Kerámia és tűzálló anyagok kémiai technológiája

A legtöbb kerámia anyagot, különösen a tűzálló anyagokat, valamint a technikai kerámiák sok fajtáját magas hőmérsékleten való működésre tervezték. Ezeknél az anyagoknál a szokásos hőmérsékleti szilárdsági tulajdonságok - amint azt fentebb már említettük - csak viszonylagos értéket képviselnek és semmiképpen sem képesek a tényleges szilárdságukat magas üzemi hőmérsékleten jellemezni. Ezért a kerámia mechanikai tulajdonságainak magas hőmérsékleteken történő értékeléséhez további jellemzőket kell alkalmazni. Ezek a jellemzők a következők: rövid távú szilárdság a kerámia várható szolgáltatásának hőmérsékletén; bizonyos mértékű deformáció hőmérséklete állandó terhelés mellett; műanyag deformáció - kúszás; hosszú élettartam a szervizhőmérséklet-tartományban (műanyag deformációval).

1. A kerámiák rövid idejű szilárdsága üzemelési hőmérsékleténél

Ez a jellemző a kerámia rövid idejű szilárdságának meghatározott értékek megszerzéséhez szükséges a szolgáltatás várható hőmérséklete esetén. Erre a célra fel lehet használni az összes felsorolt ​​módszerek fenti értékelési rövid idejű szilárdság hőmérsékleten 20 ° C-on Magasabb hőmérsékleten, csökken a szilárdsága, amely által okozott gyengülő intrakrisztallin kötések növelésével vibrációs mozgását az atomok és molekulák. A 1100-1200 ° C-ot meghaladó üzemi hőmérséklet esetén műanyag deformáció következik be, és a törékenység elvész. Ennek következtében maga a megsemmisítési folyamat, az anyag plaszticitásától függően, rövid időn belül megszűnik.

Mind a várt üzemi hőmérséklet, mind a destruktív stressz típusa (tömörítés, feszültség stb.) A legtöbb esetben nem egyértelmű. Ezért a kerámia termomechanikai tulajdonságainak értékelésére szolgáló módszer korlátozottan alkalmazható. Igen, és ez a technika nehézségeket okoz. Ugyanakkor a kerámia melegítése és nagysága különböző hőmérsékleti területeken a szilárdság változásának természete jelentős érdeklődést mutat az ilyen típusú kerámiák átfogó értékeléséhez. Bizonyos típusú kerámiák esetében ez a változás erõssége különbözõ. Így, egyfázisú és kellően tiszta fajtáit kerámia szilárdsága csökkenni kezd hőmérsékleten 800-1000 ° C-on kerámiák tartalmazó üveges fázist vagy alkatrészek, amelyek melegítés formában ez a fázis képződik egyértelműen hangsúlyos hőmérsékleten körülbelül 1000-1200 ° C-on a szilárdság görbe maximális (1. ábra). Az 1000-1200 ° C-os tartományban az erősség növekedését az üvegfázis viszkozitásának csökkenésével magyarázzák, ami az anyag plaszticitásának növekedéséhez vezet, ami csökkenti a törékeny kudarc hajlamát. Emellett rámutatunk a szemcsék mentén történő tüzelés után kialakult mikrotörések lehetséges "szűkítésére" is, amelyek eltérnek a hőtágulási együtthatóknál vagy a tágulás anizotrópiájában. Sőt, ezek a mikrorepedések meg jelentős különbségeket a hőtágulási együtthatók a különböző fázisok, különösen akkor, ha a hőtágulás különböző polimorf fázisok, különösen a polimorf zavarok kerámia struktúrát.

2. Deformációs hőmérséklet terhelés alatt

Amikor tulajdonságainak felmérése tűzálló és a szerkezeti anyagok nagyon széles körben használt módszer megtalálása hőmérsékleten hatékony egy bizonyos mennyiségű kompressziós deformáció állandó terhelés 2 kg / cm 2 (terhelés 1,75 kPsm 2 elfogadott az Egyesült Államokban és Nagy-Britannia). Ilyen vizsgálatoknál a hőmérséklet állandóan 4-5 ° / perc sebességgel emelkedik (GOST 7875-56).

