Pracownia Technologiczna - Wydział Zarządzania PW Temat: Ceramika tradycyjna i specjalna: metody formowania, badanie właściwości tworzyw ceramicznych Prowadzący: dr inż. Paulina Wiecińska Gmach Technologii Chemicznej, ul. Koszykowa 75, s. 315 1. Wprowadzenie Technologie oparte na formowaniu i spiekaniu rozwijały się stopniowo w ciągu tysiącleci równolegle do innych technologii materiałowych. Najstarszym produktem wytwarzanym tą metodą była ceramika formowana z gliny w postaci cegieł czy naczyń a następnie wypalana. Kolejno opanowano wytwarzanie z surowców ilastych innych tworzyw w tym litych wypalanych na biało wyrobów ceramiki szlachetnej takich jak porcelana. W okresie rewolucji przemysłowej (XVIII XX w.) rozwój przemysłu, nowe potrzeby i rosnące wymagania społeczeństwa spowodowały rozwój nowych dziedzin tworzyw ceramicznych wytwarzanych drogą spiekania jak: materiały ogniotrwałe, ceramika sanitarna, nowe typy ceramiki budowlanej, ceramika elektrotechniczna, materiały ścierne i inne. Wiek dwudziesty to rozwój wytwarzanych głównie drogą spiekania zaawansowanych tworzyw ceramicznych. Materiały takie jak tlenki, węgliki, azotki, borki w zasadniczy sposób zdecydowały o rozwoju tak istotnych dziedzin techniki jak: elektronika, informatyka, telekomunikacja, przemysł lotniczy (samoloty), kosmiczny (wahadłowce) i wojskowy (pancerze). Intensywny rozwój wielu dziedzin techniki sprawia, że coraz bardziej wzrasta zapotrzebowanie na nowe technologie i nowoczesne materiały o ściśle określonych właściwościach. Oprócz powszechnie znanych materiałów metalicznych i tworzyw polimerowych, coraz szersze zastosowanie znajdują materiały ceramiczne, a w szczególności tzw. ceramika zaawansowana (ang. advaced ceramics). Ceramika zaawansowana, zwana także techniczną lub specjalną, to zróżnicowana grupa nowoczesnych materiałów o szerokim przeznaczeniu od materiałów dla elektroniki, poprzez narzędzia skrawające, elementy ścierne, elementy ogniotrwałe o podwyższonej jakości, aż po materiały wykorzystywane w przemyśle jądrowym i w medycynie. Przykładami gotowych produktów wytworzonych z nowoczesnych materiałów ceramicznych są m.in., elementy czujników temperatury, izolatory, elementy piezoelektryczne, zintegrowane obwody elektryczne, tarcze ścierne, membrany, filtry, katalizatory, czujniki gazów, lasery, przetworniki elektrooptyczne, pancerze stosowane w 1
przemyśle zbrojeniowym, elementy osłon silników odrzutowych i rakietowych, elementy osłon samolotów, rakiet i pojazdów kosmicznych, protezy medyczne, sztuczne zastawki serca, sztuczne korzenie zębów i wiele innych. W celu wytworzenia powyższych elementów konieczne jest zastosowania surowców ceramicznych o odpowiednich właściwościach. Kolejnym istotnym etapem produkcyjnym jest uformowanie materiału, czyli nadanie mu kształtu jak najbardziej zbliżonego do kształtu finalnego produktu. 2. Formowanie proszków ceramicznych Formowanie jest jednym z najważniejszych etapów procesu wytwarzania wyrobów ceramicznych, w którym nieskonsolidowany ceramiczny materiał wyjściowy zostaje przekształcony w zwarty, zagęszczony półprodukt o określonej geometrii i mikrostrukturze. Uformowany element jest następnie poddawany procesowi spiekania w wysokich temperaturach, pod wpływem którego uzyskuje on właściwości typowe dla tworzyw ceramicznych. Obróbka mechaniczna wyrobów ceramicznych po procesie spiekania jest skomplikowana i kosztowna. Konieczne jest więc odpowiednie dobranie metody formowania tak, aby uformowany półprodukt po spiekaniu był możliwie najbliższy gotowemu wyrobowi pod względem kształtu i wymiarów. W przemyśle ceramicznym stosuje się wiele metod formowania, a o wyborze sposobu formowania decydują m.in. takie kryteria jak: geometria, wielkość partii formowanego wyrobu, jakość materiału czy zaplecze techniczne. W obrębie formowania wyrobów tzw. ceramiki specjalnej lub ceramiki zaawansowanej można wyróżnić następujące, najbardziej rozpowszechnione metody formowania ujęte w trzy grupy technologiczne: formowanie przez prasowanie formowanie plastyczne formowanie przez odlewanie. 2.1. Formowanie przez prasowanie Jest to jedna z najprostszych i najbardziej rozpowszechnionych metod otrzymywania wyrobów ceramicznych i metalurgicznych. Formowanie przez prasowanie można zdefiniować jako zagęszczanie ziarnistego granulatu proszku ceramicznego bądź metalicznego za pomocą działania jednokierunkowych lub wielokierunkowych sił zewnętrznych w sztywnych formach, najczęściej stalowych. Proszek musi być jednak odpowiednio przygotowany. Skład granulometryczny i fazowy proszku decyduje o 2
