Приготовление керамических масс.

Большое количество порошка не содержит глины и лишено свойств пластичности. Для улучшения прессовочных свойств таких порошков, повышения прочности отформованных изделий, порошки смешивают с органическими веществами, называемыми пластификаторами. Такими пластификаторами и клеящими добавками порошкообразных масс являются растворы поливинилового спирта и декстрина, парафин, воск, различные смолы и другие органические соединения.

Выбор и количество вводимого пластификатора связано со свойствами прессуемого порошка и проектируемыми свойствами будущих изделий, их формой и размером. Органический пластификатор должен обладать сочетанием некоторых свойств, из которых наиболее важными являются способность смачивать зерна прессуемого порошка, легко и без остатка выгорать при обжиге изделий, не прилипать к поверхности металлических форм.

Для получения некоторых изделий из порошка предварительно получают шликер. Шликером называют устойчивую суспензию, приготовляемую обычно из тонкоизмельченных керамических материалов, взвешенных в воде или иной жидкости, а также в композициях, например, в парафине с добавками поверхностно-активных веществ (ПАВ).

Шликер используют для отливки изделий сложной формы, которые невозможно или невыгодно формовать из порошкообразной массы.

3. Формование изделий. В зависимости от состава керамики, формы и размеров изделий используют различные способы формовки:

а) литье в гипсовые формы;

б) прессование;

в) литье под давлением;

г) высокоскоростное прессование с использование энергии взрыва;

д) высокотемпературное прессование.

Для отливки изделий в гипсовых формах применяют водный шликер с влажностью до 35 %, который, отдавая часть влаги через капилляры в гипсовую форму, превращаются в изделие с прочностью достаточной для дальнейшей обработки.

Шликер при высыхании должен давать усадку. Причем, если усадка будет мала, то изделие трудно вынимать из формы, а если большая – то могут образовываться трещины. Иногда вместо гипсовой формы используют бумажные.

Прессование для получения необходимой формы керамических изделий используют чаще всего гидростатическое, обеспечивающее равномерное давление со всех сторон.

Литье под давлением по своей технологии мало чем отличается от аналогичного способа получения изделий из пластмассы.

В последнее время для формования керамики используют энергию взрыва. При этом заряд помещают около уплотняемого материала, и энергия взрыва рассеивается в окружающей его воде. Уплотнение происходит за счет динамического давления достигающего 100 – 500 тысяч кг/см².

При высокотемпературном прессовании совмещаются операции прессования и спекания. Этот метод имеет ограниченное распространение и применяют его для полу-чения изделий с высокой плотностью из тех материалов, которые при обычном спекании не образуют плотного тела.

Механическая обработка после формования используется, если деталь из керамики сложной геометрической формы нельзя получить обычным формованием.

4. Обжиг керамики.

Техническую керамику в зависимости от состава и свойств обжигают в диапазоне температуры равной 1200 – 2500 ºС. Важным фактором, влияющим на выбор температуры, является зернистость исходных компонентов. Более крупные зерна требуют более высокой температуры или большей продолжительной выдержки по сравнению с тонкодисперсными.

Ввиду чувствительности некоторых видов технической керамики к действию газовой среды из-за реакции окисления – восстановления их обжигают в условиях определенной регулируемой газовой среды. В этом отношении особенно чувствительные ферриты, керметы, рутиловые и некоторые другие составы керамики. В ряде случаев, изделия следует обжигать в среде нейтральных газов – аргона, гелия, иногда в восстановительной среде водорода, аммиака, окиси углерода и др. В процессе обжига исходная заготовка упрочняется. Упрочнение заготовки в процессе обжига называется спеканием. Спекание происходит с усадкой материала исходной заготовки. В зависимости от характера взаимодействия элементов исходной заготовки и условий процесса спекание сложных композиций можно подразделить на:

1) диффузионное;

2) жидкостное;

3) за счет испарения и конденсации;

4) за счет пластической деформации;

5) реакционное.

Диффузионное спекание. Диффузионный механизм переноса вещества наблюдается при спекании большинства кристаллических фаз в отсутствие жидкой фазы. Происходит, как принято называть, твердофазовое спекание.

Представим себе модель диффузионного спекания двух кристаллических частиц шарообразной формы. Если эти две сферы ввести в соприкосновение, нагреть до некоторой температуры и выдержать в таком состоянии, то они через некоторое время срастутся между собой.

Перенос вещества в этом случае будет происходить от контактной поверхности между частицами к поверхности, образующихся перемычек, как это показано стрелками. Спекание сопровождается сближением частиц, т.е. общей усадкой системы. При низких температурах спекания, идет в основном поверхностная диффузия, по мере повышения температуры ее роль убывает, а объемная диффузия достигает преобладающей степени.

Степень и скорость спекания зависят от ряда факторов, из которых основными являются:

1) температура и продолжительность времени спекания;

2) дисперсность частиц;

3) коэффициент диффузии.

С повышением температуры скорость спекания возрастает. Скорость спекания меняется со временем. Наиболее интенсивное спекание происходит до достижения пористости примерно 10 %, после чего скорость резко падает. Очень большое влияние на спекание кристалллических порошков оказывает их дисперсность. V ≈ 1/d. Поэтому для интенсивного спекания кристаллических материалов требуется очень тонкое измельчение.

Спекание зависит от коэффициента диффузии. Он возрастает по мере увеличения дефектности кристаллической решетки. Коэффициент диффузии может быть повышен путем введения небольшого количества добавок, увеличивающих дефектность кристаллической решетки. Такой метод часто используют в технологии технической керамики, особенно окисной.

