Электроизоляционная керамика

Министерство образования Российской Федерации
Уфимский Государственный Нефтяной Технический Университет

Кафедра автоматизации производственных процессов

Реферат на тему

«Электроизоляционная керамика»

Выполнил
ст. гр. АЭ-01-01 Швыткин К.Е.
Проверил Прахова Т.Ю.

Уфа 2004

СОДЕРЖАНИЕ
стр.
1. Классификация и основные свойства электроизоляционной
керамики 2
2. Основные сырьевые материалы для производства электро-изоляционной керамики 6
3. Технология производства электрокерамических материалов
и изделий 9
4. Механическая обработка и металлизация керамических из-
делий 18
Приложения 22
Список литературы 31
1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРО-ИЗОЛЯЦИОННОЙ КЕРАМИКИ
Электроизоляционная керамика представляет собой материал, получаемый из формовочной массы заданного химического состава из ми­нералов и оксидов металлов. Любая керами­ка, в том числе и электроизоляционная,— мате­риал многофазный, состоящий из кристалличе­ской, аморфной и газовой фаз. Ее свойства зависят от химического и фазового составов, макро- и микроструктуры и от технологических приемов изготовления./1/
В электрической и радиоэлектронной про­мышленности керамическая технология широко применяется для изготовления диэлектричес­ких, полупроводниковых, пьезоэлектрических, магнитных, металлокерамических и других из­делий. В настоящее время, особенно с прони­кновением в быт электронной техники, из электроизоляционной керамики изготавливаются десятки тысяч наименований изделий массой от десятых долей грамма до сотен килограм­мов и размерами от нескольких миллиметров до нескольких метров. В ряде случаев изделия из керамики, главным образом из электрофарфора, покрываются гла­зурями, что уменьшает возможность загрязне­ния, улучшает электрические и механические свойства, а также внешний вид изделия./14/
Электрофарфор является основным кера­мическим материалом, используемым в произ­водстве широкого ассортимента низковольт­ных и высоковольтных изоляторов и других изоляционных элементов с рабочим напряже­нием до 1150 кВ переменного и до 1500 кВ постоянного тока./8/
Преимущества электрокерамики перед дру­гими электроизоляционными материалами со­стоят в том, что из нее можно изготовлять изоляторы сложной конфигурации, кроме то­го она имеет широкий интервал спекания. Сы­рьевые материалы мало дефицитны, технология изготовления изделий относительно проста./15/ Электрофарфор обладает достаточно высокими электроизоляционными, механическими, тер­мическими свойствами в области рабочих тем­ператур; он выдерживает поверхностные раз­ряды, слабо подвержен старению, стоек к воздействию атмосферных осадков, многих хи­мических веществ, солнечных лучей и радиаци­онных излучений./8/
В связи с передачей энергии высоким и сверхвысоким напряжением на дальнее рас­стояние резко возросли требования к качеству высоковольтных изоляторов, главным образом к механической прочности./12/
В последние годы выпускаются надежные высокопрочные изоляторы оптимизированной конструкции из электрофарфора высокого ка­чества. Известно, что прочность фарфора при сжатии в 10—20 раз выше прочности при из­гибе или растяжении.
По назначению компоненты фарфора раз­личаются на пластичные и отощающие, а по роли при термической обработке — на плавни и кристаллорбразующие.
Механическая прочность фарфора в значительной степени зависит от механических свойств и кристаллической структуры отощающего материала, а также образованных в процессе обжига сетчатых волокнистых микроструктур кристаллической фазы (в частности, игл муллита). Стеклофаза в структуре фарфора ухудшает механическую прочность, так же как и наличие пор, неблагоприятно влияющих на распределение напряжений.
Наравне с обычным фарфором налажен выпуск фарфора с повышенным содержанием муллита, фарфор кристобалитовый и корундовый. В последнем кремнезем в шихте частично заменен корундом./13/
Большинство корундовых кристаллов при обжиге остается в исходной форме и благодаря высокому сопротивлению упругой деформации образует прочный каркас микроструктуры. Незначительная часть растворяется в стек-лофазе и является причиной возникновения вторичного муллита. Как следует из табл. 1 (см. приложения), механическая прочность корундового фарфора значительно выше прочности обычного фарфора.
Наиболее перспективным является корундовый фарфор./16/
Следует ожидать, что традиционные спо­собы производства, т. е. литье изоляторов в гипсовые формы, а для больших опорных изо­ляторов — склейка отдельных элементов до обжига, заменяется пластическим прессовани­ем, выдавливанием массивного цилиндра или трубки с дополнительной обработкой на копи­ровальных станках, а также изостатическим прессованием заготовок с последующей авто­матической обработкой. Использование послед­него способа производства изоляторов суще­ственно сократит технологический цикл и объ­ем трудозатрат./5/
По ГОСТ 20419-83 (соответствует СТ СЭВ 3567-83) «Материалы керамические электро­технические» эти материалы по их составу клас­сифицируются следующим образом
Группа 100 материалы на основе щелоч-
ных алюмосиликатов
(фарфоры)
Подгруппа силикатный фарфор, со-
110 держащий до 30% А12О3;
Подгруппа силикатный фарфор тон-
110.1 кодисперсный;
Подгруппа силикатный фарфор прес-
111 сованный;
Подгруппа силикатный фарфор вы-
112 сокой прочности;
Подгруппа глиноземистый фарфор
120 (содержащий 30—50 %
А1203);
Подгруппа глиноземистый фарфор
130 высокой прочности, со­- держащий свыше 50 % А1203.
Группа 200 материалы на основе си­- ликатов магния (стеати-
ты)
Подгруппа стеатит прессованный;
210
Подгруппа стеатит пластичный;
220
Подгруппа стеатит литейный
220.1
Группа 300 материалы на основе ок­-
сида титана, титанатов, станнатов и ниобатов;
Подгруппа материалы на основе ок-
310 сида титана;
Подгруппа материалы на основе ти-
340 танатов стронция, вис-­ мута, кальция;
Подгруппа материалы на основе ти-
340.1 таната кальция;
Подгруппа материалы на основе
340.2 стронций-висмутового ти-
таната;
Подгруппа материалы на основе
350 титаната бария с εr до
3000;
Подгруппа материалы на основе ти-
350.1 таната бария, стронция,
висмута;
Подгруппа материалы на основе ти-
351 таната бария с εг свыше
3000;
Подгруппа материалы на основе ти-
351.1 таната бария, станната и цирконата кальция.
Группа 400 материалы на основе алюмосиликатов магния (кордиерит) или бария (цельзиан), плотные
Подгруппа кордиерит;
410
Подгруппа цельзиан.
420
Группа 500 материалы на основе алюмосиликатов магния, пористые
Подгруппа
510 материалы на
Подгруппа основе алюмосиликатов
511 магния, пористые термо
Подгруппа стойкие;
512
Подгруппа высококордиеритовый
520 материал, пористый;
Подгруппа высокоглиноземистый 530 материал, пористый, тер­- мостойкий.
Группа 600 глиноземистые материа-­ лы (муллитокорундовые)
Подгруппа глиноземистый матери-
610 ал, содержащий 50 —65 % А1203;
Подгруппа глиноземистый матери-
620 ал, содержащий 65 —80 % А1203;
Подгруппа глиноземистый матери-
620.1 ал, содержащий 72 —77 % А1203.
Группа 700 высокоглиноземистые ма­- териалы (корундовые)
Подгруппа высокоглиноземистый
780 материал, содержащий
80—86 % А12О3;
Подгруппа высокоглиноземистый
786 материал, содержащий
86—95 % А12О3;
Подгруппа высокоглиноземистый
795 материал, содержащий
95—99 % А12О3;
Подгруппа высокоглиноземистый
799 материал, содержащий свыше 99 % А1203./1/
Электроизоляционные керамические мате­риалы по назначению классифицируются со­гласно табл. 2 (см. приложения)./16/
Если поры керамики сообщаются между собой и поверхностью изделия, то она назы­вается «пористой», т. е. имеющей «открытые» поры.
Все керамические материалы более или менее пористые. Даже в обожженной до мак­симальной плотности керамике объем пор (за­крытых) составляет 2—6 %, а в пористых ма­териалах— 15—25 %.
Открытая пористость измеряется значени­ем водопоглощения, т. е. количеством воды, по­глощаемым материалом до насыщения и отне­сенным к массе сухого образца.
В тех случаях, когда водопоглощение об­разца не превышает 0,5 %, для определения пористости часто применяется качественный метод прокраска образцов в 1 %-ном спирто­вом растворе фуксина. Наличие открытой пористости определяется по проникновению кра­сителя в толщу образца.
Для характеристики плотности керамики употребляют параметр — кажущаяся плотность, ее значение 1800—5200 кг/м3./13/
2. ОСНОВНЫЕ СЫРЬЕВЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПРОИЗВОД-СТВА ЭЛЕКТРОЛЯЦИОННОЙ КЕРАМИКИ
