5. Kerámia porok feldolgozása

Átírás

1 5. Kerámia porok feldolgozása Menyhárd Alfréd, Szépvölgyi János BME Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék Iroda: H épület 1. emelet; Tel.:

2 Vázlat Mechanikai megmunkálás Őrlés Keverés Osztályozás Feldolgozás Porok előkészítése Finom porok jellegzetességei Formázás Szalagöntés Préselési, sajtolási technikák Nyers testek szárítása 2

3 Porok őrlése Őrlési mechanizmusok Térfogati őrlés Felületi őrlés 3

4 Porok őrlése Őrlőberendezések és alkalmazási területeik Típus Berendezés Alkalmazás Elsődleges törés Pofástörő Ércek, ásványok Kalapácsos törő Mészkő, laza agglomerátumok Másodlagos törés Hengeres törő Ércek,mezőgazdasági termékek Csapos törő Ásványok, élelmiszerek Forgómalom Kerámiai anyagok szárazőrlése Ang mill Ásványok szárazőrlése Finomőrlés Vibrációs malom Hőmérséklet és gázatmoszféra beállítása Sugármalom Finom porok eloszlatása Kolloid malom Porok finomőrlése folyadékban 4

5 Porok őrlése Golyós malom Forgó henger belsejében őrlőgolyók (WC, acél, Zr 2 O, Al 2 O 3 és SiO 2 ) Száraz Nem kell szárítás Nincs reakció a kerámia és a folyadék között Olcsóbb Nedves Alacsonyabb energia Nincs szállópor Gyorsabb Homogénebb Kisebb szemcseméret érhető el Henger Az őrlésre váró zagy (nedves, száraz) Gumiborítású hengerek Őrlődő térfogat ami minden forgáskor változik Ellenálló belső felület 5

6 Kumulatív tömeghányad (%) Porok őrlése Si szemcsék őrlése szemcseméret eloszlás 8 óra Kapott por 24 óra 48 óra 72 óra Ekvivalens gömbátmérő (µm) 6

7 Porok őrlése Koptatásos őrlés Kontrollált atmoszféra Por Belső szerkezet Őrlőközeg Probléma: az őrlőközegből származó szennyeződések eltávolítása nehéz 7

8 Porok őrlése Sugármalom 8

9 Porok őrlése Egyéb őrlési technikák Vibrációs őrlés (A por egy őrlőközeggel együtt egy tartályban helyezkedik el, melyet nagy frekvenciával ráznak, általában nedves körülmények között) Kalapácsos őrlés Hengeres törő-zúzó berendezés 9

10 Porok őrlése Szárazőrlő berendezések összehasonlítása Talkum 10

11 Fajlagos felület (m 2 /g) Porok őrlése Az őrlési technikák összevetése az elérhető szemcseméret szempontjából Turbómalom Bolygómalom Vibrációs malom Golyós malom Őrlési idő (óra) 11

12 Porok őrlése Az őrlési idő hatása (Al 2 O 3, vízszintes tengelyű golyósmalom) 12

13 Porok keverése Keverő berendezések Fluidágyas keverés * SZ szakaszos, F folyamatos 13

14 Porok keverése Szabályozott keveredés, társított részecskék 14

15 Társított részecskék típusai Héjszerkezet és adalékanyag beépülése 15

16 Kerámia porok osztályozása Centrifugális osztályozó 16

17 Feldolgozás A korszerű műszaki kerámiák több, mint 90%-a mikroméretű, vagy annál kisebb porból készül Az első lépések A porok előkészítése Alakadás, formázás Az alak rögzítése, hőkezelés Szinterelés Hűtés Utókezelés Minősítés 17

18 Porok előkésztése a formázáshoz A formázási módszertől függ Nedves formázási módszerek Porok eloszlatása alkalmas folyadékban (kolloidok) Adalékanyagokra van szükség Plasztifikáló-, stabilizálószerek kötő-és kenőanyagok Száraz porok sajtolása Adalékanyagokra van szükség Plasztifikálószerek, kötő-és kenőanyagok 18

19 Felületi adhéziós erők A felületi és egyéb vonzóerők viszonya µm alatt a felületi erők válnak uralkodóvá E vdw = A G d A Hamaker állandó * G(d) távolságtól és geometriától függő tényező * Az részecskék között fellépő kölcsönhatások összessége, a részecskék közötti anyag figyelmen kívül hagyásával 19

20 Felületi adhéziós erők Elektromos kettősréteg Diffúz kettősréteg Negatív töltésű felület Stern réteg A szemcsék magukkal viszik az ionjaikat Csúszási felület Távolság a részecske felületétől 20

21 Izoelektromos pont Az a ph érték, ahol a zéta-potenciál = 0 Az anionos és kationos forma egyenlő arányban van jelen A leginstabilabb rendszer (növekvő zéta-potenciál = stabilizálódás) Anyag Izoelektromos pont (ph) a-al 2 O 3 9-9,5 SiO ZnO 9 TiO CaCO PbO 10 MgO ZrO SnO

22 Részecskék közötti kölcsönhatás 22

23 Kolloid rendszerek stabilitása Cél: a kolloid állapot tartós fenntartása Stabilizálási módok: Stabilizálás elektromos kettősréteggel Elektrosztérikus stabilizálás Felületi töltés szabályozása 23

24 Elektrosztérikus stabilizálás Elektromos és térbeli stabilizálás együtt Lehetőségek Töltött részecske + semleges polimer molekula Semleges részecske + töltött polimer molekula Töltött részecske + töltött polimer molekula Poliakrilsav disszociációja Elektrosztatikus Sztérikus 24

