Структура изделий и ее влияние на свойства

Структура определяется размерами, формой, распределением, направлением и связью зёрен (частиц), количеством и качеством фазового состава и пористостью обожжённого материала.

Основные фазы в структуре тонкокерамических изделий::

1) стеклофаза;

2) крист. кварца;

3) крист. муллита;

4) поры.

Количественное соотношение этих элементов определяет фазовый состав.

1) Стеклофаза обеспечивает просвечиваемость, уменьшает белизну, термостойкость, прочность, повышает склонность деформации при обжиге. Стеклофаза состоит из: 70-80 % SiO₂; 8 -16% Al₂O₃; 8 -12% Σ R₂O. Содержание стеклофазы в обожжённом изделии зависит от состава изделия:

· в мягком фарфоре – до 85%

· в твёрдом фарфоре – 60%

· в полуфарфоре – до 40%

· в фаянсе - до 30 %

· в майолике – до 10%.

2) Кристаллическая фаза: представлена кристаллами муллита, зёрнами непрореагировавшего кварца, новообразованиями кристобалита и остатками каолинита.

Муллит – повышает прочность, химичность, термостойкость, улучшает диэлектрические свойства.

Кварц – повышает прочность, понижает термостойкость. Содержание кварца зависит от состава материала: в твёрдом фарфоре – 10 – 16 %; в мягком фарфоре – 13 – 24 %; в фаянсе – 18 – 30 %; в майолике – столько, сколько ввели с сырьём.

Соотношение кристаллических фаз зависит от:

· количества химической активности плавней,

· от состава массы,

· от температуры и продолжительности обжига.

Так, твёрдый фарфор (t_обж. = 1350 – 1400ºC) характеризуется хорошо выраженной муллитизацией; мягкий фарфор (t_обж = 1280 – 1350ºC): муллитизация слабее. В фаянсе (t_обж до 1280ºC) кристаллическая фаза состоит из видоизменённого в результате обжига глинистого вещества и первичного короткостолбчатого муллита.

3) Газовая фаза образуется в результате реакции диссоциации и декарборнизации исходных сырьевых материалов. Количество пор зависит от количества карбонатов, сульфатов, входящих в состав шихты. Повышенное количество пор снижает механическую и электрическую прочность, химическую стойкость и просвечиваемость.

Зависимость свойств тонкокерамических изделий от их структуры

Ä Механические свойства повышаются при увеличении доли муллита в составе фарфора (при условии, если размеры кристаллов не превышают 10 мкм). Фарфор противостоит сжатию, хуже изгибу и плохо ударному изгибу. Механическая прочность уменьшается с увеличением пористости и дефектности структуры. Для фарфора характерен хрупкий характер разрушения. Хрупкость уменьшается при понижении количества стеклофазы, при введении глинозёма, искусственного муллита, закристаллизованного фритта. Прочность увеличивается с повышением плотности и мелкозернистости кристаллов.

Ä Теплофизические свойства: Теплоёмкость зависит от фазового состава (твёрдый фарфор: 0,84 – 1,09 кДж/ кг · К; твёрдый фаянс: 0,84 кДж/ кг · К). Термостойкость определяется разницой ТКЛР фаз и их количеством. Однородность структуры увеличивает термостойкость и пористость. Теплопроводность: пористость понижает теплопроводность и зависит от прочности и модуля упругости твёрдых фаз:

· твёрдый фарфор – 0,8 – 1,27(Вт/м · К);

· твёрдый фаянс – 0,8 – 1,4(Вт/м · К).

ТКЛР увеличивается с повышением количества кристаллического кварца и понижением количества расплава. Ниже приведены средние показатели температурного коэффициента расширения для различных видов тонкокерамических материалов:

· твёрдый фарфор: (4 – 5) · 10^-6 град^-1;

· хозяйственно-бытовой фарфор: (4 – 5) · 10^-6 град^-1;

· мягкий фарфор: (5,5 – 6,2) · 10^-6 град^-1;

· низкотемпературный: 4,5 – 6,5 · 10^-6 град^-1;

· твёрдый фаянс: (7 – 8) · 10^-6 град^-1;

· известковый фаянс: (5 – 6) · 10^-6 град^-1;

· глинистый фаянс: (9 – 10) ·10^-6 град^-1;

· полуфарфор: (4,5 – 5,5) · 10^-6 град^-1

· тонкокаменное литьё: (4,6 – 7) · 10^-6 град^-1;

· майолика: (7 –9) · 10^-6 град^-1.

 

Ä Химическая стойкость зависит от пористости и структуры материала. Муллит – повышает химическую стойкость; поры – снижают химическую стойкость.

Ä Водопоглощение и влажностное набухание определяются пористостью материала. Набухание пропорционально поверхности образцов; может увеличиваться в результате термовлажностной обработки.

Ä Водопроницаемость зависит от количества и размера сквозных пор (при размерах пор 5 мкм – изделие водопроницаемое).