Сырьевые материалы для производства электрофарфора. Для изготовления электро­фарфора основными сырьевыми материалами служат огнеупорные глины, кварц, пегматиты, полевые шпаты, каолины, глинозем, ашарит и циркон (для производства соответственно гли­ноземистого, ашаритового и цирконового фар­фора), мел и доломит (в качестве плавней, главным образом, в глазури) и др.
Огнеупорные глины и каолины представ­ляют собой тонкозернистые (от коллоидной дисперсности до размеров частиц менее 2 мкм) водные алюмосиликаты; для них характерна слоистая структура.
Основными составляющими тонкозернистой фракции глинистых пород являются минералы каолиновой группы с химическими формулами А12О3 x x2SiO2 • 2Н2О (каолинит), А12О3 • 2SiO2 • 4Н2О (галлуазит) и др. Для производства вы­соковольтного фарфора отечественными заво­дами используются глины и каолины, химиче­ский состав которых и потери по массе при прокаливании приведены в табл. 3 и 4 (см. приложения).
Кварцевые материалы. Кристаллический кремнезем SiO2 является одним из основных компонентов фарфоровой массы, который вво­дят в состав шихты в виде кварцевого песка или жильного кварца. Размер гранул кварце­вых песков составляет 0,05—3 мм. Кристалли­ческий кремнезем существует в нескольких по­лиморфных формах; три основные — кварц, тридимит и кристобалит. В свою очередь кварц и кристобалит имеют α- и β-модификации, тридимит — α-, β- и γ-модификации. Стабиль­ными формами являются β-кварц (при темпера­туре ниже 573 °С), α-тридимит (870—1470 °С) и α-кристобалит (1470—1710°С). Переход из одной модификации кремнезема в другую со­провождается изменением объема, плотности и других параметров. При производстве электро­керамики используются пески и жильный кварц, химический состав которых приведен в табл. 5 (см. приложения).
В зависимости от месторождения кварце­вые пески имеют примеси (Fe2O3, TiO2, A12O3, CaO, MgO и др.), наиболее нежелательные из которых Fe2O3 и ТiO2 (допустимое содержание не более 0,15 %), СаО и MgO (не более 0,2 %).
Полевые шпаты представляют собой без­водные алюмосиликаты, содержащие щелочные (Na+, К+) и щелочно-земельные (Са2+) катио­ны. Основные виды применяемых в керамиче­ском производстве полевых шпатов калиевый (микроклин) с приблизительной формулой К2О•А12O3•6SiO2, натриевый (альбит) Na2O•Al2O3•6SiO2, кальциевый (анортит) СаО•А12О3•2SiO2 и бариевый (цельзиан) ВаО•А12О3•2SiO2. Полевые шпаты всегда содержат примеси оксидов железа, магния, кальция и др./18/
Лучшим для изоляционной керамики по­левым шпатом является микроклин. Из-за повышенного содержания Na2O в полевом шпа­те снижаются температура обжига, вязкость стеклофазы керамики и существенно ухудша­ются его электрофизические свойства. Чем больше соотношение К2О и Na2O в полевом шпате, тем лучше свойства керамики.
В связи с ограниченностью запасов высо­кокачественного полевого шпата для производ­ства высоковольтных изоляторов используют пегматиты.
Пегматиты представляют собой крупнозер­нистые кристаллические породы — смесь полевого шпата с кварцем. Химический состав пег­матитов и полевых шпатов приведен в табл. 6 (см. приложения).
Глинозем — безводный оксид алюминия Al2О3 — представляет собой порошок со сред­ними размерами сферических гранул 50— 200 мкм. Глинозем широко применяется как основной компонент электро­фарфора и ультрафарфора (на основе корун­да) и в качестве самостоятельного материала для изготовления высоковольтных, высокочас­тотных изоляторов, конденсаторов, деталей вакуум-плотных узлов (корпусов предохраните­лей, колб натриевых ламп, корпусов полупро­водниковых вентилей, обтекателей антенн, плат для интегральных схем и др.).
Безводный оксид алюминия существует в нескольких кристаллических модификациях, из которых самой устойчивой является α-А12О3 (корунд). Эта модификация характеризуется малым tgδ≈2•10-4, высоким ρ≈1014 Ом•м, высокой теплопроводностью и стойкостью к термоударам, наибольшей плотностью (3999 кг/м3).
Две другие модификации γ-А12О3 и β-А12О3, последняя из которых представляет собой со­единение глинозема со щелочными и щелочно­земельными оксидами, имеют меньшую плот­ность (соответственно 3600 и 3300—3400 кг/м3) и более высокие значения tgδ (≈50•10-4 и 1000•10-4). Технический глинозем представляет собой в основном γ-А12О3 с частичным содержанием гидратов глинозема.
При нагреве γ-Аl2О3 переходит в α-А12О3 с уменьшением объема на 14,3 процента. Для уменьше­ния усадки керамики при обжиге технический глинозем предварительно обжигают при темпе­ратуре 1450—1550 °С.
Спектрально чистый корунд плавится при 2050 °С, а изделия из него при небольшой ме­ханической нагрузке могут быть использованы даже при температуре до 1800°С.
Для производства электроизоляционной ке­рамики применяются технический глинозем (шесть сортов), электроплавленный корунд и глинозем особой чистоты в зависимости от на­значения керамики.
Кальцит — карбонат кальция СаСО3, пред­ставляющий собой плотный кристаллический агрегат, называется мрамором, а при тонко­дисперсной структуре — мелом. При нагреве СаСО3 разлагается с выделением СО2 соглас­но реакции СаСО3 → СаО + СО2↑. Скорость раз­ложения зависит от скорости подъема темпе­ратуры и от давления воздуха. При нормальных условиях температура разложения состав­ляет порядка 900 °С.
Для производства электроизоляционной ке­рамики в основном используют мел Белгород­ского месторождения с содержанием СаСО3 не менее 98 %.
В керамике карбонат кальция использует­ся как основной компонент кристаллических фаз титанатов, станнатов и цирконатов каль­ция, анортита, волластонита, а также входит в состав стеклофазы различных электрокерамик и глазурей.
Ашарит — борат магния 2MgO•B2O3•H2O является стеклообразующим оксидом. Его твер­дость по Моосу — 4. Он добавляется в керами­ческие массы в количестве 2—3 %. Ашарит в состав ашаритового фарфора вводится в виде предварительно приготовленного спека из гли­нозема, ашарита и полевого шпата в количест­ве до 60 % массы, для улучшения электроизо­ляционных свойств фарфора.
Циркон ZrO2•SiO2 (цирконовая руда) име­ет твердость 7—8; плотность его около 4700 кг/м3. Руду обогащают, в результате получен­ный циркон содержит ZrO2 не менее 60 % и Fe2O3 не более 0,15 %. Циркон используется в качестве основного компонента в стойкой к тер­моударам керамике и в виде части кристалли­ческой фазы цирконового фарфора. В послед­нем случае циркон вводится в состав фарфора вместо кварца, кристаллическая фаза керами­ки в таком случае представлена цирконом и муллитом. Химический состав сырья, содержа­щего цирконий, приведен в табл. 7 (см. приложения)./13/
Сырьевые материалы для производства других видов керамики. Тальк разных место­рождений имеет состав, близкий к 3MgO•4SiO2•H2O или 4MgO•5SiO2•H2O, с незначи­тельным количеством других оксидов. Лучшие разновидности талька отличаются малым со­держанием СаО (от 0,2 до 1 %) и Fe2O3 (от 0,3 до 0,8 %). Тальк должен иметь однородный состав без прослоек, а потери массы при про­каливании не должны превышать 5—7 %.
Химический состав тальков, используемых для производства стеатитов, приведен в табл. 8 (см. приложения).
Диоксид титана — мелкодисперсный поро­шок белого цвета с желтоватым оттенком. Для природного и полученного химическим путем диоксида титана характерен полиморфизм.
Технические данные диоксида титана при­ведены в табл. 9, химический состав — в табл. 10 (см. приложения)./17/
3. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОКЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ
В общем случае технологический процесс производства электрокерамических изделий можно представить схемой рис. 1 (см. приложения). Для каж­дого конкретного случая процесс будет не­сколько видоизменяться, однако можно отме­тить общие для большинства случаев основные этапы производства приготовление формовоч­ной массы; оформление заготовок изделий; сушка, глазурование и обжиг изделий. В неко­торых случаях обожженные изделия могут подвергаться дополнительной механической об­работке./5/
Приготовление формовочной массы. Керамическая формовочная масса характеризуется размерами и распределением частиц; от этого зависят плотность упаковки, влагосодержание и прочность заготовки до обжига, технологиче­ские свойства материала, а также характери­стики обожженных керамических изделий.
