Глава 6. ТЕХНОЛОГИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ ПРИБОРОВ.
6.1. Общие сведения.
Керамика - это особым образом обработанные смеси различных неорганических веществ в тонкоизмельченном состоянии. Детали и сборочные единицы из керамики широко применяют в электронике, автоматике, телемеханике, вычислительной технике, квантовой электронике и др. благодаря ряду замечательных свойств: нагревостойкости, высокой механической прочности, малым диэлектрическим потерям, инертности к ряду агрессивных сред, стабильности и надежности работы в течение длительного времени при термоударах, изменении влажности и давления, радиационной стойкости.
По строению керамика представляет собой сложную систему состоящую из трех основных фаз: кристаллической, стекловидной и газовой. Кристаллическая фаза ( основная ) представляет собой химические соединения или твердые растворы, она определяет характерные свойства керамического материала; стекловидная фаза находится в керамическом материале в виде прослоек между кристаллической составляющей или обособленных микрочастиц и выполняет роль связующего вещества; газовая фаза представляет собой газы, содержащиеся в порах керамики. Поры ухудшают свойства керамики, особенно при повышенной влажности.
Свойства керамики зависят от состава смеси ( химического и процентного соотношения веществ ), режима обработки.
В производстве приборов широко применяют: радиокерамику ( тибар, ситал, стеатит, форстеритовую, глиноземистую, бериллиевую и др. ), электрокерамику ( радиофарфор, стеатит и др. ), керамику, как конструкционный материал ( например в опорах гироскопов - 22ХС, ЦМ-332 ) и др.
6.2. Этапы технологического процесса.
Технологический процесс изготовления керамических деталей представлен на рис. 1. Где А,Б и М - составные части - исходные материалы, которых может быть большее или меньшее количество. Керамика может быть изготовлена путем однократного или двукратного обжига. Это имеет свои преимущества и недостатки, которые отмечены в нижеследующей таблице.
| Анализ исходных солей (оксидов) |
!
| Расчет химического состава и взвешивание исходных веществ |
! ! !
| Смешивание и помол | Растворение и смешивание | Растворение |
! ! !
| Сушка смеси | Обезвоживание (нагрев) | Фильтрование |
! ! !
| Брикетирование | Помол и смешивание | Осаждение |
! ! !
| Термическое разложение солей | Промывание |
! !
| Брикетирование | Контроль чистоты отмывки |
! !
| Помол и смешивание |
!
| Термическое разложение солей |
! ! !
| Предварительный обжиг шихты |
!
| Вторичный помол и смешивание |
!
!
| Сушка шихты |
!
| Введение пластификатора |
!
| Приготовление пресс-порошка (шликера) |
!
| Формование изделий |
!
| Спекание |
!
| Контроль |
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- параметры однократный двукратный
качества обжиг обжиг
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Состав шихты При сложном составе может Нарушения состава шихты
быть неравномерность состава почти не бывает
Примеси Меньшее количество размолов При предварительном об -
и операций и меньше возмож- жиге и помоле возникает
ностей внесения внесения при- дополнительная опасность
месей попадания примесей
Усадка Из-за большой усадки возможна Усадка не велика, дефор-
деформация заготовок мация незначительна
Распределение Большой набор зерен Распределение зерен по
зерен по размеру различных размеров размеру легко подобрать
Влияние давления Плотность изделия почти не Плотность изделия
прессования зависит от давления зависит от давления
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
В производстве распространены следующие технологические способы изготовления радио-, пъезокерамики и ферритов основанные на ( рис.1. ): 1) механическом смешивании исходных веществ в виде порошков окислов и солей металлов, соответствующих химическому составу изготовляемого материала;
2) термическом разложении солей металлов;
3) совместном осаждении карбонатов солей соответствующих металлов или их гидратов.
Исходными веществами для изготовления радио-, пъезокерамики и ферритов по указанным схемам являются окислы и соли металлов. Основные этапы технологического процесса, представленные на схеме рис.2, заключаются в следующем.
