Химия твердого тела. Теория и приложения: В 2-х ч. Ч. 2 - Вест А.
ISBN 5-03-000071-2
Скачать (прямая ссылка):
6 0
Рис. 20.1. Последовательные стадии процесса спекания, а — исходный материал— спрессованный порошок; б — возникновение контакта между зернами; в — образование пористой трехмерной структуры при соединении частиц; г — образование компактного материала с изолированными порами. На последней стадии спекания (на рисунке не изображена) в ходе роста зерен изолированные поры могут «выталкиваться» на поверхность.
ся до нулевых размеров или «выталкиваются» на поверхность образца, то плотность материала приближается к теоретической (кристаллографической) плотности. На рис. 20.1 схематически изображены различные стадии процесса спекания.
Наличие небольшого количества жидкой фазы обычно сильно ускоряет процесс спекания, что дает возможность проводить спекание при гораздо более низких температурах, чем в отсутствие жидкости. Однако слишком большое количество жидкой фазы может привести к изменению формы керамических изделий и потере прочности. В процессе производства и эксплуатации огнеупорных материалов весьма важно также, чтобы коли-
20,4. Поверхностные явления
257
чество присутствующей жидкой фазы не увеличивалось слишком быстро, когда температура превысит температуру солидуса. Таким образом, область стеклования, т. е. интервал температур между температурой начала уплотнения в результате появления жидкой фазы и температурой начала проседания образца в присутствии слишком большого количества жидкой фазы, должна быть как можно шире. Ширина области стеклования существенно зависит от состава материала и вида диаграммы состояния. Хуже всего в этом отношении случай, когда состав материала отвечает эвтектическому составу, а полное плавление материала происходит в интервале нескольких градусов. И наоборот, для огнеупорных материалов наиболее подходят такие составы, которые находятся далеко от эвтектики.
20.4. Поверхностные явления
Поверхностное натяжение жидкостей и кристаллических тел имеет важное значение для кинетики спекания и для процессов взаимодействия шлаков и огнеупорных материалов. Кинетика роста зерен и текстура твердого тела зависят от диэдрического угла, под которым понимают угол между двумя кристаллическими зернами, находящимися в жидкой фазе (рис. 20.2). При небольших диэдрических углах контакт между зернами недостаточен и большое количество жидкой фазы попадает в пустоты
Рис. 20.2. Диэдричсский угол и влияние его величины па степень контакта
между зернами.
между зернами. Было установлено, что при малых диэдрических углах скорость роста зерен увеличивается, и в результате образуются зерна больших размеров. Кинетика роста зерен зависит также от их начальных размеров. Спекание образцов, состоящих из мелких зерен, идет более быстро, чем в случае образцов с крупными зернами. На практике при необходимости получения плотного материала требуется прежде всего тщательно размельчить исходную шихту, увеличив тем самым поверхность контакта между частицами. Зависимость скорости роста зерен от температуры выражается следующим уравнением:
17—1426
258
20. Огнеупорные материалы
где ?> — диаметр зерна, к — константа скорости роста. Величина диэдрического угла влияет не только на скорость роста зерен, но и на жаропрочность огнеупоров и степень воздействия на них шлаков. Для обеспечения хорошего контакта между твердыми частицами в керамике необходимо, чтобы диэдрические углы были большими (рис. 20.2,6). Если диэдрический угол мал или равен нулю, жидкий шлак легко проникает внутрь огнеупорного материала, затекая в пустоты между зернами. Это приводит к вымыванию кристаллов и разрушению твердого тела.
20.5. Воздействие шлаков на огнеупоры
Прежде чем жидкий шлак начнет взаимодействовать с огнеупорной футеровкой, необходимо, чтобы он смочил керамику. В противном случае па поверхности огнеупорного материала возникают изолированные капли шлака. В данном разделе не будем подробно рассматривать теорию поверхностного натяжения, а ограничимся лишь самыми общими замечаниями по данному вопросу. Смачивание происходит тогда, когда поверхностное натяжение жидкости (т. е. границы раздела жидкость — воздух) больше, чем поверхностное натяжение границы раздела между огнеупорным материалом и жидким шлаком. Это условие, как правило, выполняется для жидких шлаков и не выполняется для жидких металлов. Последние редко смачивают огнеупорную футеровку.
Интенсивность взаимодействия между расплавленным шлаком и огнеупорным материалом зависит от флюсующей активности шлака, т. е. от способности шлака понижать температуру плавления огнеупорного материала. Оксиды кальция и алюминия имеют различную флюсующую активность по отношению к динасовому кирпичу. Как видно из соответствующих участков диаграмм состояния систем СаО—БЮ2 (рис. 11.8) и АЬОз—-БЮ* (рис. 20.3, а), добавление ~4 мол. % А12Оа достаточно для понижения температуры плавления БЮ2 (температуры ликвидуса) от 1720 до 1595 °С. К такому л<е понижению температуры плавления БЮ2 приводит добавление 3*30% СаО. Еще более резко изменяется температура плавления БКЬ при введении добавок Иа20 или К20 (рис. 20.3,6). Кривая ликвидуса в этих системах круто понижается до ~800°С. Приведенные па рис. 20.3, С> данные относятся к системе N820—БЮ2. В области, богатой оксидом кремния, система К20—БЮ2 полностью аналогична приведенной.