Измельчение компонентов является одним из основных процессов при приготовлении фор­мовочных масс. Как правило, твердые мине­ральные компоненты массы сначала подверга­ют грубому измельчению в щековых дробилках и на бегунах, затем просеивают на виброситах для получения заданной фракции, далее про­изводят мокрый или сухой тонкий помол на ро­тационных шаровых мельницах периодического или непрерывного действия. Сверхтонкий по­мол производят в струйных мельницах с ис­пользованием сжатого воздуха.
Степень измельчения отдельных компонен­тов массы зависит от требований, предъявляе­мых к материалу, размеров изделий и приме­няемых способов оформления, сушки и обжига. При измельчении обычно происходит смешение компонентов массы. Степень измельчения про­веряют ситовым и микроскопическим анализа­ми, а в лабораторных условиях — седиментационным. Для удаления частиц железа измель­ченную массу пропускают через магнитный се­паратор.
Обезвоживание водного шликера после мокрого помола производится на фильтр-прес­се под давлением 0,8—3 МПа. Масса, остаю­щаяся между пластинами фильтра в виде кор­жей, в зависимости от назначения проходит различную обработку. При изготовлении масс для пластичной формовки коржи поступают для переминки в вакуум-прессы, с помощью ко­торых обеспечивается хорошее извлечение воздуха, окончательная переминка массы и выдавливание ее через мундштук, придающий заго­товкам определенный профиль. Заготовки ис­пользуются для формовки изделий пластичными методами.
Для приготовления водного литейного шли­кера коржи распускаются в шликерных мешалках в воде с добавкой электролита и доводят­ся до нужной влажности. После вакуумирования шликер подается на литье. Безглинистые массы или массы с небольшим содержанием глинистых веществ (например, конденсаторные массы с содержанием около 3 % бентонита) не подвергают обезвоживанию на фильтр-прессе, а используют как литейный шликер после вакуумировки.
При приготовлении масс, предназначенных для изготовления изделий методом прессова­ния, коржи с добавкой отходов формовочной массы подвергают сушке и дроблению. Затем масса просеивается, пропускается через маг­нитный сепаратор, вводятся связующие вещества, производится тщательное перемешивание и приготовляются гранулированные (гранулы размером 0,5—2 мм отделяют от пыли на соот­ветствующих ситах) пресс-порошки.
В качестве связующего и пластифицирую­щего вещества в глинистых массах служит во­да, а в безглинистых массах — растворы орга­нических веществ, например раствор поливини­лового спирта, бакелитовой смолы, воскообразные вещества — парафин, церезин и др.
Для приготовления гра­нулированного пресс-порошка широко приме­няют распылительные сушилки. При этом вод­ный шликер с влажностью 35—50 % распыля­ют форсункой или вращающимся диском в ба­шенной сушилке для подсушки и получения гранул заданной влажности. Шарообразные гранулы (размерами преимущественно 0,3— 0,5 мм) имеют более высокую текучесть, чем порошок, получаемый измельчением сухой мас­сы в мельницах ударного действия.
При применении распылительных сушилок достигается существенная экономия за счет ис­ключения из производственного цикла ряда операций, снижения трудовых и эксплуатаци­онных затрат.
При приготовлении шликера для горячего литья в металлические формы под давлением масса предварительно синтезируется, дробится, измельчается в барабанных или вибрационных мельницах до заданной дисперсности (обычно удельная поверхность 350—800 м2/кг). Затем вводится парафин с добавкой олеиновой кис­лоты в обогреваемую до 70—80 °С лопастную, пропеллерную или иную мешалку.
Ориентировочное количество связующего, состоящего из 95—97 % парафина и 3—5 % олеиновой кислоты, в шликерах составляет око­ло 10 —15%.
Перед заливкой в формы горячий шликер вакуумируют в аппаратах различной конст­рукции./3/
Оформление заготовок изделий. В зависи­мости от состава, технологических особенностей приготовления массы, конфигурации, габаритных размеров и масштаба производства изде­лий в основном применяются следующие спо­собы изготовления заготовок пластичное фор­мование, прессование из пресс-порошков, литье водного шликера в гипсовые формы, горячее литье под давлением в металлические формы и высокотемпературное прессование./2/
Пластичное формование относится к важ­нейшим методам оформления электротехниче­ских изделий. Этот метод в основном применя­ется при массовом производстве различных фарфоровых изоляторов, иногда для изготов­ления специальных изделий, стеатитовых, кордиеритовых, конденсаторных, глиноземистых и др., в том числе и из масс, не содержащих глины, но пластифицированных органическими связующими.
При изготовлении изделий пластичным формованием керамическую массу подвергают тщательной обработке, многократной перемеш­ке в ленточном прессе, вакуумированию.
Сплошные толстостенные трубчатые кера­мические изделия оформляются из пластичной массы с помощью мощных вакуум-прессов. Окончательная конфигурация заготовок дости­гается пластичным формованием во вращаю­щихся гипсовых или металлических формах и механической обработкой резанием. Этот ме­тод применяется при изготовлении крупногаба­ритных высоковольтных изоляторов и подоб­ных им изделий. Трубки, оси, стержни с одним или несколькими каналами и другие изделия с постоянным поперечным сечением изготавлива­ют из пластичной массы способом протяжки через фильерные мундштуки на поршневых винтовых, гидравлических или шнековых прес­сах. Этот способ является основным для оформ­ления заготовок различной конфигурации при изготовлении конденсаторов, резисторов и дру­гих изделий.
Изделия, не имеющие форму тел вращения, при небольших выпусках изготовляются мето­дом ручной лепки в гипсовых формах.
Прессование из пресс-порошков является одним из распространенных и производитель­ных способов изготовления полностью оформленных изделий заданной конфигурации или заготовок для последующей механической об­работки изделий.
В зависимости от конфигурации прессуе­мых изделий, степени пластичности пресс-по­рошка и требований к изделиям прессование можно осуществлять различными способами. Так, широкий ассортимент установочных дета­лей из стеатита и форстерита, высоковольтные конденсаторы и другие изделия изготовляются сухим прессованием с применением малоплас­тичных пресс-порошков с неводными органиче­скими (парафин, смесь парафина с керосином и др.) или гидроорганическими (водный рас­твор поливинилового спирта) связующими. Для малопластичных пресс-порошков в СССР ис­пользуют 2—5 %-ный водный раствор поливи­нилового спирта или 6—14 %-ный раствор па­рафина в бензине или керосине.
Штампование применяется главным обра­зом для установочных деталей различной кон­фигурации из высокопластичных материалов с большим содержанием глин (фарфора, радио­фарфора, ультрафарфора и т. д.) и добавкой гидроорганических пластификаторов.
Изостатическое прессование основано на всестороннем обжатии засыпанного в эластич­ную форму пресс-порошка или предварительно оформленной каким-либо способом заготовки жидкостью или сжатым газом. Изостатическое прессование в резиновой форме путем прило­жения гидростатического давления жидкости обычно называют гидростатическим прессова­нием. Этот способ применяется для оформле­ния заготовок некоторых видов изоляторов, пьезокерамических элементов и других подоб­ных изделий. Он обеспечивает получение плот­ных и однородных заготовок.
Высокотемпературное прессование приме­няется преимущественно для получения неко­торых специальных изделий простой формы. Оно заключается в спекании керамического ма­териала под давлением при высокой темпера­туре в нагревостойких формах, при этом оформ­ление и обжиг изделий совмещаются в единой операции. Исходный материал применяется в виде порошков или гранул. Давление, темпе­ратура и продолжительность прессования оп­ределяются составом материала, размером и конфигурацией изделий и т. п.
Литье водных шликеров в пористые формы является одним из самых старых способов оформления керамических изделий. Этот способ широко применяется и сейчас, главным обра­зом для изделий из специальных видов кера­мики — для крупногабаритных керамических конденсаторов, антенных обтекателей, а также различных изделий сложной формы.
При заливке шликера в пористую, чаще всего гипсовую форму, вследствие поглощения влаги стенками формы на ее поверхности об­разуется достаточно плотный и прочный слой керамической массы.
