Файл: Аветиков В.Г. Магнезиальная электротехническая керамика.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 25.06.2024
Просмотров: 96
Скачиваний: 1
чественными и |
зарубежными |
стандартами, приведены |
в табл. 1-6, 1-7. |
|
|
Кордиеритовая керамика широко используется в элек |
||
тротехнике для |
изготовления |
деталей высоковольтных |
выключателей с магнитным дутьем, высоковольтных воз душных выключателей, низковольтной аппаратуры (кон такторов, контроллеров, предохранителей). Кроме того, в качестве несущих деталей для электропечей, различно го рода нагревателей, реостатов. Применение кордиеритовой керамики для изготовления деталей такого назна чения возможно благодаря ее высокой дугостойкости, стойкости к термоударам, сравнительно большой меха нической прочности, низкому значению температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) и хоро шим электроизоляционным свойствам. В связи с высокой стойкостью к термоударам кордиеритовая керамика на
шла |
также |
широкое |
применение в изготовлении |
пиро |
метрических |
защитных трубок, элементов нагреватель |
|||
ных |
плиток, |
трубок |
термоэлементов, огнеприпаса |
(кап |
селей и лещедок) для обжига керамических изделий и иных целей. Срок службы указанных изделий из кордиеритовой керамики во много раз больше, чем анало гичных изделий, например из шамотных огнеупорных материалов.
Производство изделий из чистомагнезиальной керами ки и ее применение пока не получили достаточного раз вития. Однако этот материал весьма перспективен в свя зи с присущими ему свойствами. Наряду с хорошими ди
электрическими и |
механическими |
характеристиками |
||||
материалам |
|
|
|
Т а б л и ц а |
1-7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
прочности при |
|
|
|
|
Удельное объ |
|
|
ТКЛР в |
Стойкость |
Электри |
емное элек |
||
|
|
интервале |
к термо |
ческая , |
трическое со |
|
|
статическом |
температур |
ударам, |
прочность, |
противление, |
|
сжатий, к г с і с м 2 |
20—600 °С, |
°С |
к в 1мм |
О М 'СМ , при |
||
изгибе, к г с і с м 2 |
а, 10-« °С-і |
|
|
100 °С, не |
ме |
|
|
|
|
|
|
нее |
|
3 000—5 000 |
500—850 |
2—3 |
250 |
10—20 |
ІО 12 |
|
2 500—3 500 |
500—600 |
2—4 |
335—375 |
— |
— |
|
|
|
|
|
|
|
|
3 000—4 000 |
500—850 |
2—3 |
250 |
10—20 |
1012 |
|
2 000—3 500 |
400—500 |
2—3 |
|
“ -* |
‘— |
|
5 500 |
750 |
2—3 |
270 |
20 |
101» |
|
чистомагнезиальная керамика отличается наиболее высо ким электрическим сопротивлением при повышенных тем
пературах и наибольшей огнеупорностью |
среди |
других |
магнезиальных материалов. Керамику из |
окиси |
магния |
применяют для футеровки высокотемпературных |
печей, |
для изготовления высококачественных высокотемпера турных изоляторов в магнитогидродинамических генера торах, чехлов для термопар, электроизоляционных бус, капиллярных трубок и деталей различных аппаратов, работающих при температурах выше 2 000°С.
Применение конкретных магнезиальных материалов в различных областях техники более подробно рассмат ривается в последующих главах.
ГЛАВА ВТОРАЯ
СТЕАТИТОВАЯ КЕРАМИКА
2-1. СОСТАВ СТЕАТИТОВОЙ КЕРАМИКИ
а) Шихтовый состав стеатитовой керамики
Для производства стеатитовой керамики применяют высококачественные природные сырьевые материалы про мышленных месторождений или обогащенные природные сырьевые материалы, отличающиеся стабильным хими ческим и минералогическим составом. К числу таких сырьевых материалов относятся тальк, глинистые мине ралы, мел, мрамор, магнезит и др. Остальные материа лы, главным образом добавки, применяются в виде тех нических продуктов (витерит—ВаС03, углекислый строн ций— SrCÔ3, цинковые белила — ZnO и др.). Главным компонентом шихты служит тальк, из которого в процес се обжига образуется основная кристаллическая фаза керамики, метасиликат магния (Mg0 -Si0 2 ).
