Изготовление фарфора

Саратовский государственный технический университет 

Кафедра “Электронного машиностроения” 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Реферат

На тему « Фарфор»  
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                                                      Выполнил: студент

                                                                                       Группы   ЭМС- 22  МСФ

                                                                                      Савонин А.В. 
 

                                                                                     Проверила доцент кафедры

                                                                                    “ ЭМС“

                                                                                      Котина Н.М  
 
 
 

Саратов 2010

СОДЕРЖАНИЕ 

Введение                                                                                                           

1. Характеристика материала

1.2. Процесс производства. Подготовка сырьевых материалов                                                   

1.3. Формирование изделий                                                 

1.4. Сушка                      

1.5.  Обжиг                                                  

2. Основные свойства

2.1. Механические свойства                                                                 

2.2.Электрические  свойства                                                   

2.3 Эксплуатационные  свойства                                                                                               

3. Область применения в электротехнике

Цель работы: является изучение способы получения основных свойств и областей применения в электронной технике.  
 

Введение 

Фарфор - основной представитель тонкой керамики. Характерные  признаки фарфора - белый цвет с синеватым  оттенком, малая пористость и высокая  прочности, термическая и химическая стойкость и природная декоративность. Его особенности определяются химическим составом и строением черепка, которые  зависят от назначения изделия, условий  их эксплуатации и предъявляемых  к ним требований

Фарфор относится к типу диэлектриков. Обладает высокой механической прочностью, химической и термической стойкостью, электроизоляционными свойствами и применяется для изготовления высококачественной посуды, художественно-декоративных и санитарно-технических изделий, электро - и радиотехнических деталей, коррозионностойких аппаратов химической технологии, низкочастотных изоляторов и т. д.

Фарфор обычно получают высокотемпературным обжигом  тонкодисперсной смеси каолина, полевого шпата, кварца и пластичной глины (такой Фарфор называется полевошпатовым). Термин «фарфор» в англоязычной литературе часто применяется и к технической  керамике: цирконовый, глинозёмный, литиевый, борнокальциевый и др. фарфор, что  отражает высокую плотность соответствующего специального керамического материала.  

1. Характеристика  материала

Продукт неорганической химии, химические реакции закончились  при t 1300º С, поэтому с течением времени неизменными остаются физические и химические свойства материала.

Механическая  прочность остаётся неизменной весь срок эксплуатации.Солнечная радиация и ультрафиолетовое излучение не оказывает влияние на материал изолятора. Полная устойчивость ко всем химически агрессивным выбросам промышленных предприятий (за исключением плавиковой кислоты). Водопроницаемость нулевая (по ГОСТ 26093 фуксиновая проба под давлением — нулевая прокраска). Негорючий материал.

1.2 Процесс производства. Подготовка сырьевых материалов

Состав  керамической массы и метод ее подготовки определяют исходя из назначения из назначения изделия, его формы  и вида сырья. Цель подготовки сырья - разрушение природной структуры  материалов до мельчайших частиц для  получения однородной массы и  ускорения взаимодействия частиц в  процессе фарфорообразования. Ее проводят в основном пластическим способом, который обеспечивает получение  равномерной по составу массы.

Пластичные  материалы (глину, каолин) распускают в  воде в лопастных мешалках. Полученную массу в виде суспензии пропускают через сито (3600 - 4900 отверстий на 1 см2) и электромагнит для удаления крупных включений и железистых примесей.

Отощающие материалы и плавни сортируют, освобождают  от посторонних т вредных примесей. Кварц, полевой шпат, пегматит и другие компоненты подвергают обжигу при температуре 900-1000шС. При этом кварц претерпевает полиформные изменения, в результате которых растрескивается. Это, во-первых, облегчает помол, а во-вторых, позволяет  удалить куски, загрязненные железистыми  примесями, так как при обжиге кварц с примесями железистых соединений приобретает желто-коричневый цвет.

Каменистые  материалы, в том числе и фарфоровый бой, промывают, подвергают дроблению  и грубому помолу на бегунах, после  чего просеивают. Тонкий помол производят в шаровых мельницах с фарфоровыми  или уралитовыми шарами. Для интенсификации помола в мельницу вводят поверхностно-активную добавку - сульфитно-спиртовую барду (от 0,5 до 1%), которая, заполняя микротрещины, оказывает как бы расклинивающее действие. Помол ведут до остатка 1-2% на сите с 10 000 отверстий на 1 см2.