Различают два основных способа отливки изделий. При сливном способе после образо­вания на внутренней стороне формы слоя мас­сы требуемой толщины оставшийся шликер вы­ливается из формы. При наливном способе от­фильтрованная масса заполняет всю полость формы. Для оформления заготовок с внутрен­ней полостью наливным способом в форму вставляется пористый сердечник.
Горячее литье под давлением применяется преимущественно для изготовления изделий сложной формы с точными размерами из не­пластичных материалов и толщиной стенки не более 10 мм. Литье производится на специаль­ных аппаратах в металлические формы при температуре 70—80 °С и избыточном давлении 0,1—1 МПа.
В форму заливается вакуумированный шликер, который поступает под давлением в полость металлической формы и хорошо ее за­полняет. Затвердевание шликера происходит при охлаждении формы. Метод оформления из­делий очень трудоемок.
Обточка необожженных керамических изделий широко применяется при изготовлении изоляторов и других изделий, имеющих форму тел вращения.
Заготовки для последующей обточки полу­чают методом протяжки (экструзии) пластич­ной массы. В некоторых случаях заготовки мо­гут быть получены и другими способами — изостатическим прессованием, шликерным литьем и т. п.
Для обточки используют горизонтальные и вертикальные токарные станки, снабженные специальными резцедержателями. На обточку материал подается либо в подвяленном (влаж­ная обточка), либо в сухом состоянии (сухая обточка). В некоторых случаях производится обточка заготовок, прошедших предваритель­ный (утильный) обжиг./5/
Сушка, глазурование и обжиг электрофар­форовых изделий. Сушка. Электрофарфоровые изделия, полученные методами протяжки, прессования и другими методами и прошедшие обточку на станках, содержат 17—18 % влаги; несколько меньшую влажность имеют заготов­ки установочных изделий. Для удаления влаги до остаточной влажности 0,2—2,0 % фарфоро­вые изделия подвергаются сушке в сушильных камерах различной конструкции. Чем больше габаритные размеры и толщина стенки изоля­торов, тем меньше должна быть остаточная влажность./6/
Существуют следующие виды сушки изде­лий конвективная, при которой изделия на­греваются теплым воздухом, уносящим испа­ряющуюся влагу; радиационная, при которой лучистая энергия поступает от электрических нагревателей; радиационно-конвективная, в ко­торой сочетается конвективный и радиацион­ный нагрев. Этот способ наиболее эффективен при сушке крупных и средних изоляторов. Сушка токами промышленной и высокой час­тоты применяется для провялки крупногаба­ритных влажных заготовок.
Для сушки используются сушильные агре­гаты периодического и непрерывного действия. Первые, главным образом, используются для крупногабаритных изоляторов. Для изделий среднего габарита и мелких в основном при­меняют сушилки непрерывного действия (кон­вейерные, туннельные) с большей производи­тельностью.
По способу нагрева изделий существуют сушилки конвективные, радиационные и конвективно-радиационные, по способу использо­вания газов — однократного и многократного насыщения, а также использующие воздух в замкнутом цикле, по способу движения изде­лий в сушильных камерах и каналах — туннельные (с периодическим перемещением из­делий) и конвейерные (с непрерывным гори­зонтальным или вертикальным). Горизонталь­ная конвейерная сушилка представляет собой камеру длиной 8—10, шириной 3—5 и высо­той 3—4 м, вертикальная конвейерная сушил­ка — камеру длиной и высотой 5—6 м. Туннельные сушилки непрерывного действия представляют собой камеру длиной 20 — 25, высотой 2,5—3,5 м. Их ширина зависит от ко­личества параллельно идущих в туннеле ваго­неток с изоляторами.
Глазурование. Электрокерамические изде­лия покрывают тонким (0,1—0,3 мм) слоем гла­зури (стекловидный покров), что значительно повышает их механические свойства, изолиру­ет от воздействия окружающей среды, улучша­ет внешний вид и электроизоляционные свой­ства, обеспечивает самоочистку изоляторов в процессе эксплуатации.
Химический процентный состав (по массе) глазури, используемой при изготовлении изоля­торов в электротехнической промышленности SiO2—66,0—72,2; А12О3—11,7—17,2; RO—5,7—7,7; R2O—4,2—5,4. Для приготовления коричне­вых глазурей обычно вместо части кварцевого песка вводят фарфоровый бой и красители, со­держание которых в шихтовом составе состав­ляет 16,0—35,4 %.
Красители для глазурей применяются для придания глазури определенного цвета. В ка­честве красителей обычно применяются оксиды железа, хрома, марганца и др., чаще всего — хромистый железняк, марганцевая руда и пиро­люзит. Содержание красителей в глазури со­ставляет 8—13 %.
Химический процентный состав коричневой глазури SiO2—65,7—68,3; А12О3(ТiO2)—13,4—13,8; Fe2O3—2,1—2,3; СаО —3,8—5,1; MgO—3,7—4,7; Na2O—1,2—2,1; К2О—1,9—2,2; Сr2О3— 2,6—3,1. Сырьем для этих глазурей служат природные материалы.
В радиотехнической и электронной про­мышленности для глазурования широко исполь­зуются стеклоэмали различных марок с темпе­ратурой размягчения 560—710°С. Такие стек­лоэмали на основе силиката свинца с добавкой оксидов металлов BaO, Na2O, K2O и др. харак­теризуются высокими электроизоляционными показателями, приведенными в табл. 11 (см. приложения).
От качества глазурного покрытия зависит механическая прочность глазурованных изделий (наличие микротрещин и других дефектов мо­жет служить причиной снижения этого пока­зателя). Возникновение начальных трещин в глазури зависит от степени гладкости ее поверхности и от обеспечения состояния сжатия глазури на керамическом изделии. Значения на­пряжений в глазурованных изделиях и их рас­пределение зависят от условий обжига и ох­лаждения, от соотношения значений ТКl кера­мики и глазури, от степени развития промежу­точной зоны на контакте керамика — глазурь. Наиболее существенный фактор — различие в значениях ТКl керамического материала и гла­зури. Возникновение цека и отскакивание гла­зури также зависит от значения ТКl. Глазурь только тогда повышает механическую проч­ность керамики, когда она находится в состоя­нии сжатия. Когда ТКl глазури больше ТКl ке­рамики, создается напряжение растяжения, и механическая прочность керамики снижается. Так, при ТКl глазури (4,5—5,5)/10-6 К-1 проч­ность при разрыве глазурованного фарфора со­ставляет 140—130 МПа, а при ТКl глазури (6—7) • 10-6 К-1 — 120—70 МПа.
Высушенные заготовки изоляторов перед обжигом глазуруются методами полива, окуна­ния или распыления глазурной суспензии плот­ностью 1400—1700 кг/м3. Глазурование в за­висимости от размеров заготовок изоляторов осуществляют с применением станков кару­сельного типа, конвейерных машин и подъем­ных устройств для крупных изоляторов.
В проходных и подвесных изоляторах элек­трическое поле по поверхности изоляторов не­равномерно, а в увлажненных и загрязненных изоляторах степень неравномерности резко уси­ливается и приводит к частичным разрядам, а иногда и к перекрытию. В ряде случаев для выравнивания электрического поля, а также для защиты от радио- и телевизионных помех применяют изоляторы полностью или частично покрытые полупроводящей глазурью. Удельное поверхностное сопротивление полупроводящей глазури составляет 102—109 Ом.
Для выравнивания электрического поля (особенно при покрытии внутренней поверхно­сти проходных изоляторов) более благоприятно низкое сопротивление полупроводниковой гла­зури, но при этом должны быть учтены осо­бенности конструкции изолятора. Кроме того, при низком сопротивлении глазури вероятнее возникновение теплового пробоя по глазури. Обычно верхний предел определяют экспери­ментальным путем в зависимости от термоус­тойчивости, сопротивления и условий эксплуа­тации изолятора. При этом под термоустойчи­востью подразумевается температура, при ко­торой удельное поверхностное сопротивление глазури уменьшается в 2 раза по сравнению с сопротивлением при температуре, принятой нормальной. Чем выше эта температура, тем выше термоустойчивость глазури.
Качество изоляторов с полупроводящей глазурью при их эксплуатаци в наружных уста­новках ухудшается вследствие эрозии проводя­щего компонента в местах контакта с металли­ческой арматурой. Износоустойчивость глазурных покрытий зависит от химического состава./6/
Полупроводящая глазурь представляет со­бой композиционный материал преимуществен­но с электронным характером электропровод­ности и состоит из 20—40 % (по массе) элект­ропроводящих кристаллических компонентов и 60—80 % стеклообразующих оксидов. В качест­ве электропроводящих компонентов использу­ют Fe2O3, TiO2, Cr2O3, ZnO, SnO2, Sb2O3 и др. оксиды и их твердые растворы или химические соединения, а в качестве стеклообразующих компонентов обычно применяют оксиды SiO2, А12О3, CaO, MgO, BaO и др.
