MISKOLCI EGYETEM Mőszaki Anyagtudományi Kar Kerámia-és Szilikátmérnöki Tanszék
KERÁMIATAN I. gyakorlati segédlet
4. gyakorlat: Porcelán termékek mázazása, a máz lineáris hıtágulási együtthatójának meghatározása
Összeállította:
Dr. Simon Andrea Géber Róbert
__________________________________________________________________________ MISKOLCI EGYETEM KERÁMIATAN I. Műszaki Anyagtudományi Kar Gyakorlati segédlet Kerámia- és Szilikátmérnöki Tanszék 4. gyakorlat 1. A gyakorlat célja
A gyakorlat során a hallgatók négy lépésre bontva megismerik a finomkerámia-ipari termékek gyártástechnológiai folyamatát, ehhez kapcsolódó számítási feladatokat végeznek el. A negyedik gyakorlaton a mázazás technológiáját, illetve a mázak lineáris hıtágulási együtthatójával kapcsolatos számításokat ismerhetik meg. A
laborgyakorlat
helye:
a
Kerámia-
és
Szilikátmérnöki
Tanszék
Portechnológiai
Laboratóriumának oktatóterme. A gyakorlathoz szükséges: számológép (nem telefon), periódusos rendszer, saját jegyzet.
2. Ajánlás A gyakorlat másodéves Anyagmérnök BSc képzésben résztvevı nappali hallgatók tantervében szerepel a Kerámiatan I. címő tantárgy keretein belül. A gyakorlat elvégzéséhez általános
kémiai
és
matematikai
ismeretek,
továbbá
a
szilikátipari
alapanyagok
összetételének ismerete szükséges.
3. Elméleti alapok A porcelán termékeket a zsengéléssel készítik elı a következı technológiai lépésre, a mázazásra. A máz egy olyan bevonat, amely a termék felületén, az égetési folyamat alatt képzıdik. A máz funkciói: •
jobb mechanikai tulajdonságok,
•
esztétika,
•
vegyi ellenállóképesség,
•
felületmódosítás,
•
értéknövelés.
A mázazáshoz tiszta felülettel rendelkezı, porózus, nyers vagy zsengélt féltermék szükséges, amit néhány másodpercre a máziszapba merítenek. Ennyi idı alatt a cserép magába szívja az iszap nedvességtartalmát, miközben a szárazanyag a cserép felületére tapad. A kialakuló mázréteg vastagsága a cserép porozitásától, az iszap sőrőségétıl és a merítés idejétıl függ. A mázazás az alábbi módszerekkel mehet végbe: •
merítés,
•
ráfolyatás,
•
porlasztás,
•
elektrosztatikus módszer, 2
__________________________________________________________________________ MISKOLCI EGYETEM KERÁMIATAN I. Műszaki Anyagtudományi Kar Gyakorlati segédlet Kerámia- és Szilikátmérnöki Tanszék 4. gyakorlat
•
mázazás elıtt viaszolás/utána szivacs.
A mázazott cserép szerkezetét az 1. ábra mutatja. A máz SiO4 tetraéderekbıl álló, üveges fázist alkot. Az átmeneti rétegben a fel nem oldódott mázalkotók, és a cserép kristályos alkotói találhatók. A máz és a cserép eltérı összetételébıl és hıtágulásából adódó feszültségeknek az átmeneti rétegben kell kiegyenlítıdniük.
1. ábra. Mázas cserép szerkezete
A mázakat alkotó oxidokat Seger három csoportba sorolta: •
módosító oxidok: Na2O, K2O, CaO, MgO, PbO, ZnO,
•
átmeneti oxidok: Al2O3, Fe2O3,
•
rácsképzı oxidok: SiO2, B2O3, P2O5.
