Лекции по "Металлургии"

- стекло малощелочное (для непрерывного технического  стекловолокна) - 54 % SiO₂;

- стекло N 28 (для штапельного  стекловолокна) - 56  % SiO₂; 22 % СаО;

- оптическое стекло - крон (К) - 72 % SiO₂;

- оптическое стекло - флинт (Ф) - 47 % SiO₂; 46,4 % PbО.

Закаленное  стекло (сталинит) получают в результате закалки обычного листового стекла толщиной 4,5 - 6,6 мм. При этом стекло нагревают до 610 - 650°С, выдерживают при данной температуре и затем быстро и равномерно охлаждают. В результате такой термической обработки в стекле образуются равномерно распределенные напряжения, что придает стеклу высокую механическую и термическую прочность.

Силикатные  триплексы (безосколочное стекло) представляют собой два листа закаленного стекла (толщиной 2 - 3 мм), склеенные прозрачной эластичной полимерной пленкой. При разрушении триплекса образовавшиеся неострые осколки удерживаются на полимерной пленке. Триплексы бывают плоскими и гнутыми.

Триплекс отличается от обычного однослойного листового  стекла того же состава и той же толщины повышенной механической прочностью при изгибе и ударе вследствие слоистой структуры и пониженным светопропусканием вследствие многослойности стекла или изготовления его на целлулоидной прокладке.

Стекло триплекс по своей  удельной прочности, упругости, термостойкости и другим свойствам и особенностям технологии значительно уступает закаленному стеклу “сталинит”, хотя применяется на практике для тех же целей.

Склеенное безопасное стекло широко применяют для полупанорамного и панорамного остекления, различных средств транспорта и в технике, в связи с чем разработана технология склейки не только плоских листов стекла, но также гнутых, сферических, параболических и других типов стекол. Для получения высокопрочных и в то же время безопасных в эксплуатации закаленных стекол весьма эффективным оказывается склеивание нескольких слоев стекол, предварительно закаленных.

Термопан - трехслойное стекло, состоящее из двух стекол и воздушного промежутка между ними. Эта воздушная прослойка обеспечивает теплоизоляцию.

Применение  технических стекол. Для остекления транспортных средств используют преимущественно триплексы, термопан и закаленные стекла.

Оптические стекла, применяемые  в оптических приборах и инструментах, подразделяют на кроны, отличающиеся малым преломлением, и флинты - с высоким содержанием оксида свинца и большими значениями коэффициента преломления. Тяжелые флинты не пропускают рентгеновское и g - излучение. Светорассеивающие стекла содержат в своем составе фтор.

Остекление кабин и  помещений, где находятся пульты управления мартеновских и дуговых печей, прокатных станов и подъемных кранов в литейных цехах, выполняется стеклами, содержащими оксиды железа и ванадия, которые поглощают около 70% инфракрасного излучения в интервале длин волн 0,7 – 3 мкм.

Кварцевое стекло, вследствие высокой термической и химической стойкости применяют для изготовления тиглей, чаш, труб, наконечников, лабораторной посуды. Близкое по свойствам к кварцевому стеклу, но более технологичное кварцоидное (кремнеземное) стекло используют для электроколб, форм для точного литья и т.д. Электропроводящие (полупроводниковые) стекла: халькогенидные и оксидные ванадиевые находят широкое применение в качестве термисторов, фотосопротивлений.

Теплозвукоизоляционные  стекловолокнистые материалы. Эти материалы имеют рыхловолокнистую структуру с большим числом воздушных прослоек, волокна в них располагаются беспорядочно. Такая структура сообщает этим материалам малую объемную массу, низкую теплопроводность.