Полупроводящую глазурь приготовляют различными способами. По одному способу электропроводящие и стеклообразующие окси­ды измельчают и смешивают помолом мокрым способом. Полученный шликер необходимой консистенции наносят на поверхность заготов­ки изолятора по принятой технологии глазурования.
При применении других способов электро­проводящий компонент синтезируют отдельно в виде химического соединения или твердого раствора путем обжига. Полученный продукт измельчают мокрым способом в известных про­порциях, затем осуществляют помол со стекло-образующими компонентами.
Применяемая в электротехнической про­мышленности полупроводящая глазурь для изо­ляторов имеет следующий процентный хими­ческий состав (по массе) F2O3—7,9; А12О3—13,4; SiO2—52,5; TiO2—20,2; CaO—1,07 MgO—1,2; R2O—2,4; потери при прокаливании—2,18. Из такой смеси совместным мокрым помолом в шаровых мельницах приготовляется глазур­ная масса, которая наносится на поверхность заготовки изолятора. Обжиг изоляторов произ­водят в туннельной печи или в горне при тем­пературе 1320—1420 °С. Удельное поверхност­ное сопротивление имеет значение 10—80 МОм, термостойкость составляет 60—70 К, механи­ческая прочность при статическом изгибе гла­зурованных стандартных образцов повышается примерно на 15—20 %.
Опубликовано большое количество работ с описанием получения полупроводящей глазури. Используя оксиды металлов в качестве прово­дящего компонента глазури ТiO2—10÷40, Fe2O3—50÷10, Сг2О3—40÷50% (по массе) и стеклообразующие оксиды SiO2 — 73÷77, А12О3— 12÷17, MgO —2÷9, CaO—2÷8 % (по массе), совместным смешением можно получить глазури с удельным сопротивлением 10—1000 МОм. Сопротивление глазури может быть уменьшено за счет уменьшения концентрации ТiO2. Полупроводящая глазурь на базе окси­дов металлов Fe2O3—16, ТiO2—7,2, SnO2—13,6 в качестве электропроводящего компонента и оксидов металлов SiO2—44,1, А12О3—8,6, CaO— 2,9, MgO—1,7, R2O—2,2 % (по массе) в каче­стве стеклообразующего компонента может иметь удельные поверхностные сопротивления 3,4—12,2 МОм, термостойкость 70 К.
При этом следует иметь в виду, что с изменением температуры обжига изоляторов сопро­тивление глазури вследствие кристаллизации изменяется в широких пределах.
Температура об­жига, °С 1270 1320 1350 1380
Удельное поверх­ностное
сопро­тивление, МОм 12,0 3,4—8 18—23 1500—3500
Японская фирма «Нихон Гайси» в качестве электропроводящего компонента полупроводя­щей глазури рекомендует смесь оксидов SnO2 и Sb2O5, а в качестве стеклообразующего компонента — обычную глазурную массу (SnO2—85÷94 и Sb2O5—6÷15 %, в молярных долях). Приготовление глазури осуществляется следу­ющим образом. Компоненты SnO2 и Sb2O5 смешивают и обжигают при 1000—1300°С в окислительной атмосфере; 25—45 % (по мас­се) обожженного материала измельчают до среднего размера частиц 44 мкм, смешивают с 55—75 % (по массе) обыкновенной глазурной массы для изоляторов и обжигают в течение 2 ч в окислительной атмосфере при 1200—1430 °С. Полученный спек измельчают до среднего раз­мера частиц 44 мкм. Далее, не менее чем 70 % спека смешивают с глазурной массой (не бо­лее чем на 30 %). Глазурование производят по принятой в керамической промышленности тех­нологии. Обжиг глазурованных заготовок изо­ляторов осуществляют в восстановительной ат­мосфере согласно принятому режиму обжига. Наилучшие результаты при испытании подвес­ных изоляторов были получены при технологи­ческом процессе приготовления полупроводя­щей глазури, описанном далее. Соотношение электропроводящих оксидов SnO2—88, Sb2O5— 12 % (в молярных долях). Смешение компонен­тов с частицами размером не более 44 мкм производится в фарфоровых барабанах, и та­кая смесь для образования твердого раствора замещения обжигается в электрической печи при 1150°С в течение 2 ч. Электропроводящий порошок в количестве 35 % (по массе) смеши­вают с 65 % глазурной массы для изоляторов и обжигают в электрической печи в течение 2 ч при 1350°С. Спек измельчают. Удельное по­верхностное сопротивление такого спека 5—12 МОм. Спек измельчают до среднего размера частиц 44 мкм. Производственная полупрово­дящая глазурь содержит 80 % измельченного порошка спека и 20 % каолина или глины. Гла­зурованная поверхность имеет слегка серова­тый цвет, сопротивление 26—42 МОм. Изоля­торы выдерживают 16—16,5 кВ без пробоя в условиях сильного загрязнения и увлажнения. По опубликованным данным такие глазури об­ладают высокой коррозионной стойкостью по отношению к электролитам и высокой термо­стойкостью (более 100 К).
Обжиг фарфоровых изделий является важ­ным, в ряде случаев завершающим процессом производства. В процессе обжига, преимущест­венно в стадии нагрева, удаляется вода, выде­ляются газы, происходят полиморфные превращения материала, изменяются размеры и плот­ность, образуются кристаллические и аморфные фазы и происходят другие процессы. Обжиг и охлаждение ведутся при заданных температурном, газовом и гидравлическом режимах с учетом габаритов изделий и конструкции приме­няемых печей. Для обжига фарфоровых изде­лий используют пламенные печи периодического и непрерывного действия, для малогабаритных изделий и изделий специального назначения — электрические печи периодического и непрерыв­ного действия с использованием силитовых и других нагревателей и на основе дисилицида молибдена, а иногда нагревателей с защитной средой. Обжиг керамических изоляторов явля­ется наиболее дорогостоящей операцией техно­логического процесса приготовления фарфора. Для обжига крупногабаритных изоляторов также используют пламенные печи периодичес­кого действия, круглые (горны), прямоуголь­ные, одно-, двух- и трехэтажные, со стационар­ным или выдвижным подом. Рабочий объем круглых печей, используемых в производстве, составляет от нескольких до 120 м3. Нагрев пе­чей производится за счет тепла от сгорания жидкого или газообразного топлива; продукты сгорания поступают в рабочую камеру и обо­гревают находящиеся в горне изоляторы; ох­лаждение производится воздухом, проходящим через камеру с обожженными изоляторами. Об­жиг изделий в пламенных печах периодического действия производится в капселях, устанавли­ваемых на поду печи. Обжиг в больших круг­лых печах требует большого расхода топлива и затрудняет механизацию процесса загрузки изоляторов.
За последние годы начали применять прямоугольные камерные печи объемом до 80 м3 с высоким подом, особенно для обжига однотип­ных крупногабаритных заготовок изоляторов стержневого типа, применение которых позво­ляет механизировать и трудоемкие технологи­ческие процессы, повысить производительность труда, сократить цикл обжига, снизить удель­ный расход энергии, автоматизировать режим и среду обжига.
Печи непрерывного действия дают возмож­ность бесперебойного выпуска готовой продукции при меньшем расходе топлива. Они значи-тельно экономнее периодических печей. Условия труда обслуживающего персонала значи­тельно лучше, чем при работе на периодических печах.
Туннельные печи дают возможность для механизации и автоматизации процесса обжига. По этим причинам туннельные печи широко применяются для обжига большого ассортимен­та изоляторов и являются наиболее перспек­тивными. Для обжига фарфоровых изоляторов используются туннельные печи нескольких типов длиной 140, шириной до 2,3 и высотой до 2,2 м. Обжигаемые изделия устанавливаются в вагонетках, футерованных огнеупорным ма­териалом. Режим обжига (температурные, га­зовые и гидравлические параметры) по всей длине печи контролируется контрольно-измери­тельными приборами и во времени остается по­стоянным.
Основой правильного ведения процесса об­жига является соблюдение температурного и газового режима (создание нейтральной, окис­лительной или восстановительной среды). Ре­жим обжига выбирается в зависимости от свойств материалов и размеров изделий. Фак­тическая температура обжига, изделий может несколько отличаться от оптимальной, что не отражается на качестве изделий (в пределах интервала спекшегося состояния). Этот интервал является важной производственной характеристикой электрокерамического материа­ла для разных материалов он находится в пределах 10—80 К. Температура обжига для различных керамик составляет 1100—2000 °С и более./3/
4. МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА И МЕТАЛЛИЗАЦИЯ КЕРА-МИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ
