Наука и технологии

 Материалы будущего

Издательство «Химия» 1985 г.

Керамика как промышленный материал

Сырье

Из множества видов сырья, используемого в производстве керамики, выделяют сырье для керамических масс, глазури и декоративных материалов. Сырье для керамических масс, в свою очередь, подразделяют на пластичное (это, прежде всего, глины и каолины) и непластичное. Последнее размягчается или плавится при температуре обжига (пегматиты и полевые шпаты) или входит в виде составных частей в легкоплавкие соединения (известковый шпат, магнезит и т. п.). А некоторые виды непластичного сырья не претерпевают существенных изменений при температуре обжига и действуют, главным образом, как добавка, уменьшающая пластичность глины (например, шамот и кварц). Эти добавки уменьшают усадку изделий, а значит, и вероятность их растрескивания.

Для приготовления глазури кроме того же сырья, что используется для керамических масс, применяют соли и оксиды некоторых металлов. Расплавленная глазурь приобретает желаемые свойства при добавлений окрашивающих, замутняющих и матирующих оксидов металлов. Стекло-образователями служат свинцовый сурик, свинцовый глет, борная кислота, бура, фториды в сочетании с кварцем, каолином, известняком и т. д. К окрашивающим веществам относятся оксиды железа, марганца, кобальта, никеля, урана, меди, хрома, а в качестве матирующих и замутняющих глазуревую основу добавок используют оксиды цинка, олова, циркония, церия и диоксид титана.

Для получения декоративных материалов используют почти исключительно вышеназванные оксиды металлов в сочетании со стеклообразователями, а также каолин и глинозем.

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 десятилетии 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 высоким 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 продукция.

Вся керамика, в каких бы областях она ни применялась, изготовляется в общем по одинаковой технологии. Сущность ее заключается в формовании дисперсной массы и последующем закреплении формы под действием нагрева. Принимая во внимание, что большая часть керамического сырья представляет собой подвергнутые обжигу силикаты, считают, что керамическая промышленность вместе со стекольной, эмалевой и цементной относится к обжиговому производству силикатов.

Как получают керамическую продукцию?

Процесс изготовления керамических изделий охватывает изготовление формовочной массы, формование, сушку и обжиг. Получение керамической формовочной массы называется подготовкой и подразделяется на дробление, помол, гомогенизацию и сушку. Различают сухую подготовку (размалывается и смешивается сухое сырье) и влажную (с добавлением воды). При повышенных требованиях к пластичности для дробления применяют тепловую обработку. Она заменяет применявшиеся раньше долгую вылежку в герметичных ямах, вымораживание или выветривание на открытом воздухе.

После подготовки следует процесс формования. Керамические массы, подготовленные сухим способом, формуют, как правило, методом полусухого прессования, а приготовленные влажным способом пластичные массы продавливают через мундштук червячной машины ( 86). Полученный при этом жгут или другой заданный профиль разрезают на заготовки. В тех случаях, когда форма изделия не позволяет использовать этот высокопроизводительный способ, керамическую массу формуют в гипсовых формах. Шликер, состоящий из измельченного сырья, воды и небольшой добавки щелочи (соды или жидкого стекла) в качестве стабилизатора, заливают в гипсовые формы. Гипс забирает воду из внешних слоев сырой массы, в результате происходит ее затвердевание.

Последующий процесс удаления воды из свежеотформованных отливок осуществляется в обогреваемых горячим воздухом сушильных камерах или в туннельных печах. Процесс сушки необходимо очень тщательно регулировать, так как при быстром разогреве отливка может растрескаться. Такой способ с успехом используется на кирпичных заводах вместо применявшейся раньше сушки на открытом воздухе длительного и трудоемкого процесса, зависящего от погодных условий.

Заключительный обжиг для отверждения так называемого черепка, состоящего из смешанных кристаллов и стеклообразной массы, проводится в обжиговых печах ( 87). Важнейшим критерием для определения свойств как сырья, так и готовой продукции является яркость свечения изделия при обжиге. Она позволяет сделать заключение о возможности плавления и спекания, а также об огнеупорности материалов. Решающее влияние на яркость свечения наряду с окрашивающей составляющей керамической массы оказывают прежде всего температура обжига и атмосфера печи (окислительная или восстановительная). Для измерения температур используют термопары, оптические пирометры и пирометрический конус (конус Зегера).

Конусы Зегера ( 88) представляют собой трехсторонние пирамиды из керамических масс, температуры размягчения которых различаются примерно на 30 °С. Если пирамида с соответствующим номером падает, значит достигнута заданная температура обжига. Однако результаты измерения с помощью конуса Зегера сильно зависят от скорости нагревания: если пирамиду прогреть до температуры ее размягчения очень быстро, то она падает не сразу, в то время как при медленном нагревании пирамида того же состава расплавится, как только будет достигнута та же температура.

Процесс обжига чаще всего делится на два этапа. При так называемом предварительном обжиге изделие затвердевает до такого состояния, когда глазурный шликер не размягчается, а только впитывается. На втором этапе, который называется сглаживающим или окончательным обжигом, образуется глазурь - стеклообразное покрытие, которое придает черепку гладкую и плотную поверхность.

Красители для керамики делятся на применяемые до глазирования (доглазурная декоративная отделка) и после (после-глазурная декоративная отделка). Заключительный, декоративный обжиг служит для расплавления послеглазурной отделки.

Грубая и тонкая керамика

Керамические изделия по внешнему виду и целям применения делят на грубую и тонкую керамику.