Korszerű műszaki kerámiák 1. Bevezetés Menyhárd Alfréd, Szépvölgyi János BME Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék amenyhard@mail.bme.hu Iroda: H épület 1. emelet; Tel.: 463-3477 2016
Vázlat Bevezetés Tantárgy adatok (számonkérés, részletek) Célok Csoportosítás, piaci helyzet, történet Hagyományos kerámiák Alapanyagok Termékek, példák Szerkezet Gyártástechnológiák 2
A tantárgy részletei VBK Műanyag- textil és Anyagtudományi szakirány (Anyagtudományi alszakirány) Kód: BMEVEFAA601 Tantermi előadás Szerda 10-12 óra H. épület fszt. Kreditpont: 2 Számonkérés Szóbeli vizsga 3
A tantárgy vázlata 1. előadás Bevezetés, hagyományos kerámiák 2. előadás Korszerű kerámiák 3. előadás Anyagtudományi alapok 4. előadás Alapanyagok és élőállítás 5. előadás Porok feldolgozása és formázása 6. előadás Szinterelés, zsugorítás 7. előadás Felületi rétegek és filmek kialakítása 8. előadás Tönkremenetel 9. előadás Funkcionális kerámiák 10. előadás Szerkezeti kerámiák 11. előadás Társított kerámia rendszerek 12. előadás Kerámia termékek tervezése és anyagválasztás 4
Bevezetés Az anyagválasztás problémája 5
Anyagválasztás szempontjai Tulajdonságok Fizikai (sűrűség) Kémiai (kémiai stabilitás) Mechanikai (szilárdság, keménység, törési ellenállás) Termikus (hővezetés, hőtágulás) Elektromos, mágneses (ellenállás, dielektromos állandó, permeabilitás) Esztétika (textúra, szín, érzés) Költségek Gyártási költségek (alapanyag, technológia, minőség) Beszerezhetőség (ár, piaci helyzet) Újbóli feldolgozhatóság Egyéb tényezők Várható élettartam (kopás, oxidáció, korrózió) Társadalmi vonatkozások (divat) 6
Melyiket válasszam??? 7
A tantárgy célja A fenti négy tényező közötti kapcsolatrendszer bemutatása korszerű műszaki kerámiák esetében 8
A szó jelentése és eredete Keramos - Keramos Égetett agyagból készült tárgy Kerameia - Kerameia (fazekasság) Kerámiák 9
Kerámiák csoportosítása Az alkotóelemek fajtái szerint 10
Kerámiák csoportosítása Tulajdonságok és felhasználási területek szerint Hagyományos (klasszikus) kerámiák Korszerű műszaki kerámiák 11
Kerámiák piaci helyzete Évi világforgalom ~ 10 11 USD Értékesítési arányok 55% üvegárúk 17% korszerű műszaki kerámiák 10% fehérárúk 9% mázas porcelán 7% tűzálló anyagok 2% tégla cserép Üvegárúk Korszerű műszaki kerámiák Fehérárúk Mázas porcelán Tűzálló anyagok Tégla, cserép 12
Korszerű műszaki kerámiák piaca Évi világforgalom ~ 1,7 11 USD Értékesítési arányok 36% kondenzátorok/hordozók/burkolatok 23% egyéb elektronikai kerámiák 13% egyéb termékek 12% elektrotechnikai porcelánok 8% műszaki kerámiák 8% optikai szálak Kondenzátorok Egyéb elektronikai kerámiák Egyéb termékek Elektrotechnikai porcelánok 13
Történet, a Vestonciei Vénusz Csehország (i.e. 25000-29000) A legrégebbi ismert kerámia tárgyak egyike 111 mm magas és 43 mm széles Relatív alacsony hőmérsékletű kiégetés Tipikus Vénusz szobor 14
Kína és Mezopotámia Agyagedények, tárolóedények (mezőgazdaság) I.e. 3000 15
Kína Kínai agyaghadsereg (i.e. 500) Csin dinasztia, egyedi arcvonások, több mint 1500 katona Modern sorozatgyártási technika 16
