Керамические и огнеупорные материалы

                 

                  8.2.1 Особенности структуры и свойств керамики

Под керамикой понимаются поликристаллические материалы, получаемые спеканием неметаллических порошков природного или искусственного происхождения -  оксидов металлов и неметаллических элементов (бериллия, магния, алюминия, кремния, титана, циркония), а так же   нитридов, карбидов, боридов и др.

Керамические материалы выгодно отличаются от металли­ческих и полимерных следующими свойствами: многофункцио­нальностью, доступностью сырья, низкой энергоемкостью произ­водства, возможностью создания экологически безопасных технологий получения, высокой коррозионной стойкостью и ус­тойчивостью к радиационному воздействию, биологической со­вместимостью, возможностью регулирования свойств материала в широких пределах за счет изменения структуры, низкой плотностью и высокой огнеупорностью.

Керамика характеризуется   высокой степенью чистоты состава, высокой плотностью, малой пористостью, стойкостью к агрессивному воздействию, термомеханическими и диэлектрическими свойства и т. п.

Керамические изделия из чистых высокоогнеупорных оксидов на­ходят применение в условиях высоких (свыше 1800 °С) температур и при контакте с различными веществами: расплавленными и нагретыми металлами, расплавами, газами и др. В электропечах изделия из окси­дов применяются в виде тиглей для плавки металлов, элементов футе­ровка и тепловой изоляции высокотемпературных печей, для оболочек термопар и др.

Области применения керамики расширяются как в машиностроении, энергетике, так и в медицине и химической промышленности. Эти материалы применяются для изготовления инструмен­тов, деталей двигателей внутреннего сгорания, фильтров, мем­бран с различной пропускной способностью, элементов искусст­венных органов, износостойких покрытий, нагревательных элементов, элементов источников питания, огнеупорных изделий и др. (табл 9.2 1).

По структуре она может быть аморфная, кристаллическая или представлять собой композиционный материал с различными армирующими элементами, например, волокнами.

В сухом воздухе все оксиды устойчивы до температуры плавле­ния, в других средах и в вакууме их устойчивость заметно снижается. По степени устойчивости к воздействию расплавов металлов огнеупор­ные оксиды располагаются в ряду: Th0₂>CaO>BeO>Zr0₂> >Al₂0₃>MgO>Si0₂.

Конструкционные керамические материалы изготавлива­ются на основе как кислородной, так и бескислородной керами­ки. Наибольшее применение получили оксиды алюминия, цирко­ния, магния, карбиды и   нитриды кремния, титана,  бора, дисилицид молибдена, фарфор.

Эти материалы представляют собой многофазные системы, в которых присутствуют кристаллическая, аморфная и газовая фа­зы. Кристаллическая фаза, составляющая основу конструкцион­ной керамики, представляет собой твердые растворы или опреде­ленные химические соединения. Аморфная фаза находится по границам кристаллической и может составлять до 40%. Газовая фаза образуется при обжиге керамики и для конструкционной керамики в основном нежелательна. В зависимости от формы пор и количества газовой фазы, керамику подразделяют на плотную, без открытых пор и пористую. Наличие пор обусловливает сни­жение прочности керамики (рис.8.1).

Рис. 8.2.1 Влияние пористости на прочность керамики (в относительных единицах)

Существенное влияние на механическую прочность керами­ки оказывает температура. Например, для оксидной керамики характерна незначительная потеря прочности (до 15%) при тем­пературах до 800°С, а затем более резкое ее падение, при темпе­ратурах выше 1200^СС потеря прочности составляет более 50%.

Одним из основных недостатков керамики является ее хрупкость, так как для распространения трещины в керамиче­ском материале расходуется энергии в тысячу раз меньше, чем в металлах. Снижения хрупкости добиваются путем армирования керамики волокнами из хрома, никеля, ниобия, вольфрама, вве­дением в состав диоксида циркония. Применяются также методы поверхностного упрочнения керамических материалов путем ла­зерной аморфизации поверхности.

Другие  недостатки керамики - чувствительность к термоударам (особенно переохлаждению), низкое временное сопротивление, сложность механи­ческой обработки.