parametrach otrzymanej kształtki. Prasowanie może odbywać się na zimno z następnym spiekaniem lub metodą prasowania na gorąco i spiekania. Metodę prasowania można używać do otrzymania elementów o niewielkich rozmiarach i nieskomplikowanych kształtach. Wynika to ze specyfiki procesu, w którym ciśnienie działa z jednej lub dwóch stron formowanego elementu, ale w obu przypadkach w jednej osi. Niemożliwe jest otrzymanie elementu o takim kształcie, który wymagałby przyłożenia siły w innej osi. Schemat formowanie metodą prasowanie przedstawiono na Rysunku 1. Rysunek 1. Schemat formowania metodą prasowania 2.2. Formowanie przez odlewanie Proces odlewania z gęstwy (ang. slip casting) składa się z kilku etapów. W pierwszym etapie ceramiczna masa lejna jest wylewana do porowatej, wieloczęściowej formy, przeważnie gipsowej. Masę lejną stanowi wodna zawiesina proszku lub mieszaniny proszków ceramicznych o odpowiedniej wielkości ziaren wraz z dodatkami, takimi jak środki upłynniające, zwilżające, substancje przeciwpienne itp. Następnie, w wyniku działania sił kapilarnych w porach formy (podciśnienie) z zawiesiny usuwana jest woda, przez co następuje zagęszczenie cząstek stałych, począwszy od powierzchni granicznej forma/masa lejna. Napełnioną formę zostawia się na określony czas potrzebny do osadzania się czerepu. Tworzy się więc półprodukt w postaci negatywu odwzorowania formy roboczej. Po utworzeniu się ścianek o żądanej grubości formę odwraca się i wylewa się nadmiar masy. Wyrób pozostawia się w formie jeszcze przez pewien czas, w celu podsuszenia i uzyskania odpowiedniej wytrzymałości, umożliwiającej wyjęcie go z formy. Etapy formowania metodą odlewania z gęstwy zobrazowano na Rysunku 2. 3
Rysunek 2. Etapy formowania metodą odlewania z gęstwy Główną zaletą odlewania z mas lejnych jest możliwość wytwarzania półproduktów o skomplikowanych kształtach i o grubości ścianki w zakresie od 3 do 12 mm, ze stosunkowo dużą gęstością czerepu oraz z możliwością wykorzystania ziaren o zróżnicowanej wielkości. Istotną zaletą są także niskie koszty wykorzystywanych w tej metodzie urządzeń. Odlewanie z masy lejnej, bez zewnętrznego ciśnienia, jest jednak najpowolniejszym sposobem formowania materiałów ceramicznych, który trwa najczęściej w zakresie od 1 do 10 godzin. 3. Surowce stosowane podczas pracowni technologicznej Kamionka Kamionka jest to tworzywo ceramiczne otrzymywane z glin z dodatkiem szamotu lub piasku kwarcowego. Wyroby kamionkowe są nieprzeźroczyste. Większość stołowych wyrobów kamionkowych jest odlewana ręcznie przy użyciu form gipsowych lub na toczkach ręcznych lub mechanicznych. Masa kamionkowa stosowana na ćwiczeniu jest surowcem o symbolu PK 141 z Zakładów Ceramicznych Bolesławiec Sp. z o.o. Tlenek cynku Tlenek cynku ZnO jest ciałem stałym barwy białej, nierozpuszczalny w wodzie. Topi się w temperaturze 1975ºC. Tlenek cynku ma lekkie działanie antybakteryjne i przyspiesza gojenie ran. Z tego powodu jest używany jako składnik maści i zasypek leczących rozmaite 4