A Seger-képlet az oxidokat mólarányban tartalmazza, és a bázikus-savanyú-semleges oxidok arányát mutatja: RO - m R2O3 - n RO2. A Seger-képletben balra kerülnek a módosító oxidok (R2O vagy RO), középre a átmeneti oxidok (R2O3), jobbra pedig a rácsképzı oxidok (RO2) mólszámai. A módosító oxidok mólszám összegének minden esetben egynek kell lenni, amennyiben ez a feltétel nem teljesül, akkor arányosan a képletet egyre kell rendezni. Az égetés során a hımérséklet változásával az anyagok változtatják kiterjedésüket. Lineáris hıtágulásról akkor beszélünk, ha vizsgált test hosszához képest annak többi méretét, kiterjedését elhanyagolhatjuk. A lineáris hıtágulási együttható tehát a szilárd anyag hımérsékletváltozásra adott hosszméret változásának a mértéke, melyet a következı összefüggéssel írhatunk le:
α=
1 ∆L ⋅ ; [ K −1 ] L ∆T
ahol: •
α: lineáris hıtágulási együttható; [K-1]
•
L: a próbatest eredeti hossza; [mm]
•
∆L: a próbatest hosszváltozása; [mm]
•
∆T: a hımérséklet változása; [K] 3
(1)
__________________________________________________________________________ MISKOLCI EGYETEM KERÁMIATAN I. Műszaki Anyagtudományi Kar Gyakorlati segédlet Kerámia- és Szilikátmérnöki Tanszék 4. gyakorlat
A kerámia cserép és máz az égetés során– eltérı fizikai tulajdonságaik (cserép: szilárd, máz viszkózus folyadék) miatt – egymástól eltérı módon viselkednek. Abban az esetben, ha a két alkotórész hıtágulási együtthatója nincs megfelelıen megválasztva és összehangolva, akkor a késztermékben feszültség keletkezik. A máz és a kerámia cserép között feszültségmentes, ideális állapot nem jöhet létre, mivel a máz a cserép különbözı mélységeiben eltérı kémiai, krisztallográfiai és fizikai tulajdonságokkal rendelkezik. A máz magas hımérsékleten olvadék formájában van jelen a rendszerben. A hőlés kezdetekor a cserép összehúzódása nem okoz gondot, azonban alacsonyabb hımérsékleten a máz is fokozatosan kezd megdermedni. Ettıl kezdve a mindkét anyagnak már együtt kell zsugorodnia. Ha ez a feltétel nem teljesül, akkor a következı esetek következhetnek be: •
Ha a máz hıtágulási együtthatója nagyobb, mint a kerámia cserépé, akkor a máznak többet kellene zsugorodnia. Mivel ezt a cserép nem engedi, így a máz anyagában húzófeszültség alakul ki. Ha a húzófeszültség nagysága meghaladja a máz mechanikai szilárdsága és rugalmassága által még elviselt értéket, megszőnik a máz egyenletes felülete, folytonossága, és hajszálrepedések jelennek meg a felületen.
•
Ha a máz hıtágulási együtthatója kisebb, mint a kerámia cserépé, akkor lehőlés során a
máz
kevesebbet
zsugorodik.
Ennek
következtében
a
máz
anyagában
nyomófeszültség, a cserépben pedig húzófeszültség alakul ki, amely miatt a máz lepattoghat. A mázakat a nyomófeszültség domborúvá, a húzófeszültség pedig homorúvá görbíti. A hajszálrepedések, illetve lepattogzások megszüntetésének két lehetséges módja lehetséges: 1. A porcelán öntımassza alkotórészeit kell megváltoztatni, a máz összetételét pedig változatlanul kell hagyni. 2. A máz összetételét kell megváltoztatni, a massza összetételét pedig változatlanul kell hagyni.
4
__________________________________________________________________________ MISKOLCI EGYETEM KERÁMIATAN I. Műszaki Anyagtudományi Kar Gyakorlati segédlet Kerámia- és Szilikátmérnöki Tanszék 4. gyakorlat
4.1. A lineáris hıtágulási együttható meghatározása számítással Határozzuk meg az 1. Táblázatban megadott összetételő máz lineáris hıtágulási együtthatóját. 1. Táblázat. A máz oxidos összetétele és jellemzıi Anyagmennyiség,
Hıtágulási
Moláris tömeg,
mol
együttható, · 10-7
g/mol
MgO
0,195
0,1
40
CaO
0,578
5
56
K2O
0,227
8,5
94
Al2O3
0,392
0,5
102
SiO2
3,72
0,8
60
Oxid
Mivel a máz lineáris hıtágulási együtthatójának számításához ismernünk kell a tömeg%-os összetételt, így elsıként a mázat alkotó oxidok tömegét kell meghatározni.
