Файл: Аветиков В.Г. Магнезиальная электротехническая керамика.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 25.06.2024
Просмотров: 106
Скачиваний: 1
ставляет интерес, что материалы ФС-5Л и ЛФ-П при ближаются по температурному коэффициенту линейного расширения к титану при высоких температурах (вплоть до 900 °С), что выгодно отличает их от других форстеритовых материалов при использовании для конструкции, где керамика соединяется с металлом. Чем больше соот ветствуют друг другу керамика и металл по ТКЛР, тем меньшие напряжения возникают в спае между ними и тем больше термомеханическая прочность такого спая.
Рис. 3-3. Зависимость ТКЛР а марганцевого форстерита с различным содержанием МпО и титана от температуры.
1 |
— 1,0 |
мол. % ; 2 — 1,4 мол. % ; 3 — 1,8 мол. % ; 4 — |
2 |
мол, |
%; 5 — титан. |
Хорошие результаты по сближению ТКЛР форстерита и титана [Л. 89] дает частичная или полная замена MgO в составе форстерита на МпО. По мере увеличения содержания МпО в такой форстеритовой керамике, называемой марганцевым форстеритом, и уменьше ния MgO ее ТКЛР снижается и приближается к ТКЛР титана. Лучшие результаты в этом отношении дает полное замещение двух молекул MgO двумя молекулами МпО (рис. 3-3).
Шихтовый состав марганцевых форстеритовых |
Т а б л и ца 3-5 |
|||||
|
||||||
материалов |
|
|
|
|
|
|
Состав |
|
|
Марганцевый форстерит, мае. % |
|||
|
1 |
1 |
2 |
3 |
4 |
|
|
|
|||||
MgO |
2 2 |
,8 2 |
4 , 0 0 |
1 2 ,7 8 |
|
|
МпО |
4 0 |
,1 6 |
6 3 |
,2 4 |
5 2 ,4 7 |
6 8 ,1 4 |
S102 |
3 4 |
,0 2 |
2 9 |
,7 6 |
3 1 ,7 5 |
2 8 ,8 6 |
Каолин |
3 |
,0 0 |
3 |
,0 0 |
— |
— |
Nd-A |
— |
— |
3 , 0 0 |
3 ,0 0 |
Для изготовления керамики типа марганцевого форстерита используют чистые окись магния, окись марганца или их углекис лые соли и тонкозернистый кремнезем. Марганцевый форстерит мо жет быть также изготовлен из природных сырьевых материалос. талька, песка, глины, каолина. Окись марганца в таком случае вводится в состав шихты в виде технического углекислого марганца. В качестве минерализаторов для снижения температуры спекания марганцевого форстерита, помимо глинистых материалов, применяют
Свойства марганцевых форстеритовых материалов
Показатели свойств |
Марганцевый |
форстерит |
|
|
2 |
3 |
4 |
||
I |
Температура спекания, °С . . |
1 300 |
1 170 |
1 240 |
1 170 |
|||
Плотность, |
г / с м 3 .............................. |
3,69 |
3,94 |
3,97 |
4,13 |
||
Диэлектрическая |
проницае- |
7,6 |
8,1 |
8,2 |
8,6 |
||
М О С Т Ъ |
е ........................................................................ |
||||||
Тангенс |
угла диэлектрических |
5 |
10 |
|
14 |
||
потерь |
tg ô -ІО4 при 20 °С . . |
8 |
|||||
Температурный |
коэффициент |
|
|
|
|
||
линейного |
расширения а, |
10,8 |
10,1 |
10,3 |
9,7 |
||
10-6 “С - 1 |
при |
25—900 °С . . |
различные окислы металлов. В табл. 3-5 і[Л. 89] и 3-6 приведены составы марганцевого форстерита и его свойства.
В наибольшей степени по тепловому расширению соответствуют
друг |
другу марганцевый форстеритовый материал № 2 и титан |
(рис. |
3-4). |
Различиями в химическом и минералогическом соста ве форстеритовых материалов объясняется также неоди-
|
|
|
|
О М -СМ |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
10iSг— |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рѵ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10п — |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10,} — |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10п — |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1011— |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1010 — |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10s — |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ю а — |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1Ö7 — |
100 |
200 ' |
300 |
wo °с |
||
|
|
|
|
О, |
||||||
Рис. 3-4. Зависимость теплово |
Рис. 3-5. Зависимость удельного |
|||||||||
го |
расширения |
марганцевого |
объемного электрического |
сопро |
||||||
форстерита |
№ 2 |
(/) и тита |
тивления |
рѵ |
форстеритовых мате |
|||||
на |
(2) от |
температуры. |
риалов |
|
Ф-58 (/), |
ЛФ-ІІ |
(2), |
|||
|
|
|
|
Л-16 (3) и ФС-5Л |
(4) |
от |
темпе |
|||
|
|
|
|
ратуры. |
|
|
|
|
|
|
маковая зависимость их удельного объемного электри ческого сопротивления рѵ от температуры. При повыше нии температуры значительно снижается рѵ форстерита и форстеритовых материалов от ІО14—ІО15 ом-см при 100°С до ІО8—Юі0 ом-см при 500°С (рис. 3-5). Более
высокое удельное объемное сопротивление имеет мате риал Ф-58 (рис. 3-5). Следует отметить, что, хотя мате риал ФС-5Л имеет меньшее значение рѵ, чем другие форстеритовые материалы и форстерит, эта его характери стика не столь резко снижается при повышении темпе ратуры; при 500 °С материал ФС-5Л имеет такое же зна чение рѵ, как форстерит и материал Ф-58.