choroby skóry. Tlenek cynku jest cennym składnikiem barwników i szkliw ceramicznych, stanowiącym między innymi składnik utrwalający barwę. Do najbardziej znanych zastosowań technicznych tlenku cynku należy zaliczyć przede wszystkim warystory wykonane z ZnO z domieszkami tlenków bizmutu, chromu, kobaltu, antymonu, manganu i innych. Warystory są to rezystory o nieliniowej charakterystyce napięciowo-prądowej. Dla małych napięć warystor wykazuje dużą rezystancję, gdy przekroczy ono pewną wartość, charakterystyczną dla danego typu warystora, jego rezystancja szybko maleje. Warystory stosowane są głównie jako zabezpieczanie różnorodnych urządzeń przed przepięciami. Stosowane są również do ochrony linii wysokiego napięcia. Tlenek cynku stosowany na ćwiczeniu jest proszkiem firmy POCH S.A. 4. Wykonanie ćwiczenia Ćwiczenie składa się z dwóch części. Pierwsza część ma na celu zapoznanie się z metodą odlewania z gęstwy do porowatych form gipsowych, która jest szeroko stosowana w wytwarzaniu tzw. ceramiki tradycyjnej. Ta część ćwiczenia składa się z przedstawionych poniżej etapów. 1) Przygotowanie ceramicznej masy lejnej na bazie kamionki o następującym składzie: ilość proszku ceramicznego: 100 g, co stanowi 57 % wag ceramicznej masy lejnej dodatek upłynniacza o handlowej nazwie Dispex A40: 0,5 % wag w stosunku do fazy stałej (dodawany w postaci wodnego 10% roztworu) rozpuszczalnik - woda destylowana: pozostałe 43% wag ceramicznej masy lejnej 2) Formowanie z masy lejnej odlewanie do form gipsowych (5 i 10 minut) 3) Pomiar lepkości metodą wypływu z kubku Forda Druga część ćwiczenia ma na celu zapoznanie się z metodą formowania poprzez prasowanie oraz oznaczenie podstawowych parametrów kształtek przed i po procesie spiekania w temperaturze 1000ºC. Druga część ćwiczenia składa się z przedstawionych poniżej etapów. 5
1) Przygotowanie granulatu składającego się z 40g ZnO i 5% spoiwa, którym jest 10% roztwór wodny poli(alkoholu winylowego), a następnie uformowanie kształtek metodą prasowania. 2) Pomiar skurczu liniowego kształtek z ZnO otrzymanych metodą prasowania. Skurczliwość spiekania jest to zmiana wymiarów wypalonej w określonej temperaturze próbki w stosunku do próbki przed wypaleniem. Skurcz liniowy należy obliczyć z następującej zależności: S l = (l o - l 1 ) / l o 100% gdzie: S l skurcz liniowy [%] l o i l 1 wymiar liniowy (długość kształtki) przed i po spiekaniu [mm] 3) Pomiar gęstości kształtek z ZnO w stanie surowym i po spiekaniu Gęstość pozorną kształtek należy obliczyć z następującej zależności: d p = m / V gdzie: d p gęstość pozorna kształtki [g/cm 3 ] m masa kształtki [g] V objętość kształtki [cm 3 ] Gęstość względną kształtek należy obliczyć z następującej zależności: d w = d p / d r 100% gdzie: d w - gęstość względna [%] d p - gęstość pozorna [g/cm 3 ] d r - gęstość rzeczywista ZnO wynosząca 5,61 g/cm 3 Literatura: 1) R. Pampuch, Współczesne materiały ceramiczne, AGH Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne, Kraków 2005 2) R. Pampuch, Materiały ceramiczne, Państw. Wydaw. Nauk., Warszawa 1988 3) K. E. Oczoś, Kształtowanie ceramicznych materiałów technicznych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów, 1996 4) J. Lis, R. Pampuch, Spiekanie, AGH Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne, Kraków 2000 6
Data: Wykonawcy: 1... 6 2.... 7 3. 8 4. 9 5. 10 SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA: CERAMIKA Skład ceramicznej masy lejnej [g]: Ilość masy kamionkowej:.. Ilość czystego upłynniacza Dispex A40:.. Ilość upłynniacza w postaci 10% wodnego roztworu:. Ilość wody:.. Ilość wody skorygowana o wodę zawartą w roztworze upłynniacza:. Tabela 1. Właściwości ceramicznej masy lejnej na bazie kamionki Surowiec Woda Ceramiczna masa lejna na bazie kamionki Czas wypływu z kubka Forda [s] pomiar 1: pomiar 2: pomiar 3: średnia z trzech pomiarów: pomiar 1: pomiar 2: pomiar 3: średnia z trzech pomiarów: Wskaż, w której formie (po jakim czasie odlewania) ścianki czerepu miały większą grubość. 7
kształtki po spiekaniu kształtki surowe Tabela 2. Skurcz liniowy kształtek z ZnO po spiekaniu w 1000ºC numery kształtek l o [mm] l l [mm] S l [%] średnia wartość S l [%] Tabela 3. Gęstość kształtek z ZnO surowych i po spiekaniu w 1000ºC Numer kształtki m [g] s[mm] l [mm] h [mm] V [mm] d p [g/cm 3 ] d w [g/cm 3 ] średnia wartość d w [g/cm 3 ] średnia wartość d w [g/cm 3 ] Wymień makroskopowe objawy spiekania proszków ceramicznych: 8