Разновидностями стекловолокнистых  материалов являются стекловата, применение которой ограничено ее хрупкостью; стекломаты - материалы АСИМ, АТИМС, АТМ - 3, состоящие из стекловолокон, расположенных между двумя слоями стеклоткани или стеклосетки, простеганной стеклонитками. Они применяются в интервале температур от -60 до 600°С. Иногда стекловолкна сочетают с термореактивной смолой, придающей матам более устойчивую рыхлую структуру (материал АТИМСС), они работают при температуре до 150°С. Материалы, вырабатываемые из короткого волокна и синтетических смол, называются плитами. Коэффициент звукопоглощения плит при частоте 200 - 800 Гц равен 0,5; при частоте 8000  Гц - 0,65.

Стекловату, маты, плиты  применяют для теплозвукоизоляции кабин самолетов, кузовов автомашин, железнодорожных вагонов, тепловозов, электровозов, корпусов судов, в холодильной технике, ими изолируют различные трубопроводы, автоклавы и т.д.

Армированное  стекло. Для армирования применяют стальную проволоку, а для стекла высшей категории качества еще и с защитным алюминиевым покрытием. Армирование не увеличивает прочность, кроме того при армировании возможно снижение прочности в 1,5 раза. Однако наличие армирующей сетки не позволяет осколкам в случае разрушения рассыпаться. Применяется широко такое стекло как строительный материал.

3.2.2  СИТАЛЛЫ (СТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ)

Ситаллы получают на основе неорганических стекол путем их полной или частичной управляемой кристаллизации. Термин “ситаллы” образован от слов: стекло и кристаллы. За рубежом их называют стеклокерамикой или пирокерамами. По структуре и технологии получения ситаллы занимают промежуточное положение между обычным стеклом и керамикой. От неорганических стекол они отличаются кристаллическим строением,  а от керамических материалов более мелкозернистой и однородной микрокристаллической структурой.

Ситаллы получают путем  плавления стекольной шихты специального состава с добавкой нуклеаторов (катализаторов), охлаждения расплава до пластичного состояния и формования из него изделий методами стекольной технологии и последующей ситаллизации (кристаллизации). Ситалловые изделия получают также порошковым методом спекания.

В состав стекла, применяемого для получения ситаллов, входят оксиды Li₂O, Al₂O₃, SiO₂, MgO, CaO и другие; катализаторы кристаллизации (нуклеаторы). К числу последних относятся соли светочувствительных металлов Au, Ag, Cu, которые являются коллоидными красителями и находятся в стекле в виде мельчайших коллоидно-дисперсных частиц, а также фтористые и фосфатные соединения, TiO₂ и другие, представляющие собой глушители, распределяющиеся в стекле в виде плохо растворимых частичек. Нуклеаторы имеют кристаллическую решетку, подобную выделяющимся из стекла кристаллическим фазам, и способны в определенных условиях образовывать центры кристаллизации, приводя к равномерному закристаллизовыванию всей массы стекла. Ситаллы подразделяют на фотоситаллы, термоситаллы и шлакоситаллы.

Фотоситаллы получают из стекол литиевой системы с нуклеаторами - коллоидными красителями. В фотоситаллах используют малые добавки золота, серебра, платины или меди. Фотохимический процесс  протекает при облучении стекла ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами, при этом внешний вид стекла не изменяется. Процесс кристаллизации происходит при  облучении ультрафиолетовым светом и последующем отжиге. Необлученные участки остаются аморфными после отжига. Фотоситаллы применяют, как светочувствительные материалы.

Термоситаллы получаются из стекол систем MgO - Al₂O₃ - SiO₂, CaО - Al₂O₃ - SiO₂ и других с добавкой TiO₂, FeS и т.п.  нуклеаторов. Кристаллическая структура ситалла создается только в результате повторной термообработки предварительно отформованных изделий. При отжиге термоситаллов получается высокая и однородная плотность кристаллов. Термоситаллы имеют универсальное применение: как износостойкие материалы используются для деталей гидромашин, узлов трения, защитных эмалей; как прочные стабильные диэлектрики - для радиодеталей, плат и т.п.