Для получения плотной спекшейся стеатитовой кера мики, состоящей только из талька, необходимы высокие температуры обжига; изготовление изделий из таких масс представляет большие трудности технологического порядка. Кроме того, керамику такого типа трудно об жигать, так как образующийся при ее обжиге силикат ный расплав содержит большое количество окиси магния, имеет малую вязкость и как следствие высокую темпе ратуру плавления и узкий интервал спекшегося состоя ния.
С целью пластификации массы и снижения темпера туры спекания стеатитовой керамики в шихту вводят высокопластичные сырьевые материалы: глины, каолины и бентониты. Для значительного снижения температуры обжига и получения стеатитовой керамики е требуемыми свойствами в массу вводят добавки плавней и минера лизаторов. К числу таких добавок относятся: витерит, мел, мрамор, магнезит, углекислый стронций, окись цин ка, двуокись циркония и др.
Взависимости от шихтового состава массы бывают пластичные, малопластичные и непластичные. Пластич ные стеатитовые массы применяются для изготовления изделий по пластичной технологии, полусухим и мокрым прессованием, малопластичные — сухим прессованием и иепластичные — горячим литьем под давлением.
Втабл. 2-1 приведен шихтовый состав типовых стеа титовых масс, предназначенных для изготовления изде лий по различной технологии.
Наиболее широкое применение для производства крупногабаритных изоляторов в отечественной промыш ленности нашли стеатитовые массы СПК-2 и ТКП. Стеа титовая масса СПК-2 состоит из 55,5% онотского талька, обожженного при 1350 °С, 20% сырого онотского талька,
Т а б л и ц а 2-1
Шихтовый состав типовых стеатитовых масс, мае. %
|
|
|
|
|
|
Тип ма- |
Тип непластич |
||
|
|
Тип пластичной массы |
лопла- |
||||||
|
|
стичной |
ной массы |
|
|||||
Сырьевой материал |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
массы |
|
|
|
||
|
|
I |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
Тальк сырой . . . |
15— 20 |
20 — 25 |
15— 20 |
15— 20 |
20— 40 75— 85 75— |
85 |
|||
Тальк, |
обожжен- |
|
|
|
|
|
|
|
|
ный при 1 30 0 — |
50 — 55 |
50 — 55 |
50 — 55 |
45 — 50 |
40— 60 |
|
— |
|
|
1350 |
° С . . . . |
— |
|
||||||
Глина |
пластичная |
10— 12 |
7— 10 |
12— 15 |
12— 15 |
3 — 5 |
2— 4 |
2— |
4 |
Бентонит . . . . |
3 — 5 |
3 — 5 |
3— 5 |
3 — 4 |
2— 4 |
2— 4 |
2— |
3 |
|
Ме л ........................ |
8 — 10 |
— |
2 — 3 |
2— 3 |
— |
— |
— |
||
Углекислый барий |
— |
10— 14 |
— |
— |
12— 14 16— 18 13— 15 |
||||
Магнезит . . . . |
— |
6 — 10 |
— |
4— 6 |
• --- |
— |
— |
|
|
Окись |
цинка . . . |
— |
— |
— |
3— 5 |
— |
— |
4— 6 |
|
Полевой шпат или |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
пегматит . . . . |
— |
— |
2 — 4 |
2 — 4 |
— |
— |
— |
|
|
|
|
|
|
||||||
Череп |
материала |
10— 15 |
|
— |
|
|
|
|
|
~
15% часовъярской глины, 4% огланлынского бентонита,
3% токаровского пегматита и 2,5% белгородского мела [Л. 47]. Масса ТКП отличается по шихтовому составу от массы СПК-2 в основном содержанием 10% кварцевого люберецкого песка и отсутствием пегматита.
