4. КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Керамика — неорганический материал, получаемый из отформованных минеральных масс в процессе высокотемпературного обжига. В результате обжига (1200-2500 °С) формируется структура материала (спекание), и изделие приобретает необходимые физико-механические свойства.

Техническая керамика включает искусственно синтезированные керамические материалы различного химического и фазового состава; она обладает специфическими комплексами свойств. Такая керамика содержит минимальное количество или совсем не содержит глины. Основными компонентами технической керамики являются оксиды и бескислородные соединения металлов. Любой керамический материал является многофазной системой. В керамике могут присутствовать кристаллическая, стекловидная и газовая фазы.

Кристаллическая фаза представляет собой определенные химические соединения или твердые растворы. Эта фаза составляет основу керамики и определяет значения механической прочности, термостойкости и других ее основных свойств.

Стекловидная фаза находится в керамике в виде прослоек стекла, связывающих кристаллическую фазу. Обычно керамика содержит 1-10 % стеклофазы, которая снижает механическую прочность и ухудшает тепловые показатели. Однако стеклообразующие компоненты (глинистые вещества) облегчают технологию изготовления изделий.

Газовая фаза представляет собой газы, находящиеся в порах керамики; по этой фазе керамику подразделяют на плотную, без открытых пор и пористую. Наличие даже закрытых пор нежелательно, так как снижается механическая прочность материала.

Большинство видов специальной технической керамики обладает плотной спекшейся структурой поликристаллического строения, для ее получения применяют специфические технологические приемы.

Керамика на основе чистых оксидов. В производстве оксидной керамики используют в основном следующие оксиды: (корунд), . Структура керамики однофазная поликристаллическая. Кроме кристаллической фазы может содержаться небольшое количество газов (поры) и стекловидной фазы, которая образуется в результате наличия примесей в исходных материалах. Температура плавления чистых оксидов

Рис. 238. Зависимость предела прочности при изгибе спеченной оксидной керамики от температуры: шпинель корунд

Рис. 239. Зависимость потери массы оксидных керамик в вакууме от температуры: 1 — (стабилизованная (стабилизованная )

превышает 2000 С, поэтому их относят к классу высокоогнеупоров. Как и для других неорганических материалов, оксидная керамика обладает высокой прочностью при сжатии по сравнению с прочностью при растяжении или изгибе; более прочными являются мелкокристаллические структуры, так как при крупнокристаллическом строении на границе между кристаллами возникают значительные внутренние напряжения.

С повышением температуры прочность керамики понижается (рис. 238). При использовании материалов в области высоких температур важным свойством является окисляемость. Керамика из чистых оксидов, как правило, не подвержена процессу окисления.

Керамика на основе (корундовая) обладает высокой прочностью, которая сохраняется при высоких температурах, химически стойка, отличный диэлектрик. Термическая стойкость корунда невысокая. Изделия из него широко применяют во многих областях техники: резцы, используемые при больших скоростях резания, калибры, фильеры для протяжки стальной проволоки, детали высокотемпературных печей, подшипники печных конвейеров, детали насосов, свечи зажигания в двигателях внутреннего сгорания. Керамику с плотной структурой используют в качестве вакуумной, пористую — как термоизоляционный материал. В корундовых тиглях проводят плавление различных металлов, оксидов, шлаков. Корундовый материал микролит по свойствам превосходит другие инструментальные материалы, его плотность до до твердость и красностойкость до 1200 °С. Из микролита изготовляют резцовые пластинки, фильеры, насадки, сопла, матрицы и др.

Особенностью оксида циркония является слабокислотная или инертная природа, низкий коэффициент теплопроводности. Рекомендуемые температуры применения керамики из она используется для изготовления огнеупорных тиглей для плавки металлов и сплавов, как тепловая изоляция печей, аппаратов и реакторов, в качестве покрытия на металлах для защиты последних от действия температур.

Керамика на основе оксидов магния и кальция стойка к действию основных шлаков различных металлов, в том числе и щелочных. Термическая стойкость их низкая. Оксид магния при высоких температурах летуч, оксид кальция способен к гидратации даже на воздухе. Их применяют для изготовления тиглей, кроме того, используют для футеровки печей, пирометрической аппаратуры и т. д.

Керамика на основе оксида бериллия отличается высокой теплопроводностью, что сообщает ей высокую термостойкость. Прочностные свойства материала невысокие. Оксид бериллия обладает способностью рассеивать ионизирующее излучение высоких энергий, имеет высокий коэффициент замедления тепловых нейтронов, применяется для изготовления тиглей для плавки некоторых чистых металлов, в качестве вакуумной керамики в ядерных реакторах. Летучесть спеченных оксидов в вакууме показана на рис. 239.

