МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА И МЕТАЛЛИЗАЦИЯ КЕРА-МИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ

4. МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА И МЕТАЛЛИЗАЦИЯ КЕРА-МИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ

Механическая обработка. В современной технике находят широкое применение керами­ческие изделия, соответствующие жестким тре­бованиям по точности размеров, форме и чи­стоте обработки поверхности. Обеспечить вы­полнение таких требований способами обычной керамической технологии не представляется возможным. Изготовленные изделия всегда имеют незначительные отклонения размеров от заданных, обусловленные некоторой неста­бильностью усадки в процессе сушки и обжи­га. Значения усадки зависят как от состава материалов, так и от некоторых технологиче­ских операций./7/

Для получения керамических изделий, имеющих точные размеры и высокую чистоту поверхности, используют механическую обработку обожженных изделий путем шлифова­ния. Для шлифования в основном используют шлифовальные круги и реже порошки из аб­разивных материалов: алмаза, нитрида бора, карбида кремния, электрокорунда и др. (см. приложения, табл. 12).

Механическая обработка керамических изделий всеми видами шлифования осущест­вляется абразивными инструментами из кар­бида кремния и алмаза различной зернистости. Для шлифовки применяют шлифовальные кру­ги, головки, бруски и сегменты соответст­венно шлифуемой поверхности.

Максимальная рабочая скорость абра­зивного инструмента обусловливается типом связующего материала. Так, для алмазного шлифовального круга на керамическом связую­щем рабочая окружная скорость составляет 25 м/с, а на фенолформальдегидном — до 35 м/с.

Для обработки керамических изоляторов, обладающих высокой твердостью и хруп­костью, наиболее эффективным является ал­мазный инструмент на металлическом и фе­нолформальдегидном связующем. Алмазный абразивный инструмент на металлическом свя­зующем используется в основном для черно­вого шлифования керамики, а на фенолфор­мальдегидном связующем — для окончатель­ного, чистого шлифования.

Алмазные круги на металлическом связу­ющем имеют более длительный срок службы. Для черновой обработки керамических изде­лий используют крупнозернистые абразивные круги, а для окончательной чистовой обработ­ки поверхности применяют тонкозеристые аб­разивные инструменты.

Для шлифования керамических изделий используют обычные металлообрабатывающие станки: токарно-винторезные со шлифовальной головкой, токарно-карусельные, шлифовально-карусельные, универсально-шлифовальные и др. Крепление керамических изделий на станке производится при помощи специальной технологической оснастки, обеспечивающей прочное и безопасное положение детали в работе.

Режимы шлифования керамических изделий зависят от свойств керамического материала, от показателей используемого абразивного инструмента и устанавливаются экспериментально. При черновой обработке изделий в большинстве случаев толщина слоя, снимаемого шлифовкой за один проход, составляет примерно 0,25 мм, а при чистовой — 0,005— 0,025 мм.

Для охлаждения в процессе шлифования применяют 2—5 %-ный водный раствор кальцинированной соды, который подают со ско­ростью 20 л/мин.

При круглом шлифовании наружной по­верхности изоляторов цилиндрической формы обрабатываемый изолятор и шлифовальный круг вращаются в одну сторону, а при обра­ботке круглых внутренних поверхностей кера­мических изделий шлифовальный круг и обра­батываемая деталь вращаются в противопо­ложные стороны. Шлифование торцевых по­верхностей цилиндрических изделий может производиться на плоскошлифовальном станке с использованием соответствующей оснаст-ки./10/

Металлизация керамики. Металлические покрытия на поверхности керамики могут слу­жить электродами конденсаторов, испытуемых образцов, витков катушки индуктивности или промежуточным слоем для соединения кера­мики с металлической арматурой посредством пайки.

Металлические покрытия керамики можно осуществлять методами вжигания металлосодержащей краски (пасты), испарения и кон­денсацией металла (серебра, золота, никеля, палладия и др.) в вакууме, химического осаж­дения, шоопирования и др.