Набор исходных веществ определяется заданными магнитными и электрическими свойствами изделий, геометрической формой и размерами.
Анализ исходных окислов и солей выполняется с целью определения их физико-химических характеристик, вида и количества примесей, величины и формы частичек, активности, т.е. возможности вступать в реакцию с другими компонентами смеси, и др.
Расчет массы и соотношения исходных компонентов проводят основываясь на химической формуле материала. И затем в соответствии с расчетом производят взвешивание исходных компонентов.
Помол или растворение и смешивание выполняют для получения однородной по химическому составу и размеру частиц смеси. Эти операции выполняют или с жидкостью ( водой ) или без воды, т.е. выполняют мокрый ( шликерный ) или сухой помол. Мокрый помол завершается сушкой.
Операция брикетирование ( гранулирование ) нужна для получения более компактной формы полученной смеси ( шихты ) и более полного протекания реакции при выполнении следующей операции. Здесь получают брикеты, таблетки или гранулы.
Предварительный обжиг шихты выполняется для частичного или полного протекания диффузионных процессов между окислами для превращения их в ферритовый или керамический материал ( синтез керамики) и уменьшения усадки при окончательном обжиге.
Вторичный помол и смешивание брикетов, таблеток или гранул выполняется с целью получения изделий с равномерными свойствами, полного протекания диффузионных процессов и обеспечивания возможности формирования изделия. Операция выполняется в воде или без воды, а поэтому после ее завершения как и в первом случае полученную смесь сушат.
Для улучшения формируемости порошков в них вводят пластификаторы (связки , смазки), улучшающие сцепляемость отдельных частиц. Введение пластификаторов дает возможность получать различные массы: для прессования - пресспорошки, для литья - шликеры, а для формирования из пластичных масс - пластичные массы.
Основными способами формирования являются прессование,формование из пластичных масс, шликерное литье.
Отформованные изделия подвергают высокотемпературному спеканию,при котором получают соответствующий данному материалу ( радио-, пьезокерамике, ферриту) комплекс определенных магнитных, электрических, механических свойств и физико-механических характеристик
Контроль спеченных изделий выполняют по внешнему виду ( на отсутствие раковин, трещин и т.д.), геометрическим размерам ( на соответствие чертежу ), магнитным электрическим и механическим характеристикам и т.д. В результате этой операции изделия подразделяют на годные и бракованные.
Особенности технологической схемы, основанной на термическом разложении солей.Исходные вещества обязательно должны быть растворимы. Такими веществами являются сульфаты, нитраты, хлориды.Каждую соль грубо размельчают до размера частиц 1-2мм, затем все исходные элементы перемешивают и помещает в сосуд с водой ( 1 л. воды на каждые 5 кг. соли), нагревают до кипения и после испарения воды продолжают ( до 24 ч.)нагревают до 300С для удаления кристаллизационной воды. Полученную обезвоженную смесь подвергают термическому разложению - 3-4 часовому прокаливанию при 900-1000 С в тиглях до полного удаления газов ( продуктов разложения). Операция прокаливания - термического разложения может быть совмещена с предварительным обжигом и поэтому отпадает в этом случае необходимость в брикетировании или гранулировании шихты.
Особенности технологической схемы , основанной на совместном осаждении карбонатов солей солей и гидроокисей. Отличительными операциями этой схемы являются растворение солей, очистка от механических загрязнений (фильтрация), осаждение с помощью осадителей, промывание и контроль чистоты промывки. Соли смешивают и растворяют вместе с осадителем в дистиллированной воде.
Преимущества и недостатки различных схем технологических процессов получения керамических материалов. Преимущества механического метода : возможность точного соблюдения химического состава, отсутствие вредных выделений и отходов, простота процесса изготовления. Недостатки - необходимость тщательного измельчения и смешивания.
Преимущества двух других схем - это возможность получения однородных по химическому составу смесей, высокая активность шихты. Недостатки: трудность точного соблюдения химического состава из-за возможных потерь компонентов при растворении и осаждении.
6.3. Исходные материалы
Для изготовления керамических изделий используют различные природные и искусственные материалы.