Автор: Солохненко Е.Н., Петровский В.Я
Источник: Институт проблем материаловедения НАН Украины, г. Киев.
Керамика - это наиболее древний материал, произведенный человечеством. Наличие естественного сырья (глины) предопределило более чем 7000 летнюю историю использования керамических изделий в быту и технике. Развитие общества вызывает возрастание требований к новым изделиям, что в свою очередь, определяет требования к исходному сырью для них. Постепенно улучшались технологии получения силикатных материалов, вводились процессы размола, классификации сырья. И пока потребности потребителей удовлетворялись свойствами силикатной керамики, не было необходимости в синтезе сырьевых материалов. С появлением керамических материалов на основе чистых оксидов такая необходимость появилась. До настоящего времени все существующие керамические материалы можно было классифицировать как "классическая керамика" и "специальная керамика" [1].
С классической керамикой мы ежедневно сталкиваемся в быту, специальная керамика преобладает в машиностроении и электротехнической промышленности. Общий рынок специальной керамики составил как в Японии, так и в Европе в 1988 году примерно по 930 млн. долларов США, а к 2002 году планируется увеличение этого рынка по каждому региону до 3000 млн. долларов [2].
Некоторые аспекты функционального использования специальной керамики в соответствии с данными Japan Fine Ceramics Association [3] приведены на рис. 1. Более чем 60% специальной керамики используется как магнитные и электротехнические материалы, 25 - 26 % это машиностроительная (конструкционная керамика) и 6 - 7 % - это материалы для биохимических применений.
В работе [9] показана возможность создания высокопластичных керамик при их приготовлении с использованием мелкодисперсных порошков с размером зерен от 0,3 до 1 мкм и разработке термомеханического процесса приготовления, который бы обеспечивал сопротивляемость к укрупнению зерен при увеличении температуры. В лаборатории Лос-Алламос разработан новый ФГМ на базе упрочненного карбидом кремния дисилицида молибдена интерметаллической структуры, который при температурах, больших 1300°С в 15 раз прочнее стандартных интерметаллических сплавов. Этот ФГМ обладает также в 100 раз большей сопротивляемостью окислению и в 40 раз лучшей сопротивляемостью излому, чем каждый из составляющих эго материалов в отдельности.
Улучшения свойств ФГМ, как и свойств конвенциональных керамических материалов можно достичь улучшением процесса приготовления смесей, оптимизацией процесса формования, созданием методом регулирования на микроуровне определенной (требуемой) структуры материала и конструированием композита, в котором свойства поверхности отличаются от свойств объема [10].
Не смотря на различные химические составы и области применения специальной керамики, существуют некоторые общие закономерности проектирования композита, определяющие получение материала, отвечающего требованиям потребителя. Свойства конвенциональных керамических композитов определяются способами организации микроструктуры и ее составом [12]
В первую очередь - это управление характеристиками исходного сырья (размером и морфологией зерен), составом микроструктуры и температуро-временными параметрами режима спекания [13]. Среди указанных параметров управления определяющим является выбор состава композита. И этот выбор технолог должен сделать на основе определенных потребителем свойств изделия [14]. На основе этого выбора осуществляется выбор параметров технологических режимов спекания и среды спекания [15]. Конвенциональные подходы к конструированию керамических материалов не подразумевают возможности организации макроструктуры материала и все возможности управления структурообразованием заключаются в управлении составом и морфологией микроструктуры керамического композита.
Вид, распределение и размеры частиц проводящей фазы мультифазного композита зависят как от чистоты и дисперсности исходного порошка, так и от среды, в которой осуществляется консолидация композита. На представлены компьютерные изображения распределения проводящих включений по сечению образца в направлении горячего прессования.
Для мультифазных композитов, изготовленных из грубых порошков TaN, содержащих примесь Ta2N характерна определенная направленность в расположении включений: включения образуют области повышенной концентрации, ориентированные под углом 135° к направлению прессования (рис. 1, а - в). При применении сверх мелкозернистых порошков такой текстуры не наблюдается (рис. 1, г). Мультифазные композиты, консолидация которых происходила в атмосфере азота, характеризуются большим размером проводящих включений (около 3,5 мкм), и эти включения имеют вид вытянутых в направлении 135° эллипсоидов вращения с соотношением осей 1,74:1 (рис. 1, б).