A tűzálló anyagok deformációjának hőmérsékletét elsősorban fázisösszetételük határozza meg. egyes kristályos formációk jelenléte, szerkezetük jellege - kölcsönös intergrowth, valamint az alacsony olvadáspontú kristályos és amorf fázisok olvadásakor keletkező üveges fázis száma és viszkozitása. A tűzálló anyag szerkezete szintén meghatározó jelentőségű: a magösszetétel természete, a pórusok száma és elhelyezkedése. Sűrűbb cikkekben, ha más dolog egyenlő, akkor a deformáció kezdeti stádiumai - a lágyulás kezdete (NR) és a 4% -os kompresszió - magasabb hőmérsékleten fordulnak elő. A deformációs hőmérséklet végén (20% és 40% kompresszió) a tűzálló anyag szerkezete nem érzékelhető. Ezt elsősorban az ilyen típusú tűzálló anyagok kémiai összetétele okozza, azaz az ilyen hőmérsékleten képződött olvadék viszkozitása.

Hőmérséklet deformációja tiszta polikristályos kerámia-oxidok nem tartalmazó észlelhető mennyiségű üveges fázis, közel kell lennie annak olvadási hőmérséklete, mivel a képlékeny alakváltozás okozta kimenő kristályos szilárd anyag. Ez a műanyag deformáció, ha fűtési sebesség mellett és viszonylag alacsony terhelés mellett (2 kg / cm2) vizsgálva általában kicsi. Bár egy tiszta polikristályos kerámia szemcsehatára egy kevésbé elrendezett szerkezetben különbözik a gabonától, a gabonatermékek mentén csúszva csak egy, és nem a műanyag deformáció döntő mechanizmusa. Sűrű konjugáció a szemcsehatárok mentén, amelyek nem rendelkeznek üveges, olvadó közbenső rétegekkel. deformációs hőmérsékletek növekedését okozza.

A 15-20% -os növekvő porozitású kerámiák esetében a kristályos alkotóelemek műanyag deformációja által okozott lágyulási hőmérséklet nem változik jelentősen. Ennek oka elsősorban az, hogy a műanyag deformáció felhalmozási ideje kicsi.

Ellenkező esetben a deformáció és az olvadás hőmérséklete vagy az üvegtestet tartalmazó kerámia refrakteressége közötti összefüggés expresszálódik. Az átmenet az ebben a fázisban egy viszkózus folyadék sokkal alacsonyabb hőmérsékleten, mint a műanyag deformációja a kristály fázis hőmérséklete erősen befolyásolja közötti intervallum az alakítási hőmérséklet és az olvadási (refrakcióját) Kerámia anyagok készült természetes eltömődött különböző szennyeződések nyersanyagok mindig tartalmaznak bizonyos mennyiségű üveges fázisban. Ennek a fázisnak a kémiai összetételét mind a szennyeződések ásványi összetétele, mind az anyagot alkotó bázikus kristályos fázis határozza meg, és részlegesen belép az üvegtestbe. Minél több folyadék képződik, annál kisebb a viszkozitása, annál jobban csökken a cikkek deformációjának hőmérséklete a refrakterrel szemben. Nagy jelentőséggel bír a kristályos fázis szerkezete. A fő kristályos fázis szemcséinek kölcsönös elágazása megemeli a deformációs hőmérsékletet, megbénítja a korlátozott mennyiségű folyékony fázis káros hatását.