Стеатитовые массы СНЦ и СК-1, из которых горячим литьем под давлением изготовляют радиоустановочные и другие изделия, содержат около 80% сырого онотского талька, 2% часовяърской глины, 2% огланлынского бен тонита (масса СНЦ) и плавнеобразующую добавку — 16—18% углекислого бария (масса СК-1) и 4% окиси цинка (масса СНЦ). Для получения прессованием мало габаритных стеатитовых радиоустановочных изделий применяют преимущественно массы С-4, Б-17, С-55. Мас са С-4 имеет следующий шихтовый состав, мае. %: обож
женный онотский |
тальк — 60, |
сырой онотский тальк — |
24, часовъярская |
глина — 5, |
углекислый барий— 10, |
обожженный глинозем — 1. Масса Б -17 отличается по со ставу от массы С-4 содержанием двуокиси циркония. Стеатитовую массу С-55 получают из предварительно синтезированного клиноэнстатитового спека, сырого таль ка, магнезита, небольшого количества глины и окиси цинка. Клиноэнстатитовый спек изготавливают из онот ского талька и магнезита. В получаемом спеке отноше ние MgO : S1O2 соответствует 1 : 1, т. е. отвечает составу клиноэнстатита [Л. 66]. Введение в состав массы типа С-4 двуокиси циркония или клиноэнстатитового опека по зволяет повысить ее механическую прочность, как будет показано ниже.
В вакуумной технике для произодства деталей ламп, соединяе мых с металлом, применяют стеатитовую борацитную керамику К-1.
Детали из этой керамики изготавливают горячим литьем под давлением или прессованием. Борацитная керамика К-1 состоит из (мае. %): 91,6 онотского талька, 5,2 еленинского каолина, 3,2 боратного стекла и добавки углекислого бария ( е небольшом количестве). Боратное стекло содержит, мае. %: В2О3—68, СаО—19, MgO—13 [Л. 2]. Борацитная керамика склонна к старению: разрушению, поте ре вакуумной плотности. Это вызвано тем, что борный ангидрид способствует полиморфным превращениям метасиликата магния и кремнезема. Последние сопровождаются объемными изменениями, приводящими к разрыхлению керамики. Добавка углекислого бария препятствует старению керамики К-1. Предполагается, что добавка углекислого бария способствует частичному переходу кремнезема в стекло, уменьшению содержания кристаллической Si02 и пре пятствует полиморфным превращениям кварца.
Вакуумная плотность керамики может быть охарактеризована водопоглощением образцов, подвергнутых многократному обжигу и
длительному хранению. Водопоглощение плотной (спекшейся) борацитной керамики К-1, не содержащей углекислого бария, после 10 обжигов при 1 350 °С и хранения в течение ПО суток составляет 1,78%, а керамики К-1 с добавкой углекислого бария—0,07%.
6) Минералогический состав стеатитовой керамики
Минералогический состав стеатитовой керамики опре деляют методом петрографического, рентгеноструктурно го и термического анализов, а также расчетом. При пет рографическом анализе микроструктуру и минералогиче ский состав стеатитовой керамики исследуют на прозрач ных шлифах в поляризованном свете, на полированных шлифах в отраженном свете и в порошковых препаратах иммерсионным методом. Показатель светопреломления стекла (N ) определяют с точностью ± 0,002-^0,003.
Рис. 2-1. Микрофотография образца пластичного стеа титового материала, свет простой, увеличение 500.
Стеатитовая керамика по данным петрографического анализа отличается плотной, мелкокристаллической, од нородной структурой (рис. 2-1). Основными фазами стеа титовой керамики являются метасиликат магния (MgOX ХЭіОг), стекло и газообразная фаза. Помимо того в стеатитовой керамике в виде отдельных зерен содер жатся кварц, кристобалит, форстерит, муллит, шпинель, а также в некоторых случаях псевдоморфозы по тальку. Наличие в стеатитовой керамике метасиликдта магния (60—70%) — один из основных факторов, обусловливаю-
2—139 |
і |
ЭКЗЕМПЛЯР 17 |
; АСЬ.-ІОГО 3 • Л '
щий присущие ей низкие диэлектрические потери и вы сокую механическую прочность.
Метасиликат магния в процессе обжига и охлаждения стеатитовой керамики претерпевает полиморфные пре вращения. В результате этого в материале образуются различные модификации метасиликата магния, главным образом протоэнстатит, клиноэнстатит и изредка энстатит. Часто метасиликат магния представлен одновремен но двумя или тремя модификациями. Наличие той или иной модификации метасиликата магния оказывает зна чительное влияние на свойства стеатитовой керамики.
Методом петрографического анализа не всегда удается уста новить модификации меі асиликата магния, так как они мало отли чаются по показателям преломления. Поэтому в течение длительного времени этот вопрос не был достаточно ясным. В последние юды модификацию MgO • SiCb определяют только по погасанию кристал лов призматического габитуса, так как клиноэнстатит имеет косое погасание (Ng ~ 30°), а протоэнстатит — прямое. При наличии кри сталлов MgO • Si02 изометрической формы установление их моди фикации петрографическим методом невозможно.