Металлические покрытия должны обла­дать хорошей электропро-водностью (особенно для высокого напряжения высокой частоты) при малой толщине электродного слоя. Для таких покрытий чаще всего применяют благо­родные металлы (в основном серебро и пал­ладий), устойчивые к окислению. Покрытия, предназначенные для последующей пайки с металлической арматурой, производятся из тугоплавких металлов в сочетании с различ­ными добавками.

Вжигание паст — наиболее распростра­ненный способ металлизации. Основным ком­понентом металлосодержащей пасты является окись серебра, азотнокислое серебро или тон­кодисперсный порошок металлического сереб­ра. Для спекаемости покрытия и хорошей адгезии по отношению к поверхности керамики в пасту вводятся 5—7 % (по массе) плавней в виде борнокислого свинца, оксида висмута или других соединений висмута. Компоненты пасты смешиваются с органическими связую­щими, представленными раствором канифоли в скипидаре или смесью скипидара с касторо­вым маслом до получения однородной массы. Паста, изготовляемая промышленностью на специализированных заводах, содержит 55— 70 % (по массе) металлического серебра.

Нанесение серебряной пасты на керамиче­ские изделия производится вручную кисточкой, пульверизатором, окунанием, а в массовом производстве — шелкографией. Нанесенные покрытия сушат при температуре 80—150 °С в термостатах или в проходных сушилках. Об­жиг производится при температуре 750—850 ^оС в муфельных или проходных печах в воздуш­ной среде. В процессе обжига покрытия в ин­тервале температур 200—400 °С, т. е. при вы­горании органической связки, подъем темпера­туры должен быть замедленным во избежание вспучивания покрытия и образования трещин на металлизированной поверхности. Режим вжигания серебряной пасты устанавливается экспериментально. Он зависит от нагревостойкости керамики, размеров и конфигурации металлизируемого изделия. Длительность про­цесса может составлять 5—35 ч.

Толщина однократно металлизируемого слоя серебра составляет 3—10 мкм. В случае необходимости для получения покрытия с бо­лее толстым слоем деталь металлизируют 2 — 3 раза, проводя последовательно вжигание каждого нанесенного металлизированного слоя. Толщина металлизирующего слоя на из­делиях среднего размера составляет 40 — 50 мкм.

Металлизация составами на основе туго­плавких металлов применяется для различных вакуум-плотных керамических изделий из фар­фора, стеатита, форстерита и корундовой ке­рамики. В металлизирующий состав входят различные добавки: марганец, железо, крем­ний, оксиды металлов — А1₂О₃, ТiО₂, Сr₂О₃, карбиды, бориды и специальные плавни.

Металлизация различных типов керамиче­ских материалов производится по схеме: очист­ка изолятора от загрязнений, обезжиривание, приготовление и нанесение металлизирующего состава, вжигание покрытия, зачистка, нанесе­ние второго металлизирующего состава, вжи­гание второго покрытия и контроль качества покрытия.

Для приготовления металлизирующих паст используют материалы, получаемые с завода-изготовителя в виде тонкомолотых порошков с удельной поверхностью 4000—5000 см²/г для молибдена и 5000—7000 см²/г для марганца.

Компоненты металлизирующей пасты, взя­тые в заданном соотношении, смешиваются с раствором коллоксилина в изоамилацетате или водно-спиртовый раствор полиамидной смолы. Смешивание компонентов производится в валковой мельнице со стальным барабаном до получения однородной пасты.

Процесс вжигания металлизирующих по­крытий производится в печах с защитной га­зовой средой при температуре 1200—1350 °С с выдержкой при конечной температуре 20—30 мин. Режим вжигания устанавливается опытным путем.

Вжигание покрытия проводится в печах периодического действия или толкательных пе­чах непрерывного действия в увлажненной или азотно-водородной среде при отношении азота к водороду 2:1 или 3:1. Керамические материалы, содержащие в своем составе до­статочное количество стеклофазы (фарфор, стеатит и др.), можно металлизировать па­стами на основе тугоплавких металлов без специальных добавок, а керамические матери­алы, содержащие менее 5 % стеклофазы, не­обходимо металлизировать пастами, в состав которых входят компоненты, образующие жид­кую фазу в процессе вжигания покрытия.