Nagy jelentőséggel bír a képződött folyadékfázisnak a kristályos fázis nedvesítésére való alkalmassága. Alacsony nedvesíthetőség esetén a magas tüzeléses hőmérsékleten végzett átkristályosítás elősegíti az egyes kristályok fúzióját. A nedvesedés miatt a kristály borítja a folyadékfilmet, ami megakadályozza a tapadást. Termodinamikai pozíciókból ez a folyamat azzal magyarázható, hogy a rendszer a szabad energiát csökkenti.

A deformációs hőmérséklet és a fő szilárd fázis kristályosításának jellege közötti kapcsolat leginkább a dinasz refrakterben nyilvánul meg. A kristályos szilícium-dioxid kalcium-szilikátos olvadékkal való rossz nedvesíthetősége lehetővé teszi a cristobalit és a tridimit kristályainak közvetlen kötését. A kristályok fúziója (3. ábra) kristályos vázot képez, ami nagy deformációs hőmérsékletet eredményez. Az NR hőmérséklete és a dinaszti deformáció 4% -a 1650-1670 ° C körüli tartományban van, és a refrakteresség 1730 ° C (a cristobalite olvadáspontja 1728 ° C). Így a lágyulási hőmérséklet és a refrakteresség (vagy olvadás) közötti rés 60-70 °.

Más módon, a magnezit termékek, amelyek körülbelül 92% MgO-t tartalmaznak, és a refrakteritás 2300 ° C felett van, viselkednek fűtött állapotban. Ezeknek a tűzálló anyagoknak a fő része (körülbelül 90%) a perikláz (MgO). Az alacsony olvadáspontú kristályos formák száma, elsősorban a szilikátok (monticellit - CaO * MgO * SiO2) és az üveges fázis, elérik a 8-10% - ot. Azonban periklász átkristályosítás n kristálynövekedés nem ad kristályos megkeményedés a termékek, és az érintkezés megszűnik aggregátumok cementált együtt olvadó réteget. Ennek a rétegnek az olvadása és lágyulása okoz és a termékek lágyulását okozza. Ezért a magnezit deformálódási hőmérséklete körülbelül 1550 ° C. Következésképpen a refrakterképesség és a deformációs hőmérséklet közötti eltérés meghaladja a 700 ° -ot. Mennyiségének csökkentése olvadó réteget, emiatt a kristályos vegyületek magas tűzállóság (például hozzáadásával spinell A12 O3) és ezáltal növelve annak viszkozitását, növelheti a lágyuláspontja magnezit. Mint fentebb már említettük, a kerámiák deformációs hőmérséklete a tiszta periklázból, amely jelentéktelen mennyiségű folyadékfázist tartalmaz, körülbelül 2300 ° C.

A kamilla refrakterek lágyulása másképp zajlik. Tűzálló agyag, amelyből a terméket gyártó samott, égetés során, szintén érik átalakítások sora (lásd. P. 140), mint amelynek eredményeként 50% -os kristályos vysokoogneupornogo mullit 3Al2 O3 * 2SiO2. és a maradék szilícium-dioxid (amorf) nagy viszkozitású anyag. A szilícium-dioxid-maradékban a szennyeződések nagy része is belekerül az agyagba. A mullit elválasztott, nem kapcsolt kristályai nem tudnak összeolvasztott csontozatot alkotni, ami miatt magasabb hőmérsékleten lágyulhat. Ezért a tűztárcikkek lágyulását elsősorban az üveges anyag lágyulása okozza, amelynek nagy viszkozitása hozzájárul ennek a folyamatnak a fokozatos és zavartalan áramlásához. Tűzálló termékek, amely körülbelül 5% simább, refrakter körülbelül 1700-1750 ° C kezd lágyul meg 1350-1400 ° C-on, lágyító teljes (40% tömörítés) fordul elő 1570-1600 ° C-on

Következésképpen a lágyulás kezdete és a teljes alakváltozás közötti hőmérséklet-tartomány körülbelül 200 °. A dinaszban ez az intervallum 10 ° -on belül, 20-50 ° magnezitben. A dinaszok és a magnezit ilyen elhanyagolható lazulási időtartamát a folyadékfázis kis mennyisége (10%) és kis viszkozitása magyarázza a deformációs hőmérsékleteken. Tűzálló termékként az ilyen káros oxidok a diná-Al2O3-nak a Na2O, valamint a CaO és MgO. a magnezit - SiO2 (CaO jelenlétében). Olyan oxidok bevezetése, amelyek mineralizálószerek, pl. javítja az alap kristályos fázis kristályosítási folyamatát, emeli a kerámia lágyulás kezdetének hőmérsékletét.