Для футеровки печей применяют огнеупорные материалы, которые способны, не расплавляясь, противостоять действию высоких температур. Материалы для футеровки или для каких-либо конструктивных узлов электропечей имеют некоторые особенности в сравнении с материалами для пламенных печей. В электрических печах нет воздействия на материалы со стороны компонентов топлива, а также исключено эрозионное воздействие факела пламени или дымо­вых газов. Но вместе с тем материалы в электропечах должны быть устойчивы по отношению к специализированным средам (жидким или газообразным). Материалы футеровки сами не должны взаимодействовать с материалами электронагревательных элементов и оказывать вредного воздействия на среду внутри печной камеры или на обрабатываемые в печи материалы. Не менее важное значение имеют электроизоляционные качества используемых материалов и футеровки печи в целом.

Основными причинами разру­шения изделий являются их деформация и дополнительная усадка, растворение в шлаке или расплаве, разъедание газами, растрескива­ние, истирание и др. Характер воздействия и механизм разрушения огнеупорных изделий под влиянием различных факторов определяется составом и структурой материала.

 

8.2.2. Виды и классификация керамических и

огнеупорных материалов

По составу керамику  подразделяют на кислородную состоящую, из оксидов металлов и неметаллических элементов (бериллия, магния, алюминия, кремния, титана, циркония) и бескислородную — нитридную, карбидную, боридную и др.,

а по функциональному назначению на конструкционные, электрические, опти­ческие, магнитные, биологические, бытовые (для изготовления различной посуды, художественных изделий и т.д.), огнеупорные.

Огнеупор­ные материалы по химико-минеральному составу классифицируются на 15 типов: кремнеземистые, алюмосиликатные, глиноземистые, глиноземоизвестковые, магнезиальные, магнезиально-известковые, известковые, магнезиально-шпинелидные, магнезиально-силикатные, хромистые, цирконистые, оксидные, углеро­дистые, - карбидкремниевые, бескислородные. Каждый тип огнеупоров подразделяется на группы с определенным химическим составом и свойствами. Внутри группы конкретные изделия имеют марки, первые буквы которых отражают, как правило, наименование группы.

По огнеупорности огнеупорные материалы подразделяются на три группы: средней огнеупорности — от 1580 до 1770, высокой—свыше 1770 до 2000, высшей—свыше 2000°С.

В зависимости от пористости формованные огнеупоры подразде­ляются на плотные (пористостью менее 45 %) и   легковесные (от 45 % и выше). Огнеупорные материалы подразделяются: на огнеупорные изделия (формованные огнеупоры), имеющие опреде­ленную геометрическую форму и размеры; огнеупоры неформованные, выпускаемые без определенных форм и размеров: готовые к при­менению; употребляемые после смешивания с другими готовыми ком­понентами, в том числе с затворителями; применяемые после допол­нительной технологической обработки (полуфабрикаты).

По форме и размерам огнеупорные изделия (с учетом их массы и размеров) подразделяются: на прямые; клиновые; фасонные простой, сложной и особо сложной конфигурации; рулонные и листовые; мелкоштучные разного назначения массой преимущественно менее 1 кг; блочные массой свыше 40 до 1000 кг; крупноблочные массой свыше 1000 кг.

Неформованные огнеупоры в зависимости от назначения подраз­деляются: на бетонные массы и смеси, в том числе содержащие орга­ническую связку; материалы для покрытий, в том числе для обмазок и мастик; мертели; заправочные порошки; волокнистые теплоизоля­ционные материалы; заполнители; цементы; порошки различного на­значения; порошковые и кусковые полуфабрикаты.

 

8. 2.3. Области применения керамических материалов

 

 1. Оксид алюминия и материалы на его основе

Кристаллическую а-модификацию оксида алюминия (а-А1₂Оз) на­зывают корундом и применяют в виде материалов, имею­щих следующие товарные названия: спеченный корунд, спеченный гли­нозем, электрокорунд, алунд, корракс, корунд, монокорунд, синтеркорунд, спфир и др. Название продукта зависит от способа его получения (обработки, приводящей к превращению оксида алюминия в а-А1₂0₃) или от вида продукции (порошок, керамика, кирпич и т. п.).