В табл. 13 (см. приложения) приведены составы для ме­таллизации вакуумплотных керамических ма­териалов.

Для увеличения толщины покрытия и об­легчения пайки на молибденовое покрытие методом вжигания или гальваническим путем наносится слой никеля (второе покрытие)./2/

ПРИЛОЖЕНИЯ:

					Контроль
					Очистка от песка
		Рис. 1. Технологическая схема производства электрокерамических изделий

Таблица 1. Фазовый состав и основные свойства электрофарфора

Показатель	Фарфор
	твёрдый	с повышенным содержанием муллита	кристобалитовый	корундовый
Состав, %
Муллит	25-28	35-48	23-25	10-12
Кремнезем	10-12	1-5	23-25	-
Кристобалит	-	-	20-25	-
Корунд	-	0-5	-	35-40
Стеклофаза	60-62	55-60	28-33	45-50
Основные свойства
Прочность при изгибе, МПа	70	120	110	170-220
Ударная вязкость, кДж/м2	1,5	2,0	2,2	2,5
Электрическая прочность, МВ/м	30	35	35	35

 

Таблица 2. Основные классы электротехнических материалов соот-ветственно применению

Класс	Применение	Вид керамики	Характерные особенности
1	Изоляторы для ус-тройств высокого и низкого напряжения, низкой частоты	Электрофарфор и глиноземистый фарфор	Хорошие электромеханические свойства, возмож-ность изготовления изоляторов любых размеров
2	Низкочастотные и вы-сокочастотные изоля-торы и конденсаторы малой ёмкости	Стетит, ультрафарфор, корундо-муллитовая керамика, цельзиановая керамика	Небольшое значение εr
3	Конденсаторы высо-кого и низкого напря-жения, высокой и низ-кой частоты	Рутиловая, перовскитовая, титано-циркониевая керамика, стронций-висмутовый титанат, алюминат-лантановая керамика	Высокое и очень вы-сокое значение εr, за-данное или не регла-ментированное зна-чение ТКε
4	Термодугостойкие узлы: искрогаситель-ные камеры, основа-ния нагревательных элементов и проволоч-ных резисторов, изоля-торы в вакуумных приборах	Кордиерит, литий-содержащая, высокоглиноземистая и цирконовая кера-мика	Высокая механи-ческая стойкость при нагреве и стойкость к термоударам
5	Высоконагревостойкие изоляторы	Керамика на основе чистых оксидов алю-миния, магния, бе-риллия и т. д.	Высокие электри-ческие свойства при высокой температу-ре, высокая тепло-проводность
6	Резисторы	Смесь керамики с са-жей или графитом; керамика на основе смешанных кристал-лов оксида цинка и оксидов металлов с переменной валент-ностью	Повышенная и высо-кая электропровод-ность, линейная и нелинейная вольт-амперные харак-теристики

Таблица 3. Огнеупорные глины

Место-рож-дение	Содержание оксидов, %							Потери при прокали-вании, %
	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	K2O	Na2O
Часовъяр-ское	49,6-60,74	27,17-36,15	0,77-1,97	0,24-1,12	0,64-1,32	1,42-2,99	0,19-0,54	9,86-7,35
Дружков-ское	47,0-57,0	32,4-37,0	0,81-1,32	0,72-1,38	0,16-0,50	1,18-3,48		11,46-9,50
Торжков-ское	45,5-55,1	28,9-37,3	0,43-2,73	0,46-2,30	0,14-1,81	0,04-1,59	0,24-0,96	17,70-11,06

