Mőszaki Anyagtudományi Kar Kerámia-és Szilikátmérnöki Tanszék. gyakorlati segédlet

Átírás

1 MISKOLCI EGYETEM Mőszaki Anyagtudományi Kar Kerámia-és Szilikátmérnöki Tanszék KERÁMIATAN I. gyakorlati segédlet : Porcelán termékek mázazása, a máz lineáris hıtágulási együtthatójának meghatározása Összeállította: Dr. Simon Andrea Géber Róbert

2 1. A gyakorlat célja A gyakorlat során a hallgatók négy lépésre bontva megismerik a finomkerámia-ipari termékek gyártástechnológiai folyamatát, ehhez kapcsolódó számítási feladatokat végeznek el. A negyedik gyakorlaton a mázazás technológiáját, illetve a mázak lineáris hıtágulási együtthatójával kapcsolatos számításokat ismerhetik meg. A laborgyakorlat helye: a Portechnológiai Laboratóriumának oktatóterme. A gyakorlathoz szükséges: számológép (nem telefon), periódusos rendszer, saját jegyzet. 2. Ajánlás A gyakorlat másodéves Anyagmérnök BSc képzésben résztvevı nappali hallgatók tantervében szerepel a Kerámiatan I. címő tantárgy keretein belül. A gyakorlat elvégzéséhez általános kémiai és matematikai ismeretek, továbbá a szilikátipari alapanyagok összetételének ismerete szükséges. 3. Elméleti alapok A porcelán termékeket a zsengéléssel készítik elı a következı technológiai lépésre, a mázazásra. A máz egy olyan bevonat, amely a termék felületén, az égetési folyamat alatt képzıdik. A máz funkciói: jobb mechanikai tulajdonságok, esztétika, vegyi ellenállóképesség, felületmódosítás, értéknövelés. A mázazáshoz tiszta felülettel rendelkezı, porózus, nyers vagy zsengélt féltermék szükséges, amit néhány másodpercre a máziszapba merítenek. Ennyi idı alatt a cserép magába szívja az iszap nedvességtartalmát, miközben a szárazanyag a cserép felületére tapad. A kialakuló mázréteg vastagsága a cserép porozitásától, az iszap sőrőségétıl és a merítés idejétıl függ. A mázazás az alábbi módszerekkel mehet végbe: merítés, ráfolyatás, porlasztás, elektrosztatikus módszer, 2

3 mázazás elıtt viaszolás/utána szivacs. A mázazott cserép szerkezetét az 1. ábra mutatja. A máz SiO 4 tetraéderekbıl álló, üveges fázist alkot. Az átmeneti rétegben a fel nem oldódott mázalkotók, és a cserép kristályos alkotói találhatók. A máz és a cserép eltérı összetételébıl és hıtágulásából adódó feszültségeknek az átmeneti rétegben kell kiegyenlítıdniük. 1. ábra. Mázas cserép szerkezete A mázakat alkotó oxidokat Seger három csoportba sorolta: módosító oxidok: Na 2O, K 2O, CaO, MgO, PbO, ZnO, átmeneti oxidok: Al 2O 3, Fe 2O 3, rácsképzı oxidok: SiO2, B2O3, P2O5. A Seger-képlet az oxidokat mólarányban tartalmazza, és a bázikus-savanyú-semleges oxidok arányát mutatja: RO - m R 2O 3 - n RO 2. A Seger-képletben balra kerülnek a módosító oxidok (R 2O vagy RO), középre a átmeneti oxidok (R 2O 3), jobbra pedig a rácsképzı oxidok (RO 2) mólszámai. A módosító oxidok mólszám összegének minden esetben egynek kell lenni, amennyiben ez a feltétel nem teljesül, akkor arányosan a képletet egyre kell rendezni. Az égetés során a hımérséklet változásával az anyagok változtatják kiterjedésüket. Lineáris hıtágulásról akkor beszélünk, ha vizsgált test hosszához képest annak többi méretét, kiterjedését elhanyagolhatjuk. A lineáris hıtágulási együttható tehát a szilárd anyag hımérsékletváltozásra adott hosszméret változásának a mértéke, melyet a következı összefüggéssel írhatunk le: 1 L 1 α = ;[ K ] (1) L T ahol: α: lineáris hıtágulási együttható; [K -1 ] L: a próbatest eredeti hossza; [mm] L: a próbatest hosszváltozása; [mm] T: a hımérséklet változása; [K] 3