В зависимости от способа получения и назначения технический корунд может содержать 95,0—99,8 % А1₂0₃. Корунд химически стоек до высоких температур к воздействию кислых и основных шлаков, ме­таллов, стекол, окислительных и восстановительных реагентов. Истин­ная плотность поликристаллического материала 3950—4010 кг/м³ (плотность монокристалла 3992—3960 кг/м³),

плотность расплава 2970 кг/м³. У материала с плотностью 3750—3850 кг/м³ предел проч­ности при сжатии достигает 1000—1500 МПа, при изгибе 200—300 МПа.  Температура плавления корунда – 2050 ^оС,

Алюмооксидная керамика широко используется в электро­нике для изготовления подложек интегральных схем, а также для подложек корпусов больших интегральных схем (чипов). Из нее изготавливают резцы для чистовой обработки, абразивные инструменты, фильеры для кабельной промышленности, свечи зажигания ДВС, детали машин тигли для плавки металлов, футеровку  цемен­тационных печей.

Корундовые огнеупоры относятся к глиноземистым материалам, содержат более 90 % Al0₃ и малое количество нежелательных приме­сей (оксидов кремния, железа, щелочей), их огнеупорность превышает 1950 ^СС. Они химически нейтральны и устойчивы к воздействию прак­тически всех металлов (в нагретом или расплавленном состоянии), шлаков, большинства газов, восстановительных реагентов и вакуума. Корундовые изделия механически очень прочны, их термостойкость за­висит от структуры и способа изготовления.

Из корунда изготовляют как огнеупорные изделия (кирпич, раз­личные фасонные огнеупоры) зернистого строения и достаточно термо­стойкие, так и спекшуюся плотную керамику более мелких и сложных фасонов. Добавка к корунду некоторых оксидов позволяет изменять свойства изделий. Плотные корундовые изделия применяются для кладки рабочего (незащищенного) слоя в электро­печах различного назначения, с любыми, в том числе тяжелыми, усло­виями эксплуатации: в высокотемпературных, вакуумных, водородных, с углеродсодержащей атмосферой, плавильных, нагревательных элек­тропечах, для химико-термической обработки, и др. Температура при­менения некоторых корундовых изделий близка к их огнеупорности. Выпускаются также легковесные высоко пористые корундовые огне­упоры в виде нормального прямого и клинового кирпича и некоторых фасонных изделий (блоков), их температура применения в любых атмосферах не превышает 1500 °С, так как выше этой температуры изделия имеют значительную усадку.

До температуры 1800 °С корунд (плотные изделия) стоек к дей­ствию восстановителей (углерода, оксида углерода, углеводородов, водорода), воды и водяного пара, любых газов (кроме фтористого водорода), не взаимодействует с сильно нагретыми Мо, W, Ni, в том числе в восстановительных средах. Корундовые изделия стойки к воздействию  стекол, шлаков. В тиглях из корунда можно плавить алюминий и его соединения с другими металлами, щелочные и щелочноземельные ме­таллы.

Широкое применение нашли алюмосиликатные огнеупоры (шамотные, муллитокремнеземистые, муллитовые, муллитокорундовые) со­держащие  более 45 % Аl₂О_э Их объединяют общим названием - вы­сокоглиноземистые.

Алюмосиликатные огнеупоры имеют наибольшее применение в электропечах различного назначения.

Шамотные огнеупоры изготовляются из огнеупорных глин или као­линов с отощением (добавкой) их шамотом (обожженной глиной) или непластичной неразмокающей в воде глинистой породой. Содержание А1₂0₃ в шамотных изделиях —от 28 до 45 %, огнеупорность их состав­ляет 1600—1750 °С. Шамотные изделия могут служить в условиях воз­действия кислых и основных шлаков, расплавов солей; в зависимости от способа изготовления они достаточно термостойки. Изделия приме­няются для кладки электропечей различного назначения (плавильных, нагревательных, для термообработки), работающих, главным образом, в условиях воздушной (слабоокислительной) атмосферы. Шамотные огнеупоры выпускаются различных форм (фасонов) и марок, -плотные и легковесные.

Шамотные легковесные изделия используются для кладки рабоче­го (незащищенного) или внутреннего (защищенного) слоя футеровки электропечей различного назначения. Легковесные изделия изготовля­ются в виде прямых или фасонных кирпичей (только простой формы). Легковесные изделия не должны подвергаться воздействию расплав­ленных шлаков, металлов, стекла, золы, истирающим усилиям и ме­ханическим ударам. Они могут применяться в качестве промежуточной теплоизоляции в плавильных или высокотемпературных электропечах. Огнеупоры ШЛ-0,4 и ШТЛ-0,6 могут применяться в контролируемых углеродсодержащих атмосферах до П00^сС; огнеупоры ШЛ-1Д ШЛ-1,0, ШЛ-0,9 допускается применять в вакууме до 1000 °С. Физико-химические показатели легковесных шамотных огнеупоров регламентированы ГОСТ 5040-78.