Керамика на основе оксидов тория и урана имеет высокую температуру плавления, но обладает высокой плотностью и радиоактивна. Эти виды керамики применяют для изготовления тиглей для плавки родия, платины, иридия и других металлов, в конструкциях электропечей для тепловыделяющих элементов в энергетических реакторах

Основные свойства керамики на основе чистых оксидов приведены в табл. 54.

Бескислородная керамика. К тугоплавким бескислородным соединениям относятся соединения элементов с углеродом — карбиды, с бором — бориды, с азотом — нитриды, с кремнием — силициды и с серой — сульфиды. Эти соединения отличаются высокими огнеупорностью твердостью (иногда как у алмаза) и износостойкостью но отношению к агрессивным средам. Материалы обладают высокой хрупкостью. Сопротивление окислению при высоких температурах (окалиностойкость) карбидов и боридов составляет несколько ниже оно у нитридов. Силициды могут выдерживать температуру (на поверхности образуется пленка кремнезема).

Карбиды. Широкое применение получил карбид кремния — карборунд Он обладает высокой жаростойкостью высокой твердостью, устойчивостью к кислотам и неустойчивостью к щелочам; применяется в качестве нагревательных стержней, защитных покрытий графита и в качестве абразива.

(кликните для просмотра скана)

Бориды. Эти соединения обладают металлическими свойствами, их электропроводность очень высокая Они износостойки, тверды, стойки к окислению. В технике получили распространение дибориды тугоплавких металлов . Их легируют кремнием или дисилицидами, что делает их устойчивыми до температуры их плавления. Дибор циркония стоек в расплавах алюминия, меди, чугуна, стали и др. Его используют для изготовления термопар, работающих при температуре свыше 2000 °С в агрессивных средах, труб, емкостей, тиглей. Покрытия из боридов повышают твердость, химическую стойкость и износостойкость изделий.

Нитриды. Неметаллические нитриды являются высокотермостойкими материалами, имеют низкие теплопроводность и электропроводимость. При обычной температуре это изоляторы, а при высоких температурах — полупроводники. С повышением температуры коэффициент линейного расширения и теплоемкость увеличиваются. Твердость и прочность этих нитридов меньше, чем твердость и прочность карбидов и боридов. В вакууме при высоких температурах они разлагаются. Они стойки к окислению, действию металлических расплавов.

Нитрид бора — «белый графит» — имеет гексагональную, графитоподобную структуру. Это мягкий порошок, стойкий к нейтральной и восстановительной атмосфере, используется как огнестойкий смазочный материал, изделия из него термостойки. Спеченный нитрид бора хороший диэлектрик при в бескислородной среде. Наиболее чистый нитрид бора применяется в качестве материала обтекателей антенн и электронного оборудования летательных аппаратов. Другой модификацией является — алмазоподобный нитрид бора с кубической структурой, называемый эльбором. Его получают при высоком давлении и температуре 1360 °С в присутствии катализатора. Плотность эльбора температура плавления 3000 °С. Он является заменителем алмаза, стоек к окислению до 2000 °С (алмаз начинает окисляться при температуре 800 °С).

Нитрид кремния более других нитридов устойчив на воздухе и в окислительной атмосфере до 1600 °С. По удельной прочности при высоких температурах превосходит все конструкционные материалы, а по стоимости он дешевле жаропрочных сплавов в несколько раз. Нитрид кремния прочный, износостойкий, жаропрочный материал. Он применяется в двигателях внутреннего сгорания (головки блока цилиндров, поршни и др.), стоек к коррозии и эрозии, не боится перегрева теплонагруженных деталей.

Силициды отличаются от карбидов и боридов полупроводниковыми свойствами, окалиностойкостью, они стойки к действию кислот и щелочей. Их можно применять при температуре 1300—1700 °С, при 1000 °С они не реагируют с расплавленным свинцом, оловом и натрием. Дисилицид молибдена используется

(кликните для просмотра скана)

наиболее широко в качестве стабильного электронагревателя в печах при температуре в течение нескольких тысяч часов. Из спеченного изготовляют лопатки газовых турбин, сопловые вкладыши двигателей; его используют как твердый смазочный материал для подшипников, для защитных покрытий тугоплавких металлов от высокотемпературного окисления.

Сульфиды. Из сульфидов нашел практическое применение только дисульфид молибдена имеющий высокие антифрикционные свойства. Его применяют в качестве сухого вакуумстойкого смазочного материала. Рабочие температуры на воздухе от —150 до 435 °С, в вакууме до в инертной среде до Дисульфид молибдена электропроводен, немагнитен, стоек к радиации, воде, инертным маслам и кислотам, кроме крепких и царской водке. При температуре выше начинается процесс окисления с образованием оксидной пленки, а при образуется являющийся абразивом.

Свойства бескислородной керамики приведены в табл. 55.

Вопросы для самопроверки

(см. скан)

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

(см. скан)