4 A kerámia cserép és máz az égetés során eltérı fizikai tulajdonságaik (cserép: szilárd, máz viszkózus folyadék) miatt egymástól eltérı módon viselkednek. Abban az esetben, ha a két alkotórész hıtágulási együtthatója nincs megfelelıen megválasztva és összehangolva, akkor a késztermékben feszültség keletkezik. A máz és a kerámia cserép között feszültségmentes, ideális állapot nem jöhet létre, mivel a máz a cserép különbözı mélységeiben eltérı kémiai, krisztallográfiai és fizikai tulajdonságokkal rendelkezik. A máz magas hımérsékleten olvadék formájában van jelen a rendszerben. A hőlés kezdetekor a cserép összehúzódása nem okoz gondot, azonban alacsonyabb hımérsékleten a máz is fokozatosan kezd megdermedni. Ettıl kezdve a mindkét anyagnak már együtt kell zsugorodnia. Ha ez a feltétel nem teljesül, akkor a következı esetek következhetnek be: Ha a máz hıtágulási együtthatója nagyobb, mint a kerámia cserépé, akkor a máznak többet kellene zsugorodnia. Mivel ezt a cserép nem engedi, így a máz anyagában húzófeszültség alakul ki. Ha a húzófeszültség nagysága meghaladja a máz mechanikai szilárdsága és rugalmassága által még elviselt értéket, megszőnik a máz egyenletes felülete, folytonossága, és hajszálrepedések jelennek meg a felületen. Ha a máz hıtágulási együtthatója kisebb, mint a kerámia cserépé, akkor lehőlés során a máz kevesebbet zsugorodik. Ennek következtében a máz anyagában nyomófeszültség, a cserépben pedig húzófeszültség alakul ki, amely miatt a máz lepattoghat. A mázakat a nyomófeszültség domborúvá, a húzófeszültség pedig homorúvá görbíti. A hajszálrepedések, illetve lepattogzások megszüntetésének két lehetséges módja lehetséges: 1. A porcelán öntımassza alkotórészeit kell megváltoztatni, a máz összetételét pedig változatlanul kell hagyni. 2. A máz összetételét kell megváltoztatni, a massza összetételét pedig változatlanul kell hagyni. 4

5 4.1. A lineáris hıtágulási együttható meghatározása számítással Határozzuk meg az 1. Táblázatban megadott összetételő máz lineáris hıtágulási együtthatóját. 1. Táblázat. A máz oxidos összetétele és jellemzıi Oxid Anyagmennyiség, mol Hıtágulási együttható, 10-7 Moláris tömeg, g/mol MgO 0,195 0,1 40 CaO 0, K 2O 0,227 8,5 94 Al 2O 3 0,392 0,5 102 SiO 2 3,72 0,8 60 Mivel a máz lineáris hıtágulási együtthatójának számításához ismernünk kell a tömeg%-os összetételt, így elsıként a mázat alkotó oxidok tömegét kell meghatározni. m= n M (2) MgO CaO K 2O Al 2O 3 SiO 2 Σm m MgO= 0,195 mol 40 g/mol = 7,8 g M CaO= 0,578 mol 56 g/mol = 32,4 g M K2O = 0,227 mol 94 g/mol = 21,3 g M Al2O3= 0,392mol 102 g/mol = 40 g M SiO2= 3,72 mol 56 g/mol = 208,3 g 309,8 g Most határozzuk meg a máz tömeg%-os összetételét. MgO: 7,8/309,8 100 = 2,6% CaO: 32,4/309,8 100 = 10,5% K 2O: 21,3/309,8 100 = 6,9% Al 2O 3: 40/309,8 100 = 12,9% SiO 2: 208,3/309,8 100 = 67,2% A máz lineáris hıtágulási együtthatója: m1 x1+ m2 x mi xi α máz = (3) 100 α máz = 7 ( 2,6 0,1+ 10,5 5+ 6,9 8,5+ 12,9 0,5+ 67,2 0,8) = 1,

6 4.2. A lineáris hıtágulási együttható dilatométeres meghatározása A számítással kapott eredmények kissé eltérnek a méréssel meghatározható értékektıl, ennek ellenére jól hasznosíthatók a gyakorlatban. Az eltérés egyrészt az illó mázalkotóknak, másrészt az átmeneti réteg kialakulásának 1 köszönhetı. A hıtágulás méréséhez a dilatométer mintatartójába helyezett mintadarabot hevítik, közben rögzítik a minta hosszváltozását. Annak érdekében, hogy a máz és a cserép hıtágulását össze lehessen hasonlítani, mindkét anyag mérésére szükség van (2. ábra). 2. ábra. Máz és cserép dilatogramja A legáltalánosabban használt dilatométerektıl eltérıen melyek nyomórudas elven mőködnek - a gyakorlat során a kerámia próbatestek hıtágulási együtthatójának méréséhez a Linseis L75 típusú lézer dilatométert használjuk. A berendezés elvi mőködését és térbeli rajzát a 3. ábra szemlélteti. 3. ábra.a lézer dilatométer mőködési elve 1 A részleges oldódás miatt a máz kémiai összetétele megváltozik. 6

7 A mérés során egy maximálisan 20 mm hosszúságú és 7 mm átmérıjő kerámia próbatest mérésére van lehetıségünk. A minta egy mozgatható dugattyúval (vákuumcsıvel) illeszthetı a mérıegységbe. Az optikai egységbıl egy detektoron és egy ablakon át, a vákuumcsöveken keresztül érkezik a vizsgálathoz használt lézersugár a minta felületére. A módszer elınye, hogy a minta hı hatására bekövetkezı tágulása nagyon pontosan mérhetı a lézersugár segítségével. A próbatest kiesését egy hıálló védıhenger akadályozza meg, a kívánt hımérsékletet pedig indukciós kemence segítségével akár 1000 C-ig is beállíthatjuk. A mérés során a hıtágulási együttható értékét differenciális módszerrel, egy etalonhoz hasonlítva határozzuk meg. Irodalomjegyzék [1] Szilikátipari kézikönyv, fıszerk. Dr. Tamás Ferenc, Mőszaki Könyvkiadó, Bp., 1982 [2] Somodi Zsuzsa, Pálffy András, Dr. Kámory Lajos: Finomkerámiaipari technológia, Budapest,

8 8