Муллитокремнеземистые и муллитовые огнеупоры содержат 45—72%  Al₂О_э, имеют огнеупорность не ниже 1700^СС и в качестве основной составляющей кристаллической фазы содержат муллит 3Al₂0₃х2SiО₂. Связка между зернами муллита — стекло с раз­личным содержанием кремнезема. Материалы достаточно стойки к воз­действию металлов, шлаков, расплавов и газов, достаточно термостой­ки, содержат сравнительно небольшое количество вредных примесей. Их применяют в огнеупорном незащищенном слое фу­теровки электропечей различного назначения. Выпускаются в виде плотных изделий различной конфигурации и в виде легковесных пря­мых и малосложных фасонных изделий. Легковесные материалы не должны подвергаться воздействию расплавов металлов, шлаков и сте­кол, истирающим усилиям и механическим ударам. Плотные материа­лы с содержанием А1₂0₃ более 60 % могут применяться в вакууме, углеродсодержащей атмосфере и неосушенном водороде.

Муллитокорундовые огнеупоры содержат от 72 до 90% А1₂0₃ и незначительное количество примесей; их огнеупорность выше 1800 ^СС; в качестве основных слагающих кристаллических фаз они содержат муллит и корунд; связка меж­ду ними — малокремнеземистое стекло, свободный кремнезем отсут­ствует. Материалы обладают большой механической прочно­стью, малой пористостью и газопроницаемостью, удовлетворительной термостойкостью. Они могут применяться в качестве огнеупорного ра­бочего слоя в электропечах различного назначения, в том числе в не­посредственном контакте с расплавами металлов, солей, шлаков и сте­кол с газами и нагретыми металлами, в вакууме, углеродсодержащеий атмосфере и неосушенном водороде. Выпускаются в виде плотных изде­лий различной формы и конфигурации.

 

2. Кремнеземистые материалы

Диоксид кремния Si0₂ (кремнезем) восстанавливается водородом, угле­родом и оксидом углерода до летучего монооксида кремния SiO и ме­таллического Si. В огнеупорах с содержанием от 8 до 95 % Si0₂ он восстанавливается в 100%-ном водороде и диссоциированном аммиаке (75% водорода) в интервале температур 1150—1500 °С. В присутствии паров воды скорость восстановления замедляется. Наиболее активное восстановление имеет место при 1260°С. Активно кремнезем восстанав­ливается в огнеупорах с содержанием свыше 52 % свободного Si0₂, причем с увеличением содержания водорода в атмосфере скорость вос­становления растет. Алюмосиликатные материалы, содержащие менее 52 % Si0₂, в 100.%-ном водороде восстанавливаются медленнее, чем в атмосфере, содержащей 50 % водорода.

К кремнеземистым материалам относятся динасовые огнеупоры. Они содержат не менее 93 % Si0² и имеют резко выраженный кислый ха­рактер, устойчивы к воздействию кислых шлаков, реагентов и стекол, их огнеупорность не ниже 1680 °С. Главные области применения динасовых огнеупоров: коксовые и стекловаренные печи, своды электросталеплавильных и других электропечей; они мо­гут также применяться в электрических нагревательных печах непре­рывного действия, где температуры выше допустимых для применения шамотных изделий. Динасовые изделия отличаются высокой (1600— 1650 °С) температурой начала деформации (поэтому их можно при­менять в сводах печей), дополнительным ростом в работе и несколько повышенной по сравнению с шамотными изделиями теплопроводно­стью. При колебаниях температуры в области ниже 700—800 °С дина­совые изделия термически неустойчивы из-за модификационных пре­вращений кремнезема. Легковесный динас применяется для кладки сводов с большими пролетами и при температуре печи до 1450 °С, в том числе для периодических печей. Ниже 1450 °С легковесный ди­нас не взаимодействует с кладкой, выполненной из шамотного (легко­весного), полукислого, каолинового, высокоглиноземистого, хромитопе-риклазового и периклазового материалов.