Механическая обработка. В современной технике находят широкое применение керами­ческие изделия, соответствующие жестким тре­бованиям по точности размеров, форме и чи­стоте обработки поверхности. Обеспечить вы­полнение таких требований способами обычной керамической технологии не представляется возможным. Изготовленные изделия всегда имеют незначительные отклонения размеров от заданных, обусловленные некоторой неста­бильностью усадки в процессе сушки и обжи­га. Значения усадки зависят как от состава материалов, так и от некоторых технологиче­ских операций./7/
Для получения керамических изделий, имеющих точные размеры и высокую чистоту поверхности, используют механическую обработку обожженных изделий путем шлифова­ния. Для шлифования в основном используют шлифовальные круги и реже порошки из аб­разивных материалов алмаза, нитрида бора, карбида кремния, электрокорунда и др. (см. приложения, табл. 12).
Механическая обработка керамических изделий всеми видами шлифования осущест­вляется абразивными инструментами из кар­бида кремния и алмаза различной зернистости. Для шлифовки применяют шлифовальные кру­ги, головки, бруски и сегменты соответст­венно шлифуемой поверхности.
Максимальная рабочая скорость абра­зивного инструмента обусловливается типом связующего материала. Так, для алмазного шлифовального круга на керамическом связую­щем рабочая окружная скорость составляет 25 м/с, а на фенолформальдегидном — до 35 м/с.
Для обработки керамических изоляторов, обладающих высокой твердостью и хруп­костью, наиболее эффективным является ал­мазный инструмент на металлическом и фе­нолформальдегидном связующем. Алмазный абразивный инструмент на металлическом свя­зующем используется в основном для черно­вого шлифования керамики, а на фенолфор­мальдегидном связующем — для окончатель­ного, чистого шлифования.
Алмазные круги на металлическом связу­ющем имеют более длительный срок службы. Для черновой обработки керамических изде­лий используют крупнозернистые абразивные круги, а для окончательной чистовой обработ­ки поверхности применяют тонкозеристые аб­разивные инструменты.
Для шлифования керамических изделий используют обычные металлообрабатывающие станки токарно-винторезные со шлифовальной головкой, токарно-карусельные, шлифовально-карусельные, универсально-шлифовальные и др. Крепление керамических изделий на станке производится при помощи специальной технологической оснастки, обеспечивающей прочное и безопасное положение детали в работе.
Режимы шлифования керамических изделий зависят от свойств керамического материала, от показателей используемого абразивного инструмента и устанавливаются экспериментально. При черновой обработке изделий в большинстве случаев толщина слоя, снимаемого шлифовкой за один проход, составляет примерно 0,25 мм, а при чистовой — 0,005— 0,025 мм.
Для охлаждения в процессе шлифования применяют 2—5 %-ный водный раствор кальцинированной соды, который подают со ско­ростью 20 л/мин.
При круглом шлифовании наружной по­верхности изоляторов цилиндрической формы обрабатываемый изолятор и шлифовальный круг вращаются в одну сторону, а при обра­ботке круглых внутренних поверхностей кера­мических изделий шлифовальный круг и обра­батываемая деталь вращаются в противопо­ложные стороны. Шлифование торцевых по­верхностей цилиндрических изделий может производиться на плоскошлифовальном станке с использованием соответствующей оснаст-ки./10/
Металлизация керамики. Металлические покрытия на поверхности керамики могут слу­жить электродами конденсаторов, испытуемых образцов, витков катушки индуктивности или промежуточным слоем для соединения кера­мики с металлической арматурой посредством пайки.
Металлические покрытия керамики можно осуществлять методами вжигания металлосодержащей краски (пасты), испарения и кон­денсацией металла (серебра, золота, никеля, палладия и др.) в вакууме, химического осаж­дения, шоопирования и др.
Металлические покрытия должны обла­дать хорошей электропро-водностью (особенно для высокого напряжения высокой частоты) при малой толщине электродного слоя. Для таких покрытий чаще всего применяют благо­родные металлы (в основном серебро и пал­ладий), устойчивые к окислению. Покрытия, предназначенные для последующей пайки с металлической арматурой, производятся из тугоплавких металлов в сочетании с различ­ными добавками.
Вжигание паст — наиболее распростра­ненный способ металлизации. Основным ком­понентом металлосодержащей пасты является окись серебра, азотнокислое серебро или тон­кодисперсный порошок металлического сереб­ра. Для спекаемости покрытия и хорошей адгезии по отношению к поверхности керамики в пасту вводятся 5—7 % (по массе) плавней в виде борнокислого свинца, оксида висмута или других соединений висмута. Компоненты пасты смешиваются с органическими связую­щими, представленными раствором канифоли в скипидаре или смесью скипидара с касторо­вым маслом до получения однородной массы. Паста, изготовляемая промышленностью на специализированных заводах, содержит 55— 70 % (по массе) металлического серебра.
Нанесение серебряной пасты на керамиче­ские изделия производится вручную кисточкой, пульверизатором, окунанием, а в массовом производстве — шелкографией. Нанесенные покрытия сушат при температуре 80—150 °С в термостатах или в проходных сушилках. Об­жиг производится при температуре 750—850 оС в муфельных или проходных печах в воздуш­ной среде. В процессе обжига покрытия в ин­тервале температур 200—400 °С, т. е. при вы­горании органической связки, подъем темпера­туры должен быть замедленным во избежание вспучивания покрытия и образования трещин на металлизированной поверхности. Режим вжигания серебряной пасты устанавливается экспериментально. Он зависит от нагревостойкости керамики, размеров и конфигурации металлизируемого изделия. Длительность про­цесса может составлять 5—35 ч.
Толщина однократно металлизируемого слоя серебра составляет 3—10 мкм. В случае необходимости для получения покрытия с бо­лее толстым слоем деталь металлизируют 2 — 3 раза, проводя последовательно вжигание каждого нанесенного металлизированного слоя. Толщина металлизирующего слоя на из­делиях среднего размера составляет 40 — 50 мкм.
Металлизация составами на основе туго­плавких металлов применяется для различных вакуум-плотных керамических изделий из фар­фора, стеатита, форстерита и корундовой ке­рамики. В металлизирующий состав входят различные добавки марганец, железо, крем­ний, оксиды металлов — А12О3, ТiО2, Сr2О3, карбиды, бориды и специальные плавни.
Металлизация различных типов керамиче­ских материалов производится по схеме очист­ка изолятора от загрязнений, обезжиривание, приготовление и нанесение металлизирующего состава, вжигание покрытия, зачистка, нанесе­ние второго металлизирующего состава, вжи­гание второго покрытия и контроль качества покрытия.
Для приготовления металлизирующих паст используют материалы, получаемые с завода-изготовителя в виде тонкомолотых порошков с удельной поверхностью 4000—5000 см2/г для молибдена и 5000—7000 см2/г для марганца.
Компоненты металлизирующей пасты, взя­тые в заданном соотношении, смешиваются с раствором коллоксилина в изоамилацетате или водно-спиртовый раствор полиамидной смолы. Смешивание компонентов производится в валковой мельнице со стальным барабаном до получения однородной пасты.
Процесс вжигания металлизирующих по­крытий производится в печах с защитной га­зовой средой при температуре 1200—1350 °С с выдержкой при конечной температуре 20—30 мин. Режим вжигания устанавливается опытным путем.
Вжигание покрытия проводится в печах периодического действия или толкательных пе­чах непрерывного действия в увлажненной или азотно-водородной среде при отношении азота к водороду 2 1 или 3 1. Керамические материалы, содержащие в своем составе до­статочное количество стеклофазы (фарфор, стеатит и др.), можно металлизировать па­стами на основе тугоплавких металлов без специальных добавок, а керамические матери­алы, содержащие менее 5 % стеклофазы, не­обходимо металлизировать пастами, в состав которых входят компоненты, образующие жид­кую фазу в процессе вжигания покрытия.
В табл. 13 (см. приложения) приведены составы для ме­таллизации вакуумплотных керамических ма­териалов.
Для увеличения толщины покрытия и об­легчения пайки на молибденовое покрытие методом вжигания или гальваническим путем наносится слой никеля (второе покрытие)./2/