Пластичные  и отощающие материалы, плавни и  фарфоровый бой тщательно смешивают  в мешалке пропеллерного типа. Однородную массу пропускают через  сито и электромагнит и обезвоживают в специальных фильтр-прессах  или вакуум-фильтрах. Полученную пластичную массу влажностью 23-25% направляют на две недели на вылеживание в помещение  с высокой влажностью. При вылеживании  происходят окислительные и микробиологические процессы, гидролиз полевого шпата  и образование кремниевой кислоты, что способствует разрыхлению массы, дальнейшему разрушению природной  структуры материалов и повышению  пластических свойств массы. После  вылеживания массу обрабатывают на массомялках и вакуум-прессах  для удаления включений воздуха, а также пластичности и других физико-механических свойств, необходимых для формирования изделий.  
 
 

1.2 Формирование изделий                                                  

Формуют керамические изделия в основном пластическим методом и методом  литья, а также полусухим прессованием. Для формования применяют гипсовые формы пористостью не менее 25%. В  последнее время формы начали изготавливать из масс на основе поливинилхлорида.

При пластическом формовании используют массу влажностью 22-24%, из которой в зависимости  от формы получают заготовки в  виде пластов. Для формования применяют  полуавтоматы или автоматы. При изготовлении плоских изделий помещают глиняный пласт, который разравнивают роликом  при вращении формы. Для получения  полых изделий, например чашек, заготовку  массы помещают в форму и раскатывают  специальным профильным роликом. Промежуток между роликом и формой заполняется  слоем массы необходимой толщины. Наружная поверхность изделия формуется  поверхностью формы, а внутренняя - роликом. Если на внутренней поверхности  формы имеется углубленный рисунок, то он точно воспроизводится на наружной поверхности изделия.

Методом литья в гипсовые формы изготавливают  изделия сложной формы и емкостные, например чайники, художественно-декоративные предметы. Для получения изделий  сложной конфигурации используют разъемные  формы. Для формования методом литья  готовят сметанообразную массу - шликер влажностью 34-36%. В шликер добавляют  для повышения текучести при  минимальной влажности 0,1-0,2% электролита, что обеспечивает лучшее заполнение формы. Изделия изготавливают двумя  способами - сливным и наливным.

При сливном  способе шликер заливают в разъемную  гипсовую форму и оставляют в  ней на определенное время. Гипс быстро впитывает влагу, и на стенках  формы откладываются твердые  частицы, которые образуют стенки изделия. Время выдержки определяют опытным  путем, оно зависит от толщины  стенки изделия, толщины стенок гипсовой формы и пористости. После выдержки шликер сливают, а гипсовую форму  с изделием подвергают медленной  сушке.

Полнотелые  изделия сложной формы, например ручки для чайников, крышки, изготавливают  наливным способом. Шликер наливают в  гипсовую разъемную форму с соответствующими углублениями на внутренних  поверхностях, где оно полностью затвердевает.

Полусухое прессование применяют для формирования плоских изделий небольшой толщины, например тарелок. Подготовленную пластичную массу высушивают до влажности 2-3%, тонко  измельчают и получают порошок, в  который добавляют пластификатор. Из этого порошка формуют изделие  в металлических пресс-формах под  большим давлением (25-30 МПа). Изделия  имеют правильную форму, точные размеры, более высокую механическую прочность  и небольшую влажность, что значительно  сокращает время сушки перед  обжигом.

При формовании вследствие небрежного обращения, использования  изношенных форм и роликов могут  образоваться такие дефекты, как  деформация, волнистый край, концентрические  трещины, неодинаковая толщина изделий, неровность поверхности, подрыв носиков  и др. 
 

1.3 Сушка 

После формования изделия для подготовки к обжигу - заключительному и наиболее ответственному этапу производства - сушат до остаточной влажности 2-4%. При этом изделие приобретает  достаточную для обжига прочность, исключается образование внутренних напряжений, приводящих к появлению  трещин, деформации и т.д.

Сушку проводят в две стадии: предварительная  стадия (подвяливание) - в гипсовых формах и окончательная - без форм. Плоские  изделия сушат только в гипсовых формах. Корпус полых изделий после  предварительной сушки до влажности 14-16% вынимают из форм, соединяют с  приставными деталями смесью шликера  с декстрином, после чего изделия  окончательно высушивают.

Для сушки  применяют конвейерные, конвекторные (с направленной подачей теплоносителя  на изделие), радиационные (с электрическим  или газовым обогревом) и комбинированные  сушилки, в которых время сушки  значительно сокращается.

Теплоносителями являются воздух и лучистая энергия, выделяемая керамическими панелями и другими поверхностями, которые  обогреваются газом,  реже - лампами  накаливания. Все эти сушилки  характеризуются высокой производительностью  и минимальными затратами ручного  труда на загрузку и выгрузку. Наиболее перспективно использование для  сушки керамических изделий ультразвука, токов высокой частоты или  инфракрасного излучения. Современные  методы сушки позволяют регулировать температуру и время процесса в зависимости от толщины изделия.

В процессе сушки могут образоваться трещины (при неравномерной влажности  массы), деформация и другие дефекты.