Большое влияние на электрическую проводимость оказывает присутствие в форстеритовом материале избыточного содержания MgO или Si02 сверх стехиометрического соотношения этих окислов в форстерите, для которого отношение MgO : Si02 равно 2. Прово димость связана с направленной диффузией заряженных частиц под действием приложенного электрического поля. В ионных кри
сталлах, к числу которых, относятся кристаллы окислов |
металлов, |
в том числе окиси магния, метасиликата и ортосиликата |
магния, |
перенос электрического тока осуществляется ионами и электронами. Форстериту свойственна электронная и главным образом ионная проводимость, являющаяся результатом наличия в его кристалличе ской решетке дефектов по Френкелю. Эти дефекты заключаются в том, что в пустоты, имеющиеся в кристаллической решетке фор стерита, внедряются ионы Mg+2 или ионы Si+4, если количество MgO или Si02 больше, чем в форстерите. Эти ионы перемещаются под воздействием электрического поля, чем и вызывается повышение проводимости.
На рис. 3-6 показана зависимость электрической проводимости образцов форстеритового материала с разным содержанием Si02 (табл. 3-7) от темпертуры. Электрическая проводимость измерялась на образцах форстеритовых материалов, изготовленных из чистой окиси магния и чистого кремнезема с содержанием 0,1% примесей. В материалах Ф-1—Ф-4 содержание кремнезема больше, а окиси магния меньше, чем в форстерите, материал Ф-5 отвечает по составу форстериту, а материалы Ф-6—Ф-9 содержат большее количество окиси магния и соответственно меньше кремнезема, чем форстерит. Образцы для измерений изготавливались прессованием из тонкозер-
1600 і50оічооіъооігоо ііоо°с
Рис. 3-6. Зависимость элек трической проводимости форстеритовых материалов Ф-1 (/), Ф-2 (2), Ф-3 (3), Ф-4 (4), Ф-9 (5), Ф-8 (6), Ф-7 (7), Ф-6 (8) и Ф-5 (9) от температуры.
5,0 5,5 6,0 6,5 7,0*10*,К~1
ИИстых измельченных порошков с размером зерен менее 30 мклі К обжигались при температурах, приведенных в табл. 3-7.
Наименьшей электропроводностью при |
температурах |
1 100— |
1 600 °С отличается форстеритовый материал |
Ф-5. Увеличение |
в со- |
составе избыточной окиси магния (материалы Ф-6—Ф-9) и особенно кремнезема (материалы Ф-1—Ф-4) значительно повышает его элек тропроводность (табл. 3-7 и рис. 3-6).
Объемная масса и пористость образцов форстерита |
Т а б л и ц а 3-7 |
||||||
|
|||||||
с разным |
содержанием |
кремнезема |
|
|
|
||
|
Содержание |
SiOa |
|
|
|
Истинная |
|
Индекс |
|
|
|
Температура |
Средняя |
||
|
|
|
пористость |
||||
материала |
мол. % |
мае. % |
обжига, °С |
плотность, |
(по расчету), |
||
|
|
|
г 1см.3 |
% |
|||
|
|
|
|
|
|
||
ф -1 |
3 6 ,0 9 |
4 5 ,7 0 |
1 |
545 |
2 ,9 5 |
8 , 4 |
|
Ф-2 |
3 5 ,1 5 |
4 4 ,7 0 |
1 |
600 |
2 ,9 0 |
9 , 9 . |
|
Ф-3 |
3 4 ,2 4 |
4 3 ,7 0 |
1 |
700 |
2 ,9 5 |
8 , 4 |
|
Ф-4 |
3 3 ,7 8 |
4 3 ,2 0 |
1 |
700 |
2 ,9 2 |
9 , 3 |
|
Ф-5 |
3 3 ,3 3 |
4 2 ,7 0 |
1 |
800 |
2 ,9 5 |
8 , 4 |
|
Ф-6 |
3 3 ,1 5 |
4 2 ,5 0 |
1 |
760 |
2 ,8 9 |
1 0 ,3 |
|
Ф-7 |
3 2 ,8 8 |
4 2 ,2 0 |
1 800 |
2 ,6 5 |
1 7 ,7 |
||
Ф-8 |
3 2 ,4 3 |
4 1 ,7 0 |
1 800 |
2 ,6 8 |
1 6 ,8 |
||
Ф-9 |
3 1 ,5 3 |
4 0 ,7 0 |
1 800 |
3 ,0 5 |
5 , 3 |
||
Газовыделение форстеритовой керамики в вакууме не |
|||||||
велико |
и составляет 1,0—4,0 |
мкм-л/смг. Состав газов |
аналогичен составу газов для стеатита. Совокупность указанных выше свойств позволяет успешно применять форстеритовую керамику в электровакуумной технике.