ПРИЛОЖЕНИЯ

Контроль

Очистка от песка

Рис. 1. Технологическая схема производства электрокерамических
изделий

Таблица 1. Фазовый состав и основные свойства электрофарфора

Показатель
Фарфор

твёрдый
с повышенным содержанием муллита
кристобалитовый
корундовый

Состав, %

Муллит
25-28
35-48
23-25
10-12

Кремнезем
10-12
1-5
23-25
—

Кристобалит
—
—
20-25
—

Корунд
—
0-5
—
35-40

Стеклофаза
60-62
55-60
28-33
45-50

Основные свойства

Прочность при изгибе, МПа
70
120
110
170-220

Ударная вязкость, кДж/м2
1,5
2,0
2,2
2,5

Электрическая прочность, МВ/м
30
35
35
35

Таблица 2. Основные классы электротехнических материалов соот-ветственно применению

Класс
Применение
Вид керамики
Характерные особенности

1
Изоляторы для ус-тройств высокого и низкого напряжения, низкой частоты
Электрофарфор и глиноземистый фарфор
Хорошие электромеханические свойства, возмож-ность изготовления изоляторов любых размеров

2
Низкочастотные и вы-сокочастотные изоля-торы и конденсаторы малой ёмкости
Стетит, ультрафарфор, корундо-муллитовая керамика, цельзиановая керамика
Небольшое значение εr

3
Конденсаторы высо-кого и низкого напря-жения, высокой и низ-кой частоты
Рутиловая, перовскитовая, титано-циркониевая керамика, стронций-висмутовый титанат, алюминат-лантановая керамика
Высокое и очень вы-сокое значение εr, за-данное или не регла-ментированное зна-чение ТКε

4
Термодугостойкие узлы искрогаситель-ные камеры, основа-ния нагревательных элементов и проволоч-ных резисторов, изоля-торы в вакуумных приборах
Кордиерит, литий-содержащая, высокоглиноземистая и цирконовая кера-мика
Высокая механи-ческая стойкость при нагреве и стойкость к термоударам

5
Высоконагревостойкие изоляторы
Керамика на основе чистых оксидов алю-миния, магния, бе-риллия и т. д.
Высокие электри-ческие свойства при высокой температу-ре, высокая тепло-проводность

6
Резисторы
Смесь керамики с са-жей или графитом; керамика на основе смешанных кристал-лов оксида цинка и оксидов металлов с переменной валент-ностью
Повышенная и высо-кая электропровод-ность, линейная и нелинейная вольт-амперные харак-теристики

Таблица 3. Огнеупорные глины

Место-рож-дение
Содержание оксидов, %
Потери при прокали-вании, %

SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
K2O
Na2O

Часовъяр-ское
49,6-60,74
27,17-36,15
0,77-1,97
0,24-1,12
0,64-1,32
1,42-2,99
0,19-0,54
9,86-7,35

Дружков-ское
47,0-57,0
32,4-37,0
0,81-1,32
0,72-1,38
0,16-0,50
1,18-3,48
11,46-9,50

Торжков-ское
45,5-55,1
28,9-37,3
0,43-2,73
0,46-2,30
0,14-1,81
0,04-1,59
0,24-0,96
17,70-11,06

Таблица 4. Каолины

Место-рож-дение
Вид коалина
Содержание оксидов, %
Поте- ри при про-кали-вании, %

SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
K2O
Na2O

Прося-новское
Нео-бога-щён-ный
65,0-69,7
21,7-26,4
0,84-1,0
0,4-0,7
0,08-0,3
0,27-0,83
—
7,9-4,9

Обо-гащён-ный
45,5-47,4
37,4-39,8
0,3-0,94
0,15-1,3
0,12-0,56
0,15-0,77
0-0,68
14,0-13,2

Глухо-вецкое
Нео-бога-щён-ный
65,3-69,6
22,2-26,2
0,2-0,5
0,32-0,45
—
0,13-0,15
—
8,7-7,9

Обо-гащён-ный
46,0-47,9
37,1-40,4
0,21-0,95
0,13-0,5
0-0,53
0-0,4
0-0,003
13,7-13,1

Кыштым-ское
Нео-бога-щён-ный
69,0
21,1
0,95
0,65
0,32
—
—
6,99

Обо-гащён-ный
45,7-49,2
36,3-38,2
0,5-2,2
0,46-1,6
0,28-0,76
0,39-0,80
0-0,59
13,7-12,1

Балай-ское
Обо-гащён-ный
45,5-51,1
34,2-37,2
0,6-0,8
0,3-0,88
0,1-0,2
—
0,7-0,96
—

Ангрен-ское
Нео-бога-щён-ный
54,6-57,1
30,2-32,3
0,1-0,8
0,7-1,2
0,28-0,3
—
0,28
—

Таблица 5. Кварцевые материалы

Сырьё
Содержание оксидов, %
Потери при прока-лива-нии, %

SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
K2O
Na2O

Кварцевый песок

Любе-рецкий
99,5-98,6
0,06-0,8
0,1-0,2
0,1-0,2
0,04-0,1
0,1
—
0,08-0,02

Авдеев-ский
96,6-98,8
2,7-0,7
0,1-0,2
0,2-0,6
0,1-0,2
—
—
0,1-0,3

Талшин-ский
99,3-99,7
0,3-0,2
0,04
0,06
0,03
—
0,04-0,1
0,1-0,4

ГДР
99,7-99,8
0,1
0,01
0,02
0,03
—
—
0,13-0,15

Кварц жильный

Нарын-Кунтин-ский
90,7-99,4
0,4-0,6
0,0-0,6
0,0-0,8
0,0-0,9
2,7-0,0
0,0-0,2
0,26

Таблица 6. Полевой шпат и пегматит

Сырьё
Содержание оксидов, %
Поте-ри при прока-лива-нии, %

SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
K2O
Na2O

Пегматит

Глубо-чан-ский (Тока-ров-ский)
71,3-75,4
14,8-16,2
0,4-0,6
0,6-1,2
0,1-0,4
4,6-5,3
3,6-4,5
1,0-1,5

Прила-дож-ский
65,6-77,7
13,1-19,3
0,1-1,0
0,6-2,3
0-0,7
4,1-5,9
3,6-5,1
0,8-1,6

Елисе-евский
70,7-75,6
13,3-17,1
0,3-0,8
0,5-1,3
0-0,2
3,0-4,9
2,9-5,3
0,6-1,5

Алапаев-ский
65,5-74,4
13,9-19,7
0,2-0,4
0,2
0,1
7,9-12,0
1,9-3,5
—

Полевой шпат

Норвеж-ский
65-74,7
19,2-20,2
0,1-0,3
—
0,2
11,1-12,8
3,3-3,7
3,4-3,5

Применя-емый в США
65-68,6
17,3-19,9
0,1-0,3
0-0,5
0,03
10,5-12,0
2,7-3,3
3,6-3,9