 Динасовые огнеупоры, содер­жащие свободный кремнезем, не рекомендуется применять в водород­ных атмосферах при температурах выше 1000 °С. Восстановлению во­дородом подвергаются также материалы, содержащие связанный крем­незем в соединениях: 3Al₂0₃-2Si0₂; 2CaO-Si0₂; 2MgO-Si0₂; CaO-MgO-Si0₂ и др. Восстановленный SiO (газообразный) в более холодных участках печи вновь окисляется до Si0₂ (кристобалит), обра­зуя белый налет — «кварцевый снег».

 

              3. Магнезиальные и магнезиально-шпинелидные огнеупоры

Магнезиальные огнеупоры содержат в своем составе ие менее 85 % оксида магния MgO (периклаза), обладающего значительной устойчи­востью к воздействию металлов, оксидов железа и основных метал­лургических шлаков. Магнезиальные изделия отличаются высокой огне­упорностью (свыше 2000 °С), что обусловило их широкое применение в качестве футеровки в ряде тепловых агрегатов различных отраслей промышленности, в том числе для различных плавильных электропе­чей. Изделия изготовляются из обожженного магнезитового порошка с содержанием MgO не менее 88 % только плотными, в виде прямых и клиновых изделий различной формы и массы.

Магнезиальные изделия имеют малую термостойкость, т. е. раз­рушаются при резких температурных перепадах. Для повышения тер­мостойкости в их состав добавляют некоторое количество А1₂0₃, еще более термостойкие изделия получаются при добавке хромита Сг₂0з.

К магнезиально-шпинелидным огнеупорам относятся изделия из MgO с добавкой оксида алюминия (оксида хрома), в которых обра­зуется шпинельная (шпинелидная) связка, повышающая термостой­кость изделий. Это периклазохромитовые, хромитопериклазовые, хромитовые, периклазошпинелидные, периклазошпинельные, шпинельные огнеупоры.

Как и магнезиальные, изделия этих групп применяются для клад­ки электрических сталеплавильных и других печей. Изделия обладают высокой шлакоустойчивостью и хорошей термостойкостью и использу­ются в наиболее ответственных местах кладки, в том числе в сводах сталеплавильных, медеплавильных, нагревательных и других печей. Особо высокой стойкостью в службе отличаются плотные периклазохромитовые изделия с пористостью 16.% и ниже. Материалы этой группы не используются в электропечах с контролируемыми атмосфе­рами. Выпускаются только плотные изделия несложных фасонов.

Периклазохромитовые изделия имеют огнеупорность 2000°С, температуру применения на воздухе до 1500°С (ГОСТ 10888-76).

Хромитопериклазовые огнеупоры имеют огнеупорность 2000 °С  (ГОСТ 5381-72).

  В окислительной среде MgO испаряется без разложения, в восстановительной среде MgO разлагается с образованием свободно­го Mg. В восстановительной среде MgO может использоваться до 1800 ^СС, в вакууме — до 1600 °С. С сухим водородом MgO не взаимо­действует до 2500 °С, с хлором при 200 °С образует MgCl₂. MgO явля­ется основным оксидом. Обожженный MgO при высоких температурах стоек к действию органических кислот, кислых газов, влаги и нейтраль­ных солей. MgO не взаимодействует с углеродом ниже температуры 1800 °С, но интенсивно взаимодействует с ним и карбидами металлов при 2000^СС. MgO легко взаимодействует со всеми кислотными окси­дами, а также с Сг и Мп.

В тиглях из MgO не происходит восстановления при плавке Fe, Zn, Sn, Си и А1 при атмосферном давлении. MgO не взаимодействует с расплавами хлористых и фтористых солей.

                             4. Карбид кремния

Карбид кремния SiC (карборунд) до температуры 2093 °С имеет кубическую форму кристаллической решетки,| выше 2093—2399 °С она переходит в гексагональную a-SiC, которая при 2400—2700°С разлагается (диссоциирует), не расплавляясь, на Si и С. Карбид кремния имеет следующие показатели:

Температура плавления, °С.                                                    2820

Плотность, кг/м³................................................................................... 3200

Температурный коэффициент линейного расширения при

24—2400 °С,     - - -      ...      .                            5,88

Предел прочности при разрыве, МПа                               .     35—42

Предел прочности при сжатии, МПа....      .       576

Предел прочности при изгибе при 1370 °С, МПа     ..            490

Твердость по Моосу      .           .                  .. 9,0—9,5

Термостойкость.......................................                                      Высокая

Модуль упругости при 20 ^СС, 10⁵ МПа...............................            4,8

Теплопроводность при 20—500°С, Вт/(м-К).                             42,0

Удельное электрическое сопротивление, Ом-м....    1,0-2,0

Выпускаются два вида технического карбида кремния — черный и зеленый; черный содержит больше примесей и уступает зеленому по абразивным свойствам, по огнеупорным свойствам различия между ними не установлено. Тех­нический карбид кремния содержит 97,5 – 98,0 % SiC и примеси - Si, А1, Fe, SiO₂.

