с минеральными добавками) в процессе высокотемпературного (1200–2500 °С) спекания.
В керамической технологии используют главным образом каолины и глины, а также чистые оксиды. Под каолинами и глинами понимают природные водные алюмосиликаты с различными примесями, способные при замешивании с водой образовывать пластичное тесто, которое после обжига необратимо переходит в камневидное состояние.
Керамические изделия изготовляют способами пластического формования и полусухого прессования с последующей сушкой и спеканием.
При нагреве глины во время спекания в ней начинают последовательно происходить химические и физико-химические процессы, приводящие к полному и необратимому изменению ее структуры:
1) удаление химически связанной воды (500–600 °С);
2) разложение обезвоженной глины на оксиды (800–900 °С);
3) образование новых водостойких и тугоплавких минералов (1000–1200 °С);
4) образование некоторого количества расплава из легкоплавких компонентов глины (900–1200 °С);
5) образование прочного камневидного материала за счет связывания
твердых частиц образовавшимся расплавом.
Состав керамики образован многокомпонентной системой, включающей:
кристаллическую фазу (более 50%) – химические соединения и (или) твердые растворы. Кристаллическая фаза является основой керамики и определяет значения механической прочности, термостойкости и других основных свойств;
• стекловидную (или аморфную) фазу (1–40%) – прослойки стекла, химический состав которого отличается от химического состава кристаллической фазы. Стекловидная фаза ухудшает механическую прочность и тепловые показатели, однако стеклообразующие компоненты (глинистые вещества) облегчают технологию изготовления изделий;
• газовую фазу – газы, находящиеся в порах. По структуре порового пространства различают керамику с открытыми, т.е. сообщающимися с внешней средой, и закрытыми порами. Наличие даже закрытых пор ведет к снижению механической и электрической прочности, росту электрических потерь.
Керамика – изотропный материал, так как представляет собой поликристаллическое вещество с мелкими беспорядочно расположенными кристаллами. Керамику с анизотропией свойств получают на основе монокристаллов. Сегнето- и пьезокерамику получают при сохранении остаточной поляризации.
Свойства керамики определяются ее составом, структурой и пористостью. К основным свойствам керамических материалов относятся:
• плотность 1800–3900 кг/м3 и более;
• водопоглощение – для пористой керамики 6–20% по массе (12–40% по объему), а для плотной – 1–5% по массе (2–10% по объему);
• теплопроводность в зависимости от пористости и химического состава 0,8–1,16 Вт/(м·К). Сравнительно высокая теплопроводность у керамики на основе А12О3 и, особенно на основе ВеО;
• σраст=30–300 МПа, σсж=3000 МПа и более;
• твердость, близкая к твердости алмаза;
• высокая хрупкость;
• высокое электрическое сопротивление, отличные диэлектрические свойства;
• водо-, химическая, коррозионная и жаростойкость.
Недостатком керамики является высокая усадка при спекании – 20–25% и выше, что создает трудности с обеспечением точных размеров изделия. Обработка готовых изделий затруднена, так как спеченная керамика обладает высокой твердостью, режется с трудом и только абразивами
Порошковая металлургия.
Порошковая металлургия — технология получения металлических порошков и изготовления изделий из них (или их композиций с неметаллическими порошками). В общем виде технологический процесс порошковой металлургии состоит из четырёх основных этапов: производство порошков[⇨], смешивание порошков[⇨], уплотнение (прессование, брикетирование)[⇨] и спекание[⇨].
Применяется как экономически выгодная замена механической обработки при массовом производстве. Технология позволяет получить высокоточные изделия. Также применяется для достижения особых свойств или заданных характеристик, которые невозможно получить каким-либо другим методом.
Получение металлических порошков[править | править код]
Несмотря на разнообразие методов является наиболее трудоемкой и дорогой стадией технологического процесса[2]. Физические, химические и технологические свойства порошков, форма частиц зависит от способа их производства. Вот основные промышленные способы изготовления металлических порошков:
Механическое измельчение металлов в вихревых, вибрационных и шаровых мельницах.
Распыление расплавов (жидких металлов) сжатым воздухом или в среде инертных газов. Метод появился в 1960-х годах. Его достоинства — возможность эффективной очистки расплава от многих примесей, высокая производительность и экономичность процесса.
Восстановление руды или окалины. Наиболее экономичный метод. Почти половину всего порошка железа получают восстановлением руды.
Электролитическое осаждение металлов из растворов.
Использование сильного тока, приложенного к стержню металла в вакууме. Применяется для производства порошкового алюминия.
В промышленных условиях специальные порошки получают также осаждением, науглероживанием, термической диссоциацией летучих соединений (карбонильный метод) и другими способами.
Изготовление порошковых изделий[править | править код]
Типовой технологический процесс изготовления деталей методом порошковой металлургии состоит из следующих основных операций: приготовление шихты (смешивание), формование, спекание и калибрование.
Приготовление смеси[править | править код]
Смешивание — это приготовление с помощью смесителей однородной механической смеси из металлических порошков различного химического и гранулометрического состава или смеси металлических порошков с неметаллическими. Смешивание является подготовительной операцией. Некоторые производители металлических порошков для прессования поставляют готовые смеси.
Формование порошка[править | править код]
Формование изделий осуществляется путем холодного прессования под большим давлением (30-1000 МПа) в металлических формах. Обычно используются жёсткие закрытые пресс-формы, пресс-инструмент ориентирован, как правило, вертикально. Смесь порошков свободно засыпается в полость матрицы, объёмная дозировка регулируется ходом нижнего пуансона. Прессование может быть одно- или двусторонним. Пресс-порошок брикетируется в полости матрицы между верхними и нижним пуансоном (или несколькими пуансонами в случае изделия с переходами). Сформированный брикет выталкивается из полости матрицы нижним пуансоном. Для формования используется специализированное прессовое оборудование с механическим, гидравлическим или пневматическим приводом. Полученная прессовка имеет размер и форму готового изделия, а также достаточную прочность для перегрузки и транспортировки к печи для спекания.
Спекание[править | править код]
Спекание изделий из однородных металлических порошков производится при температуре ниже температуры плавления металла. С повышением температуры и увеличением продолжительности спекания увеличиваются усадка, плотность, и улучшаются контакты между зернами. Во избежание окисления спекание проводят в восстановительной атмосфере (водород, оксид углерода), в атмосфере нейтральных газов (азот, аргон) или в вакууме. Прессовка превращается в монолитное изделие, технологическая связка выгорает (в начале спекания).
Калибрование[править | править код]
Калибрование изделий необходимо для достижения нужной точности размеров, улучшается качество поверхности и повышается прочность.
Дополнительные операции[править | править код]
Иногда применяются дополнительные операции: пропитка смазками, механическая доработка, термическая, химическая обработка и др.
Преимущества и недостатки[править | править код]
Благодаря структурным особенностям, продукты порошковой металлургии более термостойки, лучше переносят циклические перепады температур и напряжений деформации, а также радиоактивного излучения.
Однако порошковая металлургия имеет и недостатки, сдерживающие её развитие: сравнительно высокая стоимость металлических порошков, необходимость спекания в защитной атмосфере, что также увеличивает себестоимость изделий порошковой металлургии, невозможность изготовления в некоторых случаях заготовок больших размеров, необходимость использования чистых исходных порошков для получения чистых металлов.