Для приготовления форстеритовой массы, пригодной для изготовления изделий прессованием, вначале получа ют искусственный ортосиликат магния из магнезита (70%) и кварцевого песка (30%). После совместного тонкого измельчения, обезвоживания и сушки шихты по лучают порошок, который обжигают в электрической печи при 1 340—1 345 °С. Примерный состав шихты сле дующий, мае. % : синтезированный ортосиликат магния— 86—88; глинозем — 8—9; углекислый барий — 3—4.
Форстеритовая керамика после окончательного об жига в туннельной печи с силитовыми нагревателями при температуре 1 335—1 340 °С имеет следующие физикотехнические характеристики: объемная масса — 2,8 г/сж3; предел прочности при статическом изгибе — 1 800 гсгс/сж2; ТКЛР в интервале температур 20—600 °С—9,75 • 10—6 “С-1; е при частоте 10е гг* и температуре 20 °С — 5,5—6,5 “О 1’ tg ô = (3-н5) • ІО“4.
Приготовление массы
Основными сырьевыми материалами форстеритовой керамики являются тальк и окись магния.
Содержание окиси магния'и кремнезема в тальке и окиси магния в магнезии (магнезите) может изменяться. Поэтому при составлении каждой партии шихты необхо димо производить расчет требуемого количества кристал лообразующих окислов по данным результатов химиче ского анализа талька и окиси магния (магнезита), что бы обеспечить образование необходимого количества форстерита. Кремнезем, содержащийся в глинистых ма териалах (пластичной глине, бентоните), вводимых обыч но в небольшом количестве, в расчет не принимается. Введение MgO в большем количестве, чем это требуется по расчету, приводит к образованию повышенной пори стости и снижению механической прочности керамики.
Исходные каменистые материалы шихты: тальк, маг незит, ашарит и др. очищают от поверхностных загряз нений, промывают проточной водой, сушат на воздухе и затем дробят на щековой дробилке и бегунах с гранит ными катками и решетчатым подом. Диаметр отверстий в поду бегунов 3—4 мм. Раздорбленные материалы про пускают через электромагнитный сепаратор. При введе нии в шихту форстеритового материала обожженного талька его термическая обработка производится перед дроблением.
Для изготовления форстеритовых изделий можно при менять тальки различной структуры как зернистые, так и пластинчатые. Структура применяемого талька не ока зывает сколько-нибудь заметного воздействия на качест во и свойства форстеритовых изделий, вырабатываемых по непластичной технологии. В процессе прессования или горячего литья под давлением чешуйки талька в полу фабрикате изделия располагаются хаотично. В этом случае не создается ориентированная структура распо ложения чешуек талька, как при изготовлении изделий из пластичной массы в результате ее протягивания через вакуумные или мундштучные прессы. Как известно, ори ентированная структура заготовки отрицательно сказы вается на некоторых свойствах керамических материа лов. Подробные сведения по этому вопросу изложены в § 2-3.
После указанной подготовки каменистых материалов производят совместный тонкий помол всех компонентов шихты до остатка «а сите с сеткой № 0056 0,3—0,5%. Помол шихты форстеритовых материалов производят в шаровых или вибрационных мельницах. Футеровка мельниц выполнена плитами из керамического материа ла с большой механической прочностью и малой истирае мостью типа ультрафарфора. В качестве мелющих тел при помоле в шаровой мельнице применяют шары из ультрафарфора, а в вибрационных мельницах также и стальные шары. В последнем случае размолотый поро шок необходимо подвергать магнитной сепарации для полного удаления намолотого железа.
Помол форстеритовой массы в шаровых мельницах продолжается до 20 ч при влажности около 50% и соот ношении размалываемого материала и мелющих тел, равном 1:1. Необходимо учитывать, что при приготов лении форстеритовых масс, содержащих окись магния в активной форме, влажность шликера при мокром из мельчении должна быть более высокой, чем при исполь зовании других магнийсодержащих минералов, например магнезита. Это вызвано способностью окиси магния к ги дратации и снижением вследствие этого влажности шли кера. Размолотый шликер пропускают через электромаг ниты, обезвоживают и сушат до остаточной влажности не более 1%. Высушенную массу дробят и просеивают через сито с сеткой № 063.
Более эффективный сухой помол осуществляется в течение 1,5—2 ч в вибрационных мельницах при соот ношении между керамической массой и шарами, равном 1 :6, в случае применения для помола стальных шаров. Время помола как в шаровой, так и вибрационной мель ницах для получения форстеритовой массы заданного зернового состава зависит от емкости мельницы и со става массы и в каждом отдельном случае устанавли вается экспериментально. Порошок, полученный сухим помолом, после магнитной сепарации непосредственно применяют для изготовления пресспорошка.
Прессование
Форстериговые материалы содержат мало глинистых компонентов и применяются в основном для производст ва малогабаритных изделий с точными размерами. По этому изделия из этих керамических материалов изго-