25 Felületi töltésszabályozás Nagy koncentrációjú kolloid rendszerek Részecskék közel vannak Nagy taszítóerők Gyakorlatban az ionok felületi koncentrációja nem állandó A közeli részecskéken az ellenionok megkötődnek A felületi potenciál állandó marad Felületi töltésszabályozást eredményez 25

26 Koagulálás A legtöbb kolloid termikusan instabil Szuszpendált állapot feltétele Felületi potenciál-határ >> kt Ellenkező esetben A kolloid részecskék összetapadnak (koagulálnak) Stabilitási arány W = részecskék közötti ütközések száma koagulációkoz vezető ütközések száma 26

27 Kolloid szuszpenziók reológiája Általában nem Newtoni folyadékok 27

28 Szuszpenziók szerkezete és reológiája 28

29 Relaítv viszkozitás A szuszpenziók viszkozitása A viszkozitást befolyásoló tényezők A szuszpenzió szilárd anyag tartalma A szilárd anyag szemcseméret eloszlása A rendszer ph-ja Izoelektromos pont Szilárd szemcse térfogattörtje 29

30 Technológiai adalékanyagok Diszpergáló-és deflokkuláló-szerek Poláros molekulák Felületen adszorbeálódva növelik a felületi töltést Poláris, vagy disszociáló csoportok Taszító hatás, stabilizálódás Kötőanyagok A nyers formatest megfelelő szilárdságának biztosítása Időleges kötőhatás Kolloid rendszereknél a kötőanyagok megváltoztatják a folyási jellemzőket Plasztikusságot növelő adalékok Kenőanyagok 30

31 Diszpergáló szerek Kémiai diszpergáló szerek példák Kis molekulatömegű Nátrium-borát Nátrium-karbonát Nátrium-pirofoszfát Nátrium-szilikát Citromsav Ammónium-citrát Nagy molekulatömegű Poli-(akrilsav) Poli-(metakrilsav) Ammónium-poliakrilát Nátrium-poliakrilát Poli-(izobutén) Nátrium-poliszulfonát Nátrium-tartarát Nátrium-szukcinát 31

32 Kötőanyagok Példák Kötőanyag Vízoldhatóság Viszkozitás változás Poli-(vinilalkohol) + Kicsi-közepes Poli-(akrilamid) + Jelentős Poli-(etilénoxid) + Kicsi-közepes Poli-(metakrilsav) + Közepes-jelentős Metilcellulóz + Jelentős Nátrium-karboximetilcellulóz + Kicsi-jelentős Keményítő + Kicsi-közepes Dextrinek + Nagyon jelentős Nátrium-alginát + Jelentős Poli-(metilmetakrilát) - Közepes-jelentős Poliszilazán - Közepes-jelentős 32

33 Adalékcsomag - példa Granulálási adalékanyag Alkotó Tartalom (%) Funkció Poli-(vinilalkohol) 83,1 Kötőanyag Glicerin 8,3 Plasztifikálás Etilén-glikol 4,1 Kenőanyag Diszpergálószer 4,1 Diszpergálás Nem-ionos nedvesítőszer 0,2 Diszpergálás Habzásgátló 0,2 Habzásgátlás 33

34 Formázási eljárások Lecsapolásos öntés (drained casting) Folyékony és szilárd alkotók elválasztása Leggyakoribb módja a szalagöntés Állandó térfogatú formázási eljárások Gél-öntés Préselés (extrudálás) Fröccsöntés Sajtolás (CP, CIP, HP, HIP) 34

35 Lecsapolásos öntés Fő lépések a) A forma megtöltése nedves masszával b) A fal mellett a szerszám kiszívja a folyadékot c) A maradék massza kiöntése d) A termék eltávolítása Szakaszos technológia A szerszám porózus anyagú 35

36 Lecsapolásos öntés Gyakorlati példa Szerszám Termék Gázturbina égetőcellája (Garrett Turbine Engine Company) 36

37 Szalagöntési alapanyag Funkció Anyag Mennyiség (tf%) Alappor Alumínium-oxid 27,0 Oldószer Triklór-etilén 58,0 Diszpergálószer Halolaj 1,8 Kötőanyag Polivinil-butirál 4,4 Plasztifikálószer Poli-(etilénglikol) 4,8 Egyéb adalék 1,0 37

38 Szalagöntés Al 2 O 3 38

39 Szalagöntés Technológiai folyamatábra 39

40 Többrétegű kondenzátorok előállítása 40

41 Préselés Sebességprofilok 41

42 Együtt préselés Kompozitok készítése a) Nyers keverék készítése b) Formázás c) Laminálás d) Együtt préselés e) Kész kompozit 42

43 Sűrűség (%TD*) Sajtolás Szemcsék tömörödése * %TD az elméleti sűrűséghez viszonyított érték 43

44 Hideg izosztatikus sajtolás (CIP) Egyenletes összenyomás minden irányból a) Por betöltése b) Öntőforma behelyezése c) Hideg izosztatikus sajtolás d) A nyers forma kivétele 44

45 Melegsajtolás (HP) 45

46 Sajtolási kinetika Két élesen elkülöníthető tartomány 46

47 Sajtolási problémák Az idomokban keletkező repedések Felső pofa Felső pofa Lokális feszültség Fal menti súrlódás Repedés Termék Repedés Alsó pofa Alsó pofa 47

48 Nyers testek szárítása Alapfeladat: a nedvességtartalom egyenletes eltávolítása Elkerülendő: Repedések kialakulása Nem egyenletes alakváltozás (deformálódás) Sűrűség-gradiensek kialakulása Fő fázisok: 48