Görögország Tárolóedények, vázák (i.e. 350) 17
Amerika Inka fej (12. század) 18
Európa Malagai váza (14. század) 19
Európa Dísztárgyak, rokokó csésze (19. század) 20
Magyarország, Olaszország Gubbió, Zsolna (19. század) Eozinmáz Eredetileg a gubbioi porcelán titka de Wartha Vince és Zsolnai Vilmos rekonstruálta a folyamatot a Zsolnay üzemben Türkizkék, átlátszó ólommentes máz Színes- és nemesfémeket tartalmazó sűrű máz felvitele, majd kiégetés (reduktív közegben) A massza lemosása Nagyon vékony színréteg, vékonyréteg interferencia (szappanbuborék) 21
Zsolnay Budapest: Iparművészeti Múzeum Kecskemét: Cifra palota Pécs: Postapalota 22
Magyarország Herend (20. század közepe) Kézi festés 23
Modern alkalmazások Téglaépület, tetőcserép, szaniterek (21. századtól) 24
Hagyományos kerámiák Agyagásványból álló kőzetek Vízzel összekeverve formázhatók 25
Agyagásványok I. Elsődleges üledékes kőzetek, pl. földpátok geológiaikémiai öregedése során alakulnak ki. Földpátok: vízmentes alkáli-, vagy mész-alumíniumszilikát Nátronföldpát, kalciumföldpát, káliföldpát Ritkán fordulnak elő tiszta formában többnyire izomorf elegykristályos formában léteznek NaAlSi 3 O 8 -KAlSi 3 O 8 -CaAl 2 Si 2 O 8 A legfontosabb ásványcsoport, mert a földkéreg 60-65%-át ez a csoport alkotja. Nagy mennyiségben áll rendelkezésre 26
Agyagásványok II. Alumínium-hidroxi-szilikát xal 2 O 3 ysio 2 zh 2 O Kristályos, rétegrács szerkezetű anyagok Fém szennyezőkkel tiszta kristályokat alkot Tanzanit: Ca 2 Al 3 (SiO 4 )(Si 2 O 7 )O(OH) 27
Agyagásványok típusai Egydimenziós agyagásványok Láncszerkezetűek Kétdimenziós agyagásványok Atomkötegekből kialakuló rétegkomplexumok 1:1, 2:1, 2:2 típusok Amorf agyagásványok 28
Rétegkomplexumok típusai 29
Kötéstípusok jellemzői 30
Agyagásványok, példák Kaolinit (Gaoling nagy domb, Kína) Al 2 O 3 2SiO 2 H 2 O 31
Kaolinit szerkezet SiO 4 tetraéderek Koordinációs szám 4 32
Kaolinit kristályszerkezete A tetraéderek kapcsolódása: atomkötegek 33
Kaolinit kristályszerkezete AlO 6 oktaéderek Koordinációs szám: 6 34
Kaolinit kristályszerkezete 1:1 típusú rétegszilikát 35
Pirofillit 2:1 típusú rétegszilikát Al 2 O 3 4SiO 2 H 2 O 36
Hagyományos kerámiatermékek Tégla- és cserépipari termékek Tűzálló ipari termékek Finomkerámia ipar termékei 37
Tégla és cserépipar Égetett agyag falazóelemek (tégla) Keménytéglát Égetett tetőfedő elemek (cserép) Égetett agyag födémelemek 38
Tűzállóanyag ipar Alkalmazás szerint Kazánok, hőkezelő kemencék bélései Égetési segédanyagok Öntészeti eszközök Tűzállóság szerint Tűzálló (1500-1770 C) Nagy tűzállóságú elemek (1771-2000 C) Igen nagy tűzállóságú elemek (>2000 C) 39
Finomkerámia ipar termékei Építési kerámiák Csempék, burkolólapok, szaniterárúk Háztartási kerámiák Porcelán dísztárgy, porcelán edény, majolika Műszaki kerámiák Porcelán szigetelők, őrlőtestek, ellenállástestek, csiszolószerszámok, elektronikai kerámiák 40
Hagyományos kerámiák Gyártástechnológiák 41