Высушенные  изделия перед обжигом зачищают наждачной бумагой, удаляют швы  от пресс-форм, посторонние примеси  и загрязнения. После зачистки изделия  обдувают сжатым воздухом для удаления пыли. 
 
 
 

1.4 Обжиг

Керамические  изделия подвергают, как правило, двукратному обжигу - утельному (до глазурования) и политому (после  глазурования). Применяют также однократный  скоростной и бескапсельный обжиг. Фарфоровые изделия, декорированные надглазурными  украшениями, подвергают третьему обжигу - муфельному.

Утельный  обжиг в зависимости от состава  черепка и назначения фарфоровых изделий проводят при температуре 900-1000шС, а политой - 1350-1400шС. При утельном обжиге удаляет механически и  химически связанная влага, черепок  приобретает необходимую прочность при достаточной для впитывания глазури пористости. Реакции взаимодействия исходных компонентов массы протекают в твердой фазе.

Для обжига применяют печи непрерывного действия - туннельные, конвейерные с шагающим подом и роликовые щелевые, а  также периодического действия - горны. В печах непрерывного действия поддерживается более строгий температурный  режим, сокращается время обжига и обеспечиваются нормальные условия  работы при загрузке и выгрузке. В качестве топлива используют нефть, газ и электричество (в электропечах).

После утельного обжига керамические изделия  либо декорируют послегазурными красками, газурируют и подвергают политому обжигу, либо глазуруют, обжигают и декорируют.

Фарфоровые  изделия после утельного обжига чаще всего глазуруют , а затем  обжигают. Тугоплавкую глазурь в  виде суспензии наносят методом  окунания, обливания и пульверизацией. После глазурования с ножки или  верхнего края форфорого изделия  счищают глазурь, чтобы предупредить сплавление х с подставкой во время  политого обжига или другими изделиями  при обжиге "в спарку". Это  отличительный признак фарфоровых изделий; фаянсовые изделия полностью  покрывают глазурью. Перед политым  обжигом изделия помещают в шамотные капсели и тщательно предохраняют от сплавления друг с другом и с  капселем. Капсели устанавливают  на вагонетку и направляют в туннельную печь. Применяют также бескапсельную  загрузку на специальные этажерочные  вагонетки.

В процессе обжига формируется черепок с  необходимыми физическими и химическими  свойствами. При политом обжиге происходят расплавление глазури, равномерное  ее распределение по всей поверхности  изделия и сплавливание с черепком. Строгое соблюдение определенного  режима температуры, скорости ее подъема, времени выдержки и газовой среды - непременное условие проведения обжига. При нарушении этих требований образуются дефекты, ухудшающие внешний  вид и свойства готовых изделий.

Политой обжиг можно разделить на ряд  периодов, каждый из которых протекает  при определенном температурном  режиме и газовой среде, что обеспечивает постепенное формирование черепка  с необходимыми свойства.

Первый  период протекает при температуре  до 900-940шС; скорость подъема температуры 100-140шС в час. Из массы удаляется  остаток гигроскопической влаги, происходит разложение глинистых веществ, карбонатов, выгорание органических примесей. В  этот период поддерживает окислительная  газовая среда. Реакция протекает  в твердой фазе, в этот период начинается спекание черепка, которое  сопровождается усадкой. На поверхности  пористого черепка, который обладает высокий каталитический и адсорбционной  способностью, осаждается углерод, выделяющийся при сгорании топлива. Углерод придает  черепку серый цвет.

Второй  период обжига протекает в сильно окислительной среде при температуре 940-1040шС. Он является подготовительным к самому ответственному этапу - обжигу в восстановительной среде. В  этот период выравнивается температура, завершается выделение остатков гидратной воды и полностью выгорает сажистый углерод. Если углерод не выгорит  до расплавления глазури в третьем  периоде, то изделие будет иметь  серую или буроватую окраску  либо покроется мельчайшими кратерообразными точками - наколами. Вследствие расплавления полевого шпата образуется жидкая фаза, которая цементирует твердые частицы и обуславливает повышение механической прочности черепка. Происходит процесс кристаллизации глинозема и начинает образовываться муллит.

Третий  период ведется при температуре 1040-1250шС в восстановительной среде, которая необходимая для перевода окисного железа в закисную формы. Закись железа образует силикаты, который  придают черепку голубоватую  оттенок. На этом этапе вначале образуется силиманитоподобный ангидрид, а затем  муллит и кремнезем в виде кристобалита. Продолжается спекание черепка, сопровождающие интенсивной, так как кристаллические  частицы соединяют вязким расплавом. При температуре выше 1200шС вязкость расплава снижается, и на границе  твердой и жидкой фаз сближаются под действием поверхностных  сил частицы кварца, продукты разложения каолинита и кристаллы муллита. Образование легкоплавкого силиката закиси железа способствует развитию жидкой фазы. На этом этапе начинается расплавление глазури. Скорость подъема  температуры - 30-35шС в час.

