Korszerű műszaki kerámiák 1. Bevezetés Menyhárd Alfréd, Szépvölgyi János BME Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék
[email protected] 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
Porok feldolgozása és formázása
6. előadás
Szinterelés, zsugorítás
Szerkezeti kerámiák
11. előadás
Funkcionális kerámiák
10. előadás
Tönkremenetel
9. előadás
Felületi rétegek és filmek kialakítása
8. előadás
Alapanyagok és élőállítás
5. előadás
Anyagtudományi alapok
4. előadás
7. előadás
Korszerű kerámiák
3. előadás
Bevezetés, hagyományos kerámiák
2. 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 Égetett
- Keramos
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
11
Korszerű műszaki kerámiák
Kerámiák piaci helyzete
Évi világforgalom ~ 1011 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 ~ 1,711 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 NaAlSi3O8-KAlSi3O8-CaAl2Si2O8 A legfontosabb ásványcsoport, mert a földkéreg 60-65%-át ez a csoport alkotja. Nagy mennyiségben áll rendelkezésre 26
Agyagásványok II.
Alumínium-hidroxi-szilikát
xAl2O3· ySiO2· zH2O Kristályos, rétegrács szerkezetű anyagok Fém szennyezőkkel tiszta kristályokat alkot
Tanzanit: Ca2Al3(SiO4)(Si2O7)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)
Al2O3· 2SiO2· H2O
31
Kaolinit szerkezet
SiO4 tetraéderek Koordinációs szám 4
32
Kaolinit kristályszerkezete
A tetraéderek kapcsolódása: atomkötegek
33
Kaolinit kristályszerkezete
AlO6 oktaéderek Koordinációs szám: 6
34
Kaolinit kristályszerkezete
1:1 típusú rétegszilikát
35
Pirofillit
2:1 típusú rétegszilikát Al2O3· 4SiO2· H2O
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
Háztartási kerámiák
Csempék, burkolólapok, szaniterárúk 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 por
Hagyományos szárítás
Porlasztva szárított
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 (SiO2) – mullit (3Al2O3· 2SiO2) – korund (α-Al2O3)
59
Kétalkotós fázisdiagram modellezése
60
Háromalkotós elegy fázisdiagramja
61
Háromalkotós elegy fázisdiagramja
Krisztoballit – SiO2 Tridimit – SiO2 Wollasztonit – CaO· SiO2 Mullit – 3Al2O3· 2SiO2 Anortit – CaO· Al2O3· 2SiO2 Gehlenit – 2CaO· Al2O3· SiO2
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
Gőz termelés
Rakodá s
Víz
Szén tárolás
Tárolás
Szén fogadás
67
Finomkerámia termékek gyártása
Formázás
Szárítás
Rakodá s
Víz
Massza készítés
Tárolás
Tüzelőanyag (gáz)
Előkészítés
Égeté s
Nyersanyag fogadása Agyag Kaolin Kvarc Földpát
68
Burkolólap készítése
Bonyolult ipari folyamatok
69