Метод петрографического анализа позволяет определить коли чество стекла в стеатитовой керамике с точностью ±3% . Определе ние произодится в полированных шлифах, протравленных 20%-'Ным раствором КОН в течение 20 мин. В результате такой обработки стекло темнеет и отличается от кристаллической фазы. Количество стекла подсчитывается точечным методом под микроскопом (в объ
емных процентах).
В табл. 2-2 приведена микроструктура и фазово-ми нералогический состав некоторых типовых отечественных
Таблица 2-2
Микроструктура и фазово-минералогический состав стеатитовой керамики1
|
Модификация |
Размер кристаллов |
Количе |
Показатель |
|
Индекс |
светлопрелом- |
||||
метасиликата |
метасиликата магния, |
ство стек» |
ления стекла, |
||
материала |
магния |
мкм |
ла, % |
N ±0,003 |
|
ТК-21 |
Протоэнстатит |
ЗХ (М -И 2) |
36 |
1,546 |
|
СПК-2 |
Клиноэнстатит |
6X20 |
38 |
1,520 |
|
Протоэнстатит |
2—6 |
||||
СПК-5 |
Протоэнстатит |
2—5 |
42 |
1,552 |
|
снц |
Клиноэнстатит |
6X20 |
|
|
|
Протоэнстатит |
(2-5-3) X (6-5-8) |
30 |
1,596 |
||
СК-1 |
Протоэнстатит |
||||
(З-г-6) X (10-5-15) |
36 |
1,593 |
|||
|
|
1 По данным петрографического анализа.
стеатитовых материалов, имеющих промышленное значе ние. Стеатитовые материалы ТК-21, СПК-2, СПК-5 яв ляются пластичными, СНЦ и СК-1 — непластичными.
Помимо указанных в табл. 2-2 фаз рассматриваемая стеатитовая керамика, по данным петрографического анализа, содержит отдельные кристаллы кварца, кристобалита и псевдоморфозы по тальку, не нарушающие однородность ее структуры. Стекло распределяется в шлифах равномерно, окружая зерна и агрегаты мета силиката магния прожилками толщиной до 1 мкм.
Более надежным методом определения модификаций метасилика та магния по сравнению с петрографическим является рентганоструктурный анализ. Для идентификации модификаций MgO ■Si02 необходимо производить рентгеиоструктурный анализ обожженных образцов без их измельчения, так как в результате механического воздействия может произойти полиморфное превращение протоэнстатита в клиноэнстатит. Поэтому при использовании порошковых препаратов для рентгеноструктурного анализа в стеатитовой кера мике, как правило, устанавливают наличие только клиноэнстатита. Другие кристаллические фазы в случае их присутствия в малых количествах (до 2—3%) определяют только петрографическим ана лизом, а при большем содержании — петрографическим или рентге ноструктурным анализом.
Данные рентгеноструктурного анализа, произведенно го на ионизационной установке УРС-50И, свидетельст вуют о наличии в образцах различной стеатитовой .кера мики одновременно протоэнстатита и клиноэнстатита, а также кристобалита (кроме керамики СК-1).
в] Химический состав стеатитовой керамики
Химический состав стеатитовой керамики определяют по общепринятой методике анализа силикатных материа лов или расчетным методом. Расчет химического состава стеатитовых материалов производится по данным хими ческого анализа исходных сырьевых материалов шихты в пересчете на прокаленное вещество. В табл. 2-3 при веден химический состав некоторых типовых отечествен ных пластичных (ТК-21, ТКП, СПК-2 и СПК-5) и непла стичных (СНЦ, СК-1) стеатитовых масс.
В настоящее время отсутствуют методы исследований, позво ляющие определить экспериментально химический состав фаз, при сутствующих в стеатитовой керамике. Это относится главным обра зом к составу стеклофазы; ее количество определяют методом пет рографического анализа. Состав стеклофазы рассчитывают. Количе ство метасиликата магния определяют как разность: 100 — количе ство стекла, мае. %. Как показывают данные табл. 2-3, стеатитовые материалы имеют многокомпонентный состав. Отсутствие диаграмм
О* |
19 |