Anyag előkészítés Kitermelés Aprítás Homogenizálás, feltárás segítése, szennyezők eltávolítása, a technológiai igényeknek megfelelő morfológia (szemcseméret, alak ) biztosítása Osztályozás, szárítás Homogenizálás, massza készítése 42
Aprítás Két fokozat Törés (cm-mm) Őrlés (mm-μm) Energia bevitel Egymáshoz képest elmozduló őrlőszerszámok (pofás-, kúpos-, hengeres törők, golyósmalmok) Aprítandó test mozgási energiája (kalapácsos és röpítő törő, röpítő malom, sugármalom, vibrációs malom) 43
Aprítás Őrlés Száraz Nedves (szárítást igényel) Őrlőberendezések összevetése Forgódobos őrlés Vibrációs őrlés 44
Bázikus téglasajtoló massza szemcsemérete 45
Mn-Zn ferrit szuszpenzió szárítása Porlasztó szárító Porlasztva szárított por Hagyományos szárítás 46
Tűzálló anyagok kombinált előkészítése Soklépéses folyamat Nagy berendezéseket igényel 47
Formázási eljárások Fajták 48
Egytengelyű száraz sajtolás Az összenyomott szemcsére ható erők Technológiai fázisok 49
Egytengelyű száraz sajtolás A tömörséget a kiindulási por szemcsemérete határozza meg 50
Egytengelyű száraz sajtolás Következmények Egyenlőtlen sűrűség, mikroszerkezet Helyfüggő tulajdonságok 51
Izosztaikus sajtolás Az alappor betöltése (a) Forma lezárása (b) Forma behelyezése (c) Sajtolás Tömör test kiemelése 52
Szalagöntés: doctor-lap eljárás Többrétegű lapok is önthetők 53
Finomkerámiai termékek gyártása Alapanyag előkészítés és formázás 54
Szárítás Agyagból formázott idomok térfogatváltozása szárításkor 55
Égetés Magas hőmérséklet (600-1200 C) Atmoszféra szerint lehet redukáló vagy oxidáló A kiégetett kerámia színe nagymértékben befolyásolható Oxidáló égetés vörös szín Redukáló égetés fekete, szürke, barna vagy sárga Fizikai, kémiai és mikroszerkezeti változások A végső tulajdonságok kialakítása A végső forma rögzítése 56
Kétalkotós fázisdiagram felvétele Fázisdiagram Hűlési görbék 57
Kétalkotós elegy fázisdiagramja Eutektikus pont 58
Kétalkotós elegy fázisdiagramja A valóság: krisztoballit (SiO 2 ) mullit (3Al 2 O 3 2SiO 2 ) korund (α-al 2 O 3 ) 59
Kétalkotós fázisdiagram modellezése 60
Háromalkotós elegy fázisdiagramja 61
Háromalkotós elegy fázisdiagramja Krisztoballit SiO 2 Tridimit SiO 2 Wollasztonit CaO SiO 2 Mullit 3Al 2 O 3 2SiO 2 Anortit CaO Al 2 O 3 2SiO 2 Gehlenit 2CaO Al 2 O 3 SiO 2 62
Égetőkemencék Aknakemence Korszerű alagútkemence 63
Téglaégető alagútkemence Előmelegítő zóna (A) Égetőzóna (B) Hűtőzóna (C) 1. kocsi 2. zsilipkamra 3. füstgázelszívó 4. füstgáz keringtető 5. füstgázelszívás vezetéke 6. égetőnyílások 7. hűtőlevegő elszívó 8. hűtőlevegő befúvó 64
Fajlagos hőfogyasztások * 1 kg víz eltávolításának energiaigénye 65
Porleválasztás A különböző méretű szemcsék elválasztási technikái 66
Tégla- és cserépgyártás folyamatábrája Sematikus diagram Agyag kitermelés Előkészítés Pihentetés Nyers gyártás Szárítás Égeté s Szén fogadás Szén tárolás Tárolás Víz Gőz termelés Rakodá s 67
Finomkerámia termékek gyártása Nyersanyag fogadása Agyag Kaolin Kvarc Földpát Előkészítés Massza készítés Formázás Szárítás Égeté s Tüzelőanyag (gáz) Tárolás Víz Rakodá s 68
Burkolólap készítése Bonyolult ipari folyamatok 69