Если порошок проводящей компоненты предварительно механически активируется (например, прокаткой), то асимметричность частиц проводящих включений уменьшается (1,44:1) при сохранении размера включений. Для композитов, полученных в слабо восстановительной атмосфере средний размер включений 2,25 мкм м асимметричность 1,34:1. Композиты на основе молотого порошка добавки отличаются очень малым размером проводящих включений: их средний размер около 1,5 мкм при соотношении осей 1,47:1.
Обращает на себя внимание тот факт, что эффективное объемное содержание проводящих включений в образце зависит как от среды горячего прессования, так и от характеристик дисперсности исходного порошка добавки. Композиты, спекание которых осуществлялось в атмосфере СО всегда отличаются тем, что эффективная концентрация проводящей добавки в образце значительно выше той, которая была заложена в шихту композита (высокая степень сегрегации), для того же порошка добавки, но спрессованного в атмосфере азота, концентрация добавки в шихте и эффективная концентрации включений в материале совпадают. Если в качестве добавки применяется мелкий порошок, то эффективная концентрация проводящей фазы в образце тем ниже, чем мельче используемый порошок и такая закономерность сохраняется во всем диапазоне концентраций добавок.
Рисунок 1 – Микроструктура мультифазных композитов, изготовленных в различных средах (Увеличение для всех объектов х783, размер поля зрения 110x110 мкм Направление горячего прессования - сверху вниз.)
Мы исследовали микроструктуру двух образцов, приготовленных из одной шихты в одинаковых условиях, отличающихся только тем, что второй образец (рис. 2, в - г) в процессе горячего прессования находился в температурной зоне, где температура была на 70°С ниже температуры зоны, в которой находился первый образец (рис.2, а - б). С точки зрения эксплуатационных свойств эти образцы отличались величиной удельного объемного сопротивления на 5 порядков. Главное отличие в их микроструктуре, заключается в том, что второй образец характеризуется гораздо большим содержанием мелкой фазы, а крупные частицы многослойны, фактически, это припеченные агломераты (рис. 2, г). В первом образце содержание мелких включений меньше почти в 2 раза, а крупные включения имеют более крупные размеры и стали гомогенны (рис. 2, б). В целом, во втором образце однородность микроструктуры существенно выше (сравнение: рис. 2, а и г). Шихтовой состав образцов идентичен (10 об. %). Над фрагментом структуры - параметры фазы включения, рассчитанные по изображению: Хс- объемная концентрация включений, dxaN и diso - средние размеры частиц включений и меж частичных промежутков, tF - фрактальная размерность изображения. Изображение сделано в плоскости образца, перпендикулярной направлению прессования.
Определяющим фактором для величины сопротивления композита типа "диэлектрик-металл" являются: объемное содержание фазы высокой проводимости, ее дисперсность этой фазы и морфология структуры (степень сегрегированное). В произвольной под воздействием температуро-временных параметров технологического цикла и химико-физических свойств фазовых составляющих могут возникать два предельных случая распределения проводящих частиц в матрице: случайное (статистическое) и сегрегированное (матричное) распределение частиц.
Рисунок 2 – . Микроструктура объемных мультифазных композитов с различной величиной удельного объемного сопротивления (а, в - увеличение х1500, размер поля зрения 61x61 мкм).
Для описания электрофизических характеристик таких систем используются приближения модели эффективной среды с различными граничными условиями [18]. Наиболее совершенные приближения учитывают степень деполяризации эллипсоида включения и повышают точность прогноза для материалов, характеризующихся сравнительно небольшой концентрацией фазы включения.