Структура ситаллов многофазная, состоит  из зерен одной или нескольких кристаллических фаз, скрепленных между собой стекловидной  прослойкой. Содержание кристаллической фазы колеблется от 30 до 95 %. Размер кристаллов обычно не превышает 1-2мкм. По внешнему виду ситаллы могут быть непрозрачными и прозрачными (количество стеклофазы до 40%).

Шлакоситаллы получают на основе доменных шлаков и катализаторов (сульфаты, порошки железа и др.); вводятся соединения фтора для усиления ситаллизации.

В отличии от обычного стекла, свойства которого определяются в основном его химическим составом, для ситаллов решающее значение имеет структура и фазовый состав. Причина ценных свойств ситаллов заключается в их исключительной мелкозернистости, почти идеальной поликристаллической структуре. Свойства ситаллов изотропны. В них совершенно отсутствует всякая пористость. Усадка материала при его переработке незначительна. Большая абразивная стойкость делает их малочувствительными к поверхностным дефектам.

Прочность ситалла зависит  от температуры: до температуры 700 - 780°С прочность материала уменьшается незначительно, при более высоких температурах быстро падает. Жаропрочность ситаллов под нагрузкой составляет 800 - 1200°С. Максимальная температура размягчения Т_разм = 1250 - 1350°С. Ударная вязкость ситаллов выше, чем ударная вязкость стекла (4,5 - 10,5 кДж/м²), однако  они относятся к хрупким материалам. Твердость их приближается к твердости закаленной стали (микротвердость 7000 - 10500 МПа). Они весьма износостойки. По теплопроводности ситаллы в результате повышенной плотности превосходят стекла. Термостойкость высокая. Стеклокристаллические материалы обладают высокой химической устойчивостью к кислотам и щелочам, не окисляются даже при высоких температурах. Они газонепроницаемы и обладают нулевым водопоглощением. Хорошие диэлектрики.

Применение ситаллов определяется их свойствами. Из ситаллов изготавливают подшипники, детали для  двигателей внутреннего сгорания, трубы для химической промышленности, оболочки вакуумных электронных приборов, детали радиоэлектроники. Ситаллы используют в качестве жаростойких покрытий для защиты металлов от действия высоких температур. Их применяют в производстве текстильных машин, абразивов для шлифования, фильер для вытягивания синтетических волокон. Из ситаллов могут быть изготовлены лопасти воздушных компрессоров, сопла реактивных двигателей, они используются для изготовления точных калибров и оснований металлорежущих станков.

3.2.3  КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

КЛАССИФИКАЦИЯ ВИДОВ КЕРАМИКИ

Характерными особенностями  технологии керамики являются формование изделия сырца из исходных порошкообразных  материалов различными методами, закрепление полученной формы и придание заготовке камневидного состояния путем спекания в процессе обжига.

Керамическое производство с древнейших времен до конца XIX столетия основывалось на использовании при  оформлении сырца пластических свойств исходного сырья - глины. Исходный порошок - глину - замачивали водой, полученная при этом масса приобретала пластические свойства, которые давали возможность оформлять изделие - сырец любой формы и вводить в эту массу различные непластичные добавки - полевой шпат, кварц, шамот и др. В настоящее время представление о керамических материалах значительно расширилось.

Среди многочисленных видов  керамического производства осталось очень мало таких, которые основываются на использовании пластических свойств исходного сырья - глины и каолина. Такими являются только производства фарфоро - фаянсовой и глиняной посуды, строительного кирпича и черепицы, канализационных и кислотоупорных изделий.

Существующие в настоящее время  виды технической керамики можно  разделить на две более или  менее самостоятельные группы:

1. Керамику высшей  огнеупорности:

• керамика чистых окислов;
• керамика карбидов, боридов, нитридов, силицидов и сульфидов;
• керамико-металлические изделия (будут рассмотрены позднее в разделе “Композиционные материалы”).

2. Радиотехническая керамика:

• высокочастотная керамика;
• кондесаторная керамика;
• вакуумная керамика;
• пьезоэлектрическая керамика;
• ферромагнитная керамика.

В современных условиях под керамикой следует понимать - 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 в себя 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.