A tűzálló kerámia magas hőmérsékletének kitett állapotban való kitettsége a visszafordíthatatlan műanyag deformációját okozza. Ebben az esetben a deformáció. az egyik szerkezeti elemet a szomszédos elemek összehangolt deformációjával kísérik, anélkül, hogy megzavarná az anyag folytonosságát. A creep egy termikusan aktivált folyamat, annak érdekében, hogy továbblépjen, meg kell oldani egy bizonyos energiahatárt, amelyben az atomok mozgása a kristályos szemek egyes szakaszainak kémiai potenciáljában rejlő különbségnek tudható be. A potenciál ezen gradiense viszont a kristályrács-hibák koncentrációjának különbsége miatt következik be. A merev test kúszását leíró mechanizmusok széles körű vizsgálata közvetlen kapcsolatot hoz létre közöttük és a kristályrács hibáival. Ezek alapján a polikristályos testek műanyag deformációja a diszlokációk csúszásához és a csúszó síkhoz való csúszáshoz kapcsolódik. Ez a deformációs mechanizmus, amely elsősorban nagy feszültségeken és viszonylag alacsony hőmérsékleten figyelhető meg, fémekre jellemző. Magas hőmérsékleten úgy tűnik, hogy a diffúziós creep mechanizmus sokkal jellemzőbb, ami abból áll, hogy az atomok áramlása a szemcsék határaitól a nyomófeszültségeknek alávetve a szakítószilárdságok körülményei között halad át. Végül, a polikristályos kerámia anyagok esetében a szemcsehatárok mentén a viszkózus áramláshoz egy creep mechanizmus társul. A szemcseméret amorf jellege, mivel kristályszerkezetük kimondottan megszorul, és meghatározza a viszkózus áramlási képességüket a feszültségek alkalmazásakor. A kristályok méretének növelése, ami a szemcsehatár mértékének csökkenéséhez vezet, csökkenti a kúszósebességet. Másrészt az alacsony olvadáspontú szennyeződések jelenléte a szemcsehatárok mentén koncentrálódó kerámiákban a kúszósebesség gyors növekedését eredményezi.

A műanyag deformáció nagysága vagy sebességének bizonyos feszültség- és hőmérséklet-kombinációkban sok esetben igen fontos jellemzője, amely valóban felbecsüli a kerámiák magas szerkezetű szerkezeti anyagként való felhasználásának lehetséges körülményeit. Bármilyen anyag, beleértve a kerámiákat is, rugalmas deformáción megy keresztül a terhelés kezdeti szakaszában. A törékeny anyagok, amelyekhez a kerámiák tartoznak, szintén kis mennyiségű rugalmas deformációval rendelkeznek, amely a feszültség további növekedésével az anyag pusztulása helyett jelentős műanyag deformáció nélkül megy végbe. Magas hőmérsékleten ez a pozíció változik: a kerámiák képesek a műanyag deformációra.

4. Tartós tartósság

A szerkezeti kerámia kúszásának tanulmányozásának logikus folytatása annak hosszú távú szilárdságának meghatározása, vagyis az idő, amikor az átmenet a második és a harmadik creep szakasz között következik be, az anyag megsemmisítésével együtt. Annak megítélésére, hogy a szerkezeti kerámia képes-e ellenállni a terhelésnek a műanyag deformáció idején, anélkül, hogy megsemmisítené, a hosszú távú szilárdság meghatározása.