Таблица 4. Каолины

Место-рож-дение	Вид коалина	Содержание оксидов, %							Поте- ри при про-кали-вании, %
		SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	K2O	Na2O
Прося-новское	Нео-бога-щён-ный	65,0-69,7	21,7-26,4	0,84-1,0	0,4-0,7	0,08-0,3	0,27-0,83	-	7,9-4,9
	Обо-гащён-ный	45,5-47,4	37,4-39,8	0,3-0,94	0,15-1,3	0,12-0,56	0,15-0,77	0-0,68	14,0-13,2
Глухо-вецкое	Нео-бога-щён-ный	65,3-69,6	22,2-26,2	0,2-0,5	0,32-0,45	-	0,13-0,15	-	8,7-7,9
	Обо-гащён-ный	46,0-47,9	37,1-40,4	0,21-0,95	0,13-0,5	0-0,53	0-0,4	0-0,003	13,7-13,1
Кыштым-ское	Нео-бога-щён-ный	69,0	21,1	0,95	0,65	0,32	-	-	6,99
	Обо-гащён-ный	45,7-49,2	36,3-38,2	0,5-2,2	0,46-1,6	0,28-0,76	0,39-0,80	0-0,59	13,7-12,1
Балай-ское	Обо-гащён-ный	45,5-51,1	34,2-37,2	0,6-0,8	0,3-0,88	0,1-0,2	-	0,7-0,96	-
Ангрен-ское	Нео-бога-щён-ный	54,6-57,1	30,2-32,3	0,1-0,8	0,7-1,2	0,28-0,3	-	0,28	-

Таблица 5. Кварцевые материалы

Сырьё	Содержание оксидов, %							Потери при прока-лива-нии, %
	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	K2O	Na2O
Кварцевый песок
Любе-рецкий	99,5-98,6	0,06-0,8	0,1-0,2	0,1-0,2	0,04-0,1	0,1	-	0,08-0,02
Авдеев-ский	96,6-98,8	2,7-0,7	0,1-0,2	0,2-0,6	0,1-0,2	-	-	0,1-0,3
Талшин-ский	99,3-99,7	0,3-0,2	0,04	0,06	0,03	-	0,04-0,1	0,1-0,4
ГДР	99,7-99,8	0,1	0,01	0,02	0,03	-	-	0,13-0,15
Кварц жильный
Нарын-Кунтин-ский	90,7-99,4	0,4-0,6	0,0-0,6	0,0-0,8	0,0-0,9	2,7-0,0	0,0-0,2	0,26

Таблица 6. Полевой шпат и пегматит

Сырьё	Содержание оксидов, %							Поте-ри при прока-лива-нии, %
	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	K2O	Na2O
Пегматит
Глубо-чан-ский (Тока-ров-ский)	71,3-75,4	14,8-16,2	0,4-0,6	0,6-1,2	0,1-0,4	4,6-5,3	3,6-4,5	1,0-1,5
Прила-дож-ский	65,6-77,7	13,1-19,3	0,1-1,0	0,6-2,3	0-0,7	4,1-5,9	3,6-5,1	0,8-1,6
Елисе-евский	70,7-75,6	13,3-17,1	0,3-0,8	0,5-1,3	0-0,2	3,0-4,9	2,9-5,3	0,6-1,5
Алапаев-ский	65,5-74,4	13,9-19,7	0,2-0,4	0,2	0,1	7,9-12,0	1,9-3,5	-
Полевой шпат
Норвеж-ский	65-74,7	19,2-20,2	0,1-0,3	-	0,2	11,1-12,8	3,3-3,7	3,4-3,5
Применя-емый в США	65-68,6	17,3-19,9	0,1-0,3	0-0,5	0,03	10,5-12,0	2,7-3,3	3,6-3,9
Применя-емый в Швеции	64,0	19,4-	0,1	0,08	-	14,0	1,9	7,3
Применя-емый в ФРГ	68,5	17,6	0,3	0,2	0,1	10,6	0,7	15,8