Теория перколляции, которая вводит понятие "пороговой" концентрации, не дает способа его определения для практических систем. Эти параметры определены для типичных кристаллических решеток и не учитывают возможность деполяризации эллипсоидов фазы включения в реальных композитах. В практических резистивных композитах частицы фазы включения, как правило, анизотропные и сегрегированны вдоль изоляционных фрагментов структуры. При формировании таких неизометричных систем возникает анизотропия свойств, которая определяется степенью "ориентированности" включений в объеме матрицы. Перколляционные уравнения не учитывают этой анизотропии свойств.
В последнее время в ряде работ [19, 20] предпринимались попытки учесть степень ориентированности резистивного композита. Эта степень ориентированности часто называют степенью матричности системы, которая может быть найдена при стереологическом анализе микроструктуры исходя из концентрации фазы включения.
Для такой ориентированной системы для фазы проводимости в зоне сегрегации (в области, для которой статистический вес матричности этой фазы отличен от нуля) возникает некоторая эффективная (отличная от средней по объему) концентрация проводящей фазы, которая, как мы показали, может отличаться от общей по объему концентрации проводящих включений.
Таким образом, мы видим, что определенные на основании измерения электрофизических свойств резистивных композитов параметры перколляционной системы можно комплексно использовать для прогнозирования электрических и механических свойств резистивного композита и для контроля качества структурообразования многофазных композитов. Выраженный экстремальный характер установленных взаимосвязей позволить предположить, что с помощью характеристических параметров перколляционных уравнений можно с успехом оптимизировать как электрические и механических свойств многофазных композитов, так и решать задачи оптимизации технологических режимом получения керамических изделий с требуемым уровнем свойств.
Такой процесс шлифования трубчатыми шлифовальными кругами можно отнести к тем немногим случаям, когда главным движением являются оба вращательных движения, которые определяют в совокупности необхо¬димую для осуществления шлифования результирующую скорость резания. Конкретно вопрос должен решаться целесообразностью того или иного конст¬руктивного решения. Данный процесс должен обеспечить съем припуска, достаточный для достижения требуемой точности размера, формы, а так же компенсации погрешностей базирования.
Уменьшая зернистость круга, приближаем процесс шлифования к чистовому и отделочному. Но тогда целесообразность его осуществления на жестких осях приспособления и инструмента становится сомнительной. Наоборот, необходимо освободить один из элементов – шлифовальную головку предоставить ей возможность самоустанавливаться по обрабатываемой поверхности, что обеспечит процесс хонингования и доводки.
Данная схема обработки позволяет использовать в качестве инструмента конические алмазные круги с разной зернистостью, что необходимо при обработке керамических шаров, поэтому именно такая схема обработки будет положена в основу специализированного оборудования для производства шаровых клапанов промышленных кранов.
Еще одним преимуществом является возможность установить вместо инструмента кольцо-седло крана, а вместо детали – чугунный притир и произвести обработку кольца, после чего притереть непосредственно шар и седло, применив мелкодисперсный свободный абразив в виде пасты.
В работе было спроектировано специальное оборудование для обработки сферической поверхности деталей из керамики. Приспособление предназначено для шлифования сферической поверхности диаметром 20-50 мм. Данное приспособление устанавливается на поперечный суппорт станка плитой. Люфт выбирается клином, плита фиксируется винтами с контргайками. На плиту устанавливается сварной корпус, в который вварен стакан. В стакане на четырёх шариковых подшипниках смонтирован шпиндель. На одном конце шпинделя гайками закреплена шлифовальная головка, на другом - приводной шкив. На верхней плите корпуса расположен электродвигатель с ведущим шкивом. Вращение от ведущего шкива к ведомому передаётся через клиновой ремень. Натяжение клинового ремня осуществляется при помощи болта и двух гаек. Корпус может поворачиваться вокруг оси пальца на 360?, болты и гайки закрепляют его в заданном положении. Врезание шлифовального инструмента в изделие происходит при продольном и поперечном перемещении суппорта.
Таким образом, используемый метод обработки, реализованный в спроектированном специальном оборудовании, позволяет производить обработку сферических керамических изделий, с требуемыми параметрами точности и качества.