Применя-емый в Швеции
64,0
19,4-
0,1
0,08
—
14,0
1,9
7,3

Применя-емый в ФРГ
68,5
17,6
0,3
0,2
0,1
10,6
0,7
15,8

Таблица 7. Циркониевое сырьё

Сырьё, место-рожде-ние
Содержание оксидов, %
Потери при про-калива-нии, %

SiO2
K2O
TiO2
ZrO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO

Бадделе-ит, Бразилия
0,69-0,19
—
—
96,84-98,9
0,13
0,37-0,82
0,21-0,06
—
0,98-0,28

Циркон-фавас светло-коричне-вый, Бразилия
15,35
—
0,51
81,64
0,9
1,00
—
—
0,63

Циркон-фавас аспидно-серый, Бразилия
2,05
—
0,56
92,87
0,7
3,50
—
—
0,52

Циркон-фавас чистый, Бразилия
0,48
—
0,48
97,19
0,4
0,92
Сле-ды
—
0,38

Циркон, Шри Ланка
33,86
—
—
64,25
—
1,08
—
—
—

Циркон, Швеция
32,44
—
—
65,76
—
0,42
0,09
—
0,46

Циркон, Австра-лия
30,00
—
2,08
65,42
1,2
0,44
0,14
0,22
—

Циркон, Россия (Ильмен-ские горы)
34,79
—
0,91
57,95
2,88
1,94
1,85
—
0,15

Циркон, Россия (Вишнё-вые горы)
32,63
0,48
1,22
63,53
0,37
0,88
0,61
0,07
0,35

Циркон, Россия (Жданов)
34,09
1,08
Нет
59,93
1,4
1,44
0,12
—
—

Таблица 8. Тальки

Тальк
Содержание оксидов, %
Потери при прока-лива-нии, %

SiO2
Al2O3+TiO2
Fe2O3
CaO
MgO

Онот-ский
60,22-62,28
0,01-1,63
0,41-1,09
Следы-0,5
31,02-32,99
5,9-4,92

Шабров-ский (флотиро-ванный)
57,66-58,65
Следы-0,87
2,81-3,65
Следы-0,19
31,95-32,5
7,06-6,25

Миасский
55,3-56
0,43-2,14
7,3-8,1
0,19-1,1
28,5-29,5
5,6-5,3

Алгуй-ский
68,4
0,25
0,27
0,08
25,9
3,8

Кирги-тейский
60,7-63,8
0,04-0,09
0,09-0,3
0,36
31,8
4,6-4,7

Таблица 9. Показатели диоксида титана различных модификаций

Моди-фикация
Сингония
Кажу-щаяся плот-ность, кг/м3
Твёр-дость по Мо-осу
Показатель прелом-ления света по двум направ-лениям
Тем-пера-тура пере-хода в ру-тил, 0С
TKl, 10-7 К-1
εr

Ng*
Np**

Анатаз
Тетраго-нальная
3900
5-6
2,55
2,49
915
0,47-0,82
31

Брукит
Ромби-ческая
3900-4000
5-6
2,70
2,58
753
1,45-2,29
78

Рутил
Тетраго-нальная
4200-4400
6
2,90
2,61
>1000
0,71-0,92
89* 173**

* Максимальное значение
** Минимальное значение
Таблица 10. Технические требования к диоксиду титана различных марок

Марка
Содержание оксидов, %
Нераство-римый остаток, %

TiO2
SiO2
Fe2O3
SO3
P2O5

Конден-саторная
≥99,0
0,28
≤0,10
≤0,05
0,5
—

Пигмент-ная
94-98
—
—
—
0,02-0,05
—

Лигатур-ная
≥99,5
—
0,13
0,04
0,05
0,5

Специ-альная
≥99,5
0,2
0,1
0,04
0,05
0,3

Таблица 11. Электрофизические показатели стеклоэмалей

Номер стекло-эмали
104 tgδ при
ρ, Ом·м, при 2000С
TKε, 10 К-1
εr
Температура, 0С

200С
2000С
Размягче-ния
Каплеобра-зования

7
11
20
1010
70
10
560±10
820±10

272
10
12
1013
70,5
9
750
—

278-2
18
20
1013
70±5
9
710±10
840±10

43
23
25
5·1010
65±5
17
620±10
800±10

25
27
28
5·1010
77±5
—
—
—

Таблица 12. Основные физико-химические свойства образца

Материал
Плотность, кг/м3
Твёрдость по Моосу
Микротвёрдость, ГПа
Модуль упругости, ГПа
ТКl, 10-6 К-1

Алмаз
3490-3540
10
10
90
0,9-1,45

Кубический нитрид бора
3440-3490
9,9
9,25
72
2,1-4,0

Карбид кремния
3200
9,0
3,3-3,6
36,5
6,5

Электрокорунд
3950
8,5
2,0-2,1
—
7,5

Таблица 13. Составы для металлизации керамических материалов

Керамический материал
Компоненты пасты
Состав пасты в %( по массе)

Стеатитовая керамика
Молибден Железо
98 2

Форстеритовая керамика
Молибден Марганец
96 4

Коррундомуллитовая керамика УФ-46
Молибден Марганец
80 10 20

Корундовая керамика
Алюмосиликатный плавень* Молибден Марганец Борид молибдена Глазурь
10 74 15 5 6

* Добавляется при 100% марганца
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Электротехнические материалы Справоч­ник/В. Б. Березин, Н. С. Прохоров, Г. А. Рыков, А. М. Хайкин. М. Энергоатомиздат, 1993. 504 с.
2. Никулин Н. В., Кортнев В. В. Оборудова­ние и технология производства электротехнических конструкций. М. Энергия, 1999. 416 с.
3. Белинская Г. В., Выдрик Г. А. Технология электровакуумной и радиотехнической керамики. М. Энергия, 1997. 336 с.
4. Материаловедение и проблемы энергетики Пер. с англ./Под ред. Г. Ф. Мучника. М. Мир, 1992. 576 с.
5. Технология электрокерамики/Г. Н. Маслен­никова, Ф. Я. Харитонов, Н. С. Костюков, К. С. Пи­рогов. М. Энергия, 1994. 224 с.
6. Масленникова Г. Н., Харитонов Ф. Я., Дубов И. А. Технологический расчет в керамике. М. Стройиздат, 1994. 224 с.
7. Балкевич В. Л. Техническая керамика. М. Стройиздат, 1944. 255 с.
8. Прозрачные поликристаллические керами­ческие материалы/ Под ред. Г. А. Выдрика, Т. В. Со­ловьевой. Обзорная информация. Сер. Электротех­нические материалы. М. Информэлектро, 1995. 49 с.
9. Попильский Р. Я., Пивинский Ю. Е. Прес­сование порошковых керамических масс. М. Метал­лургия, 1993. 176 с.
10. Абразивная и алмазная обработка мате­риалов Справочник/Под ред. А. Н. Резникова. М. Машиностроение, 1997. 392 с.
11. Исследование и разработка материалов для реакторов термоядерного синтеза. М. Наука, 2000. 183 с.
12. Синтез и исследование материалов на ос­нове силикатов и других тугоплавких соединений. Тр. МХТИ им. Д. И. Менделеева. Вып. 123. М. 1993. 298 с.
13. Лазарев В. Б., Соболев В. В., Шпалыгин И. С. Химические и физические свойства про­стых оксидов. М. Наука, 1993. 254 с.
14. Костанян К. А., Геворкян X. О. Керами­ческие и стеклянные диэлектрики в электронной технике. Ереван Изд-во АН Арм. ССР, 1994, 204 с.
15. Электрические изоляторы/Под ред. Н. С. Костюкова. М. Энергоатомиздат, 1994. 296 с.
16. Самсонов Г. В. Тугоплавкие соединения Справочник по свойствам и применению. М. Металлургиздат, 1993. 398 с.
17. Самсонов Г. В., Кулик О. П., Полищук В. С. Получение и методы анализа нитридов. Киев Наукова думка, 2000. 317 с.
18. Андреевский Р. А., Спивак И. И. Нитрид кремния и материалы на его основе. М. Металлур­гия, 1998. 136 с.