Таблица 7. Циркониевое сырьё

Сырьё, место-рожде-ние	Содержание оксидов, %								Потери при про-калива-нии, %
	SiO2	K2O	TiO2	ZrO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO
Бадделе-ит, Бразилия	0,69-0,19	-	-	96,84-98,9	0,13	0,37-0,82	0,21-0,06	-	0,98-0,28
Циркон-фавас светло-коричне-вый, Бразилия	15,35	-	0,51	81,64	0,9	1,00	-	-	0,63
Циркон-фавас аспидно-серый, Бразилия	2,05	-	0,56	92,87	0,7	3,50	-	-	0,52
Циркон-фавас чистый, Бразилия	0,48	-	0,48	97,19	0,4	0,92	Сле-ды	-	0,38
Циркон, Шри Ланка	33,86	-	-	64,25	-	1,08	-	-	-
Циркон, Швеция	32,44	-	-	65,76	-	0,42	0,09	-	0,46
Циркон, Австра-лия	30,00	-	2,08	65,42	1,2	0,44	0,14	0,22	-
Циркон, Россия (Ильмен-ские горы)	34,79	-	0,91	57,95	2,88	1,94	1,85	-	0,15
Циркон, Россия (Вишнё-вые горы)	32,63	0,48	1,22	63,53	0,37	0,88	0,61	0,07	0,35
Циркон, Россия (Жданов)	34,09	1,08	Нет	59,93	1,4	1,44	0,12	-	-

 

Таблица 8. Тальки

Тальк	Содержание оксидов, %					Потери при прока-лива-нии, %
	SiO2	Al2O3+TiO2	Fe2O3	CaO	MgO
Онот-ский	60,22-62,28	0,01-1,63	0,41-1,09	Следы-0,5	31,02-32,99	5,9-4,92
Шабров-ский (флотиро-ванный)	57,66-58,65	Следы-0,87	2,81-3,65	Следы-0,19	31,95-32,5	7,06-6,25
Миасский	55,3-56	0,43-2,14	7,3-8,1	0,19-1,1	28,5-29,5	5,6-5,3
Алгуй-ский	68,4	0,25	0,27	0,08	25,9	3,8
Кирги-тейский	60,7-63,8	0,04-0,09	0,09-0,3	0,36	31,8	4,6-4,7

Таблица 9. Показатели диоксида титана различных модификаций

Моди-фикация	Сингония	Кажу-щаяся плот-ность, кг/м3	Твёр-дость по Мо-осу	Показатель прелом-ления света по двум направ-лениям		Тем-пера-тура пере-хода в ру-тил, 0С	TKl, 10-7 К-1	εr
				Ng*	Np**
Анатаз	Тетраго-нальная	3900	5-6	2,55	2,49	915	0,47-0,82	31
Брукит	Ромби-ческая	3900-4000	5-6	2,70	2,58	753	1,45-2,29	78
Рутил	Тетраго-нальная	4200-4400	6	2,90	2,61	>1000	0,71-0,92	89* 173**

* Максимальное значение

** Минимальное значение

Таблица 10. Технические требования к диоксиду титана различных марок

Марка	Содержание оксидов, %					Нераство-римый остаток, %
	TiO2	SiO2	Fe2O3	SO3	P2O5
Конден-саторная	≥99,0	0,28	≤0,10	≤0,05	0,5	-
Пигмент-ная	94-98	-	-	-	0,02-0,05	-
Лигатур-ная	≥99,5	-	0,13	0,04	0,05	0,5
Специ-альная	≥99,5	0,2	0,1	0,04	0,05	0,3

Таблица 11. Электрофизические показатели стеклоэмалей

Номер стекло-эмали	104 tgδ при		ρ, Ом·м, при 2000С	TKε, 10 К-1	εr	Температура, 0С
	200С	2000С				Размягче-ния	Каплеобра-зования
7	11	20	1010	70	10	560±10	820±10
272	10	12	1013	70,5	9	750	-
278-2	18	20	1013	70±5	9	710±10	840±10
43	23	25	5·1010	65±5	17	620±10	800±10
25	27	28	5·1010	77±5	-	-	-