 

Основным сырьем для фарфоро-фаянсовой промышленности являются каолин, огнеупорные глины, кварцевый песок, пегматит, гипс, керамические краски и др. Все эти компоненты керамиче6ских масс добывают или производят в Украине, хотя качество некоторых из них несколько (уступает зарубежным аналогам. По словам производителей, в первую очередь, не удовлетворяет качество отечественного пегматита и керамических красок.

Украинский кварцевый песок производители фарфора считают самым лучшим в Европе, и запасы маложелезистых песков весьма обширны. Стоимость же песка на сегодня не превышает 30 грн. за 1 т.

Украинские производители фарфоровой посуды, которые считают каждую копейку, чаще всего покупают необогащенный пегматит Тахтаевского месторождения (с.Тахтаевка Полтавской обл.). Тонна отечественного пегматита с учетом расходов на транспортировку, уплату таможенных обходится в 400-500 грн., российского - 550-650 грн.

Запасов каолина в Украине хватит не на одну сотню лет. Основынми эксплуатируемыми месторождениями являются Глуховецкое и Просяновское. Тонна каолина стоит 250-300 грн. Огнеупорную глину большинство производителей приобретают у ОАО «Веско» (г.Дружковка Донецкой обл.) по 120-150 грн. за 1 т.

Гипс украинские изготовители фарфоровой посуды приобретают на предприятиях “Стромгипс” (г.Артемовск, Донецкая обл.) и “Стройдеталь” (г.Соледар, Донецкая обл.) по 300-500 грн. за 1 т.

Общие требования к сырью

глинистое кварцевое полевошпатовое

Fe₂O₃ + TiO₂ до 2% до 0,3 % до 0,2 %

SiO₂ ― более 95 % до 30 %

R₂O ― ― < 8 %

 

Керамические краски в Украине производит только ОАО “Деффа” (г.Киев). В зависимости от содержания оксидов металлов (кобальт, хром, сурик свинцовый, кадмий, сурьма и пр.) в составе красок, стоят они от 20 до 150 грн. за 1 кг. Кроме того, в Украине также продаются немецкие и российские краски, чье качество отечественные “фарфористы” оценивают гораздо выше. Российские краски продаются в 1,5 раза, а немецкие в 3-4 раза дороже, чем украинские.

Деколи в Украине производят ОАО “Деффа” (г.Киев), фирмы “Грань” (г.Харьков) и “ДЮК” (г.Мелитополь, Запорожская обл.). Лист деколи размером 350х550 мм стоит 2,5-6 грн. Российская деколь производства Ликино-Дулево (Московская обл.) продается по 4-9 грн.

Месторождения сырьевых материалов:

а) глины: Часов-Ярская, Дружковская, Веселовская, Новоярская, Новошвейцарская;

б) каолины: Просяновский, Глуховецкий;

в) бентониты: Дашуковское, Горбское.

г) пегматиты: Тахтаевское, Елисеевское;

д) щелочные каолины: Дубровское, Майдан-Вильское

е) кварцевые пески: Авдеевское, Водолажское, Новосёловское, Часов-Ярское.

 

В качестве заменителей плавней используют:

· Англия: «корнвалийский камень» - маложелезистый каолинизированный гранит;

· Германия: каолинизированные граниты.

· Чехия: аплиты.

· Китай: кварц-серицитовые породы.

· Франция: граниты.

· Япония: липариты, дациты, реголиты.

· США: аляскиты.

 

Ниже представлены типовые составы керамических масс и глазурей для получения различных видов изделий хозяйственно-бытового назначения.

 

1. Твёрдый хозяйственный фарфор

Материал	Масса	Глазурь
Глина Каолин Песок Полевой шпат Фарфоровый бой Доломит	9 –20 26 – 41 21 – 24 16 – 24 5 – 17 -	- 4 – 8 25 – 30 26 – 36 17 – 27 14 – 20

 

Мягкий фарфор

Сырьё	Зегеровский	Фриттовый	Костяной	Бисквитный
Глина Кварц Полевой шпат Фритта Мел Мергель Костяная зола Температура обжига	26 – 30 20 – 45 30 – 35 - - - -   1250 - 1300	- - - -   1150 - 1300	20 – 40 20 – 40 - - - - 20 – 60   1150 - 1280	- - - -   1150 – 1280

 

 

3. Твёрдый (полевошпатовый) фаянс

Материал	Масса
Глинистые Кварц Полевой шпат	45 – 65 25 – 40 9 – 10

Известковый фаянс

Материалы	Керамическая масса
Глина Мел Кварц Полевой шпат	30 – 40 10 – 20 30 – 50

Глинистый фаянс

Материалы	Керамическая масса
Глина Полевой шпат кварц

 

Майолика

Материалы	Керамическая масса
Глина Мел Кварц Утельный бой	63 – 68 5 – 17