m = n⋅M MgO
mMgO= 0,195 mol · 40 g/mol = 7,8 g
CaO
MCaO= 0,578 mol · 56 g/mol = 32,4 g
K2O
MK2O = 0,227 mol · 94 g/mol = 21,3 g
Al2O3
MAl2O3= 0,392mol · 102 g/mol = 40 g
SiO2
MSiO2= 3,72 mol · 56 g/mol = 208,3 g
Σm
309,8 g
(2)
Most határozzuk meg a máz tömeg%-os összetételét. MgO:
7,8/309,8· 100 = 2,6%
CaO:
32,4/309,8· 100 = 10,5%
K2O:
21,3/309,8· 100 = 6,9%
Al2O3:
40/309,8· 100 = 12,9%
SiO2:
208,3/309,8· 100 = 67,2%
A máz lineáris hıtágulási együtthatója:
α máz = α máz =
m1 ⋅ x1 + m2 ⋅ x2 + ... + mi ⋅ xi 100
(2,6 ⋅ 0,1 + 10,5 ⋅ 5 + 6,9 ⋅ 8,5 + 12,9 ⋅ 0,5 + 67,2 ⋅ 0,8) ⋅10 −7 = 1,716 ⋅ 10 −7 100 5
(3)
__________________________________________________________________________ MISKOLCI EGYETEM KERÁMIATAN I. Műszaki Anyagtudományi Kar Gyakorlati segédlet Kerámia- és Szilikátmérnöki Tanszék 4. gyakorlat
4.2. A lineáris hıtágulási együttható dilatométeres meghatározása A számítással kapott eredmények kissé eltérnek a méréssel meghatározható értékektıl, ennek ellenére jól hasznosíthatók a gyakorlatban. Az eltérés egyrészt az illó mázalkotóknak, másrészt az átmeneti réteg kialakulásának1 köszönhetı. A hıtágulás méréséhez a dilatométer mintatartójába helyezett mintadarabot hevítik, közben rögzítik a minta hosszváltozását. Annak érdekében, hogy a máz és a cserép hıtágulását össze lehessen hasonlítani, mindkét anyag mérésére szükség van (2. ábra).
2. ábra. Máz és cserép dilatogramja
A legáltalánosabban használt dilatométerektıl eltérıen – melyek nyomórudas elven mőködnek - a gyakorlat során a kerámia próbatestek hıtágulási együtthatójának méréséhez a Linseis L75 típusú lézer dilatométert használjuk. A berendezés elvi mőködését és térbeli rajzát a 3. ábra szemlélteti.
3. ábra .A lézer dilatométer mőködési elve
1
A részleges oldódás miatt a máz kémiai összetétele megváltozik.
6
__________________________________________________________________________ MISKOLCI EGYETEM KERÁMIATAN I. Műszaki Anyagtudományi Kar Gyakorlati segédlet Kerámia- és Szilikátmérnöki Tanszék 4. gyakorlat
A mérés során egy maximálisan 20 mm hosszúságú és 7 mm átmérıjő kerámia próbatest mérésére van lehetıségünk. A minta egy mozgatható dugattyúval (vákuumcsıvel) illeszthetı a mérıegységbe. Az optikai egységbıl egy detektoron és egy ablakon át, a vákuumcsöveken keresztül érkezik a vizsgálathoz használt lézersugár a minta felületére. A módszer elınye, hogy a minta hı hatására bekövetkezı tágulása nagyon pontosan mérhetı a lézersugár segítségével. A próbatest kiesését egy hıálló védıhenger akadályozza meg, a kívánt hımérsékletet pedig indukciós kemence segítségével akár 1000 °C-ig is beállíthatjuk. A mérés során a hıtágulási együttható értékét differenciális módszerrel, egy etalonhoz hasonlítva határozzuk meg.
Irodalomjegyzék [1] Szilikátipari kézikönyv, fıszerk. Dr. Tamás Ferenc, Mőszaki Könyvkiadó, Bp., 1982 [2] Somodi Zsuzsa, Pálffy András, Dr. Kámory Lajos: Finomkerámiaipari technológia, Budapest, 1984
7
8