Диффузионный механизм спекания кристаллических керамических материалов присущ многим видам технической керамики, например окисной, ферритам, титанитам и др.

Жидкофазное спекание. Спекание с участием жидкой фазы или, как его иногда называют, жидкостное спекание – является самым распространенным случаем спекания в технологии керамики. Такой тип спекания присущ всей глиносодержащей керамике независимо от свойств кристаллической фазы, а также многим видам технической керамики, когда плавящееся стекловидное вещество вводят умышленно, или оно образуется в результате взаимодействия с примесями в исходном сырье.

Имеются два случая жидкофазного спекания:

1. При отсутствии взаимодействия твердой фазы с жидкой;

2. При взаимодействии твердой фазы с жидкой.

Первый вид жидкостного спекания. Спекание многофазной порошковой массы, содержащей стекловидное вещество или образующей стекловидное вещество в процессе обжига, сопровождается заполнением пор между зернами кристаллической фазы без их взаимодействия с жидкой стекловидной фазой. Происходит как бы склеивание кристаллических частиц.

Жидкофазовое спекание по рассматриваемой модели, зависит главным образом от:

1) поверхностного натяжения на границе фаз;

2) вязкости жидкой фазы;

3) дисперсности частиц.

Второй вид жидкостного спекания сопровождается взаимодействием жидкой и твердой фаз. Образующаяся или введенная стекловидная фаза, становящаяся при некоторой температуре жидкой, растворяет зерна твердого кристаллического вещества. Постепенно жидкая фаза насыщается растворимым веществом, после чего из расплава кристаллизуются твердая фаза, преимущественно на поверхности оставшихся зерен. Происходит рост более крупных зерен и спекание системы. Наиболее характерной чертой спекания с участием жидкой фазы является большая степень уплотнения по сравнению со спеканием в твердой фазе. Процесс уплотнения происходит по стадиям. Сначала идет вязкое течение образовавшейся жидкости, приводящее к перегруппировке частиц, затем действует механизм растворения осаждения и на заключительном этапе происходит спекание в твердой фазе с образование жесткого скелета.

Спекание за счет испарения и конденсации. Спекание некоторых кристаллических тонкодисперсных порошков происходит за счет переноса вещества при испарении его с поверхности одних элементарных кристалликов и конденсации на поверхности других.

Спекание за счет пластической деформации. Спекание за счет пластической деформации может происходить только при одновременном воздействии температуры и давления. Такое спекание происходит при так называемом процессе горячего прессования. Разогретое поликристаллическое тело при некоторой температуре и давлении приобретает способность пластической деформации. При этом происходит заполнение всех пустот, тело приобретает относительную плотность, равную приблизительно 99 – 99,5 %. Скорость спекания находится в прямой зависимости от величины поверхностного натяжения и в обратной зависимости от размера спекаемых частиц и их вязкости.

Реакционное спекание. Особым случаем спекания является реакционное спекание. Уплотнение спекаемого материала происходит путем образования нового кристаллического вещества по реакции между твердофазным веществом, находящимся в теле изделия в качестве одного компонента, и парообразной фазы другого вещества.

Происходит своеобразная пропитка пористого тела парообразным веществом, которое вступает в реакцию с основной или специально введенной для осуществления реакцией фазой.

5. Доводка. Доводка проводится при малых допусках на размеры и осуществляется чаще всего шлифованием.

6. Металлизация и пайка керамики. Значительная часть технической керамики, главным образом радиотехнического назначения, на последней стадии производства изделий подвергается металлизации, а в некоторых случаях спаиванию с металлоконструкциями. Таковы, например, керамические конденсаторы различных типов, керамические непроволочные соединения, пъезоэлементы, некоторые ферриты, отдельные детали электровакуумной аппаратуры и ряд других изделий.

Металлизацию керамики производят:

1. С целью создания токопроводящего слоя на части поверхности керамического изделия, служащего электродом, к которому припаивают вывод, позволяющее подсоединить изделие в определенную электрическую цепь.

2. С целью создания прочного, в некоторых случаях вакуум-плотного, соединения керамической детали с металлом путем их спаивания, т.е. создания металлокерамической конструкции.

Металлические покрытия на поверхность керамики наносят различными методами:

1) вжиганием металлосодержащей пасты;

2) испарением и конденсацией металлов в вакууме;

3) распылением металлов в расплавленном состоянии;

4) химическим осаждением.

Для металлических токопроводящих покрытий наибольшее применение получило серебро, т.к. оно обладает комплексом необходимых для этого свойств.

Наиболее распространенная технология спайки состоит из следующих операций:

1) металлизация керамики;

2) покрытие первичного слоя металла другим металлом для улучшения смачивания припоя;

3) спайки металлизованной керамики с металлической аппаратурой.

Для создания вакуум-плотных спаев первичную металлизацию керамики производят тугоплавкими металлами – молибден (Мо), вольфрам (W) с добавками некоторых других металлов, например железа (Fe), марганца (Mn), меди (Cu) и др.

Подготовленные керамические детали с двухслойным металлическим покрытием после соответствующей очистки спаивают с металлическими частями аппаратуры. Для этого используют твердые припои, главным образом чистое серебро (температура плавления равна 961 ºС) и его сплавы (серебро – 28,5 %, медь – 71,5 %) температура плавления равна 799 ºС.

Керамику с металлом спаивают в электропечах в атмосфере водорода (Н) и азота (N) при температуре равной 1030 ºС ± 10 ºС (при пайке серебром) или при температуре равной 820 – 830 ºС (при пайке сплавом серебра и меди Ag + Cu).