Четвертый этап, завершающий формирование черепка, начинается при температуре 1250шС и  заканчивается при 1380-1410шС, протекает  он в нейтральной среде. Происходят окончательное спекание черепка, разлив глазури и сплавление с черепком. Активнее протекает процесс взаимодействия полешпатовго стекла и аморфного  кремнезема из каолинитового остатка, что способствует заполнению промежутков  между кристаллами муллита. Одновременно укрупняются кристаллы муллита  в полешпатовом стекле и уменьшаются  размеры остаточного кварца. Протекают  диффузионные процессы, обуславливающие  равномерное распределение кристаллических  новообразований в черепке.

Период  заканчивается выдержкой изделий  при максимальной температуре в  течение 1,5-3 ч. Чем продолжительнее  выдержка изделий, тем больше образуется кристалла муллита. Игольчатые кристаллы  муллита, переплетаясь, способствуют повышению  механической прочности и термической  стойкости черепка. При этом ускоряется процесс муллитизации за счет растворения  кварца в стекле и насыщения его  кремнеземности. Образующиеся кристаллы  муллита как бы врастают в стекло, в нерастворившихся зерна кварца.

При повышении  температуры обжига уменьшается  пористость черепка, так как пустоты  заполняются стекловидной массой и  другими структурными элементами. Однако при повышении температуры выделяются газы из полевошпатового стекла, вспучивается черепок и снижается качество изделий.

Пятый, диффузионный, период обжига соответсвует выдержке изделий при максимальной температуре обжига.

После обжига начинается процесс охлаждения. До температуры 600-530шС охлаждение проводят со скоростью 250-200шС в час. Затем  процесс резко замедляется, при  этом происходят ионные модификации, сопровождающиеся большими изменениями объемов, в  результате чего возникают внутренние напряжения. Помимо этих напряжений, возникают  напряжения вследствие перехода стекловидной массы из пластического состояния  в упругое.

Продолжительность политого обжига в туннельных печах  от 18-22 до 32-34ч. На некоторых предприятиях керамические изделия, в том числе  и фарфоровые, подвергают однократному бескапсельному обжигу. При этом цикл производства сокращается до 3-5ч, значительно снижается расход топлива, повышается производительность труда, уменьшает себестоимость готовой продукции. Главная задача однократного обжига - обеспечение непромакаемости черепка при глазуровании изделий, высушенных до содержания влаги 1%. С  этой целью в массу вводят высушенные до 4-7% трошковской глины или специальных пластифицирующих добавок, способствующих повышению водостойкости, в том числе и некоторые виды пластических масс.

Однократному  обжигу подвергают в основном толстостенные  изделия - кружки, салатники, масленки, сахарницы, которые при глазуровании без утельного обжига не размокают, не деформируются и не разрушаются.

При обжиге на изделиях могут образоваться следующие  дефекты: искажение размеров и формы, щербины, задувка, прыщи, пузыри, засорка, желтоватый оттенок и т.д. После  обжига изделия проверяют для  выявления дефектов. Изделия, отвечающие предъявляемым к ним требованиям, декорируют.  

2. Основные свойства

2.1 Механические свойства.

Не имеет  деформации в момент приложения изгибающего  усилия. Механическая прочность практически не зависит от температуры эксплуатации изолятора.  

2.2 Электрические свойства.

Поверхностные электрические разряды не оказывают  влияния на материал изолятора. 

Электрическая прочность неизменно уменьшается  из-за старения полимерных материалов. Пробой изолятора невозможен из-за высоких диэлектрических свойств фарфора.

2.3 Эксплуатационные свойства.

Большая масса.

Хрупкость, возможность боя изоляторов посторонними предметами, в том числе и при  транспортировании изоляторов. Высокая надёжность изолятора обеспечивается стабильностью технологического процесса.

Изготовление  изолятора кустарными методами невозможно.

Имеется наличие надёжных и достоверных  методик контроля изоляторов в процессе изготовления и эксплуатации .

Применение  технологии горячего оцинкования и  термодиффузионного покрытия обеспечивает срок службы оконцевателей и арматуры в течение срока службы изоляторов. Налажен выходной и входной контроль качества цинкового покрытия.

3.Область  применения в электротехнике.

Электротехнический  фарфор находит применение для изготовления высоковольтных и низковольтных  изоляторов различного типа. К числу  высоковольтных изоляторов относятся: 1) стационарные для оборудования распределительных  устройств и аппаратуры - опорные, проходные, вводы, маслонаполненные, покрышки разного назначения, 2) линейные для  линий электропередачи - подвесные  и штыревые.