 

Таблица 12. Основные физико-химические свойства образца

Материал	Плотность, кг/м3	Твёрдость по Моосу	Микротвёрдость, ГПа	Модуль упругости, ГПа	ТКl, 10-6 К-1
Алмаз	3490-3540	10	10	90	0,9-1,45
Кубический нитрид бора	3440-3490	9,9	9,25	72	2,1-4,0
Карбид кремния	3200	9,0	3,3-3,6	36,5	6,5
Электрокорунд	3950	8,5	2,0-2,1	-	7,5

Таблица 13. Составы для металлизации керамических материалов

Керамический материал	Компоненты пасты	Состав пасты в %( по массе)
Стеатитовая керамика	Молибден Железо	98 2
Форстеритовая керамика	Молибден Марганец	96 4
Коррундомуллитовая керамика УФ-46	Молибден Марганец	80 10:20
Корундовая керамика	Алюмосиликатный плавень* Молибден Марганец Борид молибдена Глазурь	10 74 15 5 6

* Добавляется при 100% марганца

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Электротехнические материалы: Справоч­ник/В. Б. Березин, Н. С. Прохоров, Г. А. Рыков, А. М. Хайкин. М.: Энергоатомиздат, 1993. 504 с.

2. Никулин Н. В., Кортнев В. В. Оборудова­ние и технология производства электротехнических конструкций. М.: Энергия, 1999. 416 с.

3. Белинская Г. В., Выдрик Г. А. Технология электровакуумной и радиотехнической керамики. М.: Энергия, 1997. 336 с.

4. Материаловедение и проблемы энергетики: Пер. с англ./Под ред. Г. Ф. Мучника. М.: Мир, 1992. 576 с.

5. Технология электрокерамики/Г. Н. Маслен­никова, Ф. Я. Харитонов, Н. С. Костюков, К. С. Пи­рогов. М.: Энергия, 1994. 224 с.

6. Масленникова Г. Н., Харитонов Ф. Я., Дубов И. А. Технологический расчет в керамике. М.: Стройиздат, 1994. 224 с.

7. Балкевич В. Л. Техническая керамика. М.: Стройиздат, 1944. 255 с.

8. Прозрачные поликристаллические керами­ческие материалы/ Под ред. Г. А. Выдрика, Т. В. Со­ловьевой. Обзорная информация. Сер. Электротех­нические материалы. М.: Информэлектро, 1995. 49 с.

9. Попильский Р. Я., Пивинский Ю. Е. Прес­сование порошковых керамических масс. М.: Метал­лургия, 1993. 176 с.

10. Абразивная и алмазная обработка мате­риалов: Справочник/Под ред. А. Н. Резникова. М.: Машиностроение, 1997. 392 с.

11. Исследование и разработка материалов для реакторов термоядерного синтеза. М.: Наука, 2000. 183 с.

12. Синтез и исследование материалов на ос­нове силикатов и других тугоплавких соединений. Тр. МХТИ им. Д. И. Менделеева. Вып. 123. М.: 1993. 298 с.

13. Лазарев В. Б., Соболев В. В., Шпалыгин И. С. Химические и физические свойства про­стых оксидов. М.: Наука, 1993. 254 с.

14. Костанян К. А., Геворкян X. О. Керами­ческие и стеклянные диэлектрики в электронной технике. Ереван: Изд-во АН Арм. ССР, 1994, 204 с.

15. Электрические изоляторы/Под ред. Н. С. Костюкова. М.: Энергоатомиздат, 1994. 296 с.

16. Самсонов Г. В. Тугоплавкие соединения: Справочник по свойствам и применению. М.: Металлургиздат, 1993. 398 с.

17. Самсонов Г. В., Кулик О. П., Полищук В. С. Получение и методы анализа нитридов. Киев: Наукова думка, 2000. 317 с.

18. Андреевский Р. А., Спивак И. И. Нитрид кремния и материалы на его основе. М.: Металлур­гия, 1998. 136 с.