Из карбида кремния изготовляют огнеупоры и нагревательные элементы. Карбид кремния может применяться в инертной среде до 2205 ^СС, в окис­лительной— до 1650 °С. Он разлагается в азоте при температуре выше 1200 °С полностью, легко взаимодействует с фтором, расплавленными Mo, Fe, Co, Ni, Pb. Карборунд стоек в водороде до 2200 °С, в пламени HF — до 2200 ^СС, с хлором взаимодействует при температуре выше 600 ^СС, в среде оксида углерода разрушается при температуре выше 1300 °С. При высоких температурах SiC реагирует со многими оксида­ми и расплавами металлов.

Карбидкремниевые нагреватели имеют сокращенное обозначение КЭН. Они широко применяются в высокотемпературных электропечах сопротивления. По сравнению с нагревателями из сплавов сопротивления КЭН обладают рядом отличительных свойств: более высокой температурой примене­ния (до 1450—1600°С на поверхности нагревателей), более высоким удельным электрическим сопротивлением, возможностью замены вы­шедших из строя нагревателей без длительной остановки печи.

К основным недостаткам КЭН относятся: низкая механическая прочность, увеличение сопротивления нагревателей в процессе эксплуа­тации за счет окисления (старение нагревателей), нестабильность зна­чений скорости старения и срока службы. Старение КЭН вызывает дополнительные неудобства при их эксплуатации: силовое оборудо­вание печей (трансформаторы, тиристорные регуляторы) должно обес­печивать возможность повышения напряжения; вышедшие из строя КЭН должны заменяться на нагреватели с более высоким значением сопротивления по сравнению с маркировочным сопротивлением нагре­вателей, установленных в печи. Изготавливают КЭН сле­дующих типов:

КЭН А — трубчатые с утолщенными выводами;

КЭН Б—-сплошные с выводами, пропитанными сплавом металлов;

КЭН БС — сплошные с приставными выводами, пропитанными сплавом металлов;

КЭН ВП — трубчатые с выводами, пропитанными легированным кремнием;

 КЭН С — трубчатые со спиральной прорезью;

КЭН БМ — сплошные с выводами, пропитанными сплавом ме­таллов и с приваренными металлическими токоподводами;

КЭН В — трубчатые с выводами, заполненными смесью металли­ческих порошков.

В условное обозначение (маркировку) КЭН входит тип электро­нагревателя, диаметр и длина активной части, длина вывода в мм. Примеры маркировки: КЭН А 8/180/150 — карбидкремниевый электро­нагреватель трубчатый с утолщенными выводами, диаметром рабочей -части 8, длиной рабочей части 180 и длиной каждого из. выводов 150 мм; КЭН БС 25/400/70-|-340—карбидокремниевый электронагрева­тель сплошной с приставными выводами, диаметром рабочей части 25, длиной рабочей части 400, длиной каждого из выводов рабочей части 70 и длиной каждого из приставных выводов 340 мм.

 Каждый КЭН маркируют по электри­ческому сопротивлению при температуре 1000^СС на рабочей поверхно­сти. Значение маркировочного сопротивления с точностью до 0,01 Ом наносят огнеупорной краской на одном из выводов, а для нагрева­телей типа КЭН БС — на одном из концов рабочей части нагревателя. По сопротивлению все нагреватели каждого типа подразделяются на две группы: низкоомные Н и высокоомные В.

 

         5. Дисилицид молибдена и нагреватели на его основе

Дисилицид молибдена MoSi₂    содержит 63 %. Мо; 36,7% Si; 0,8.% С; 0,2% Fe, имеет плотность 6300 кг/м³, температуру плавления (2030±50)°С, температурный коэффициент линейного расши­рения 5,1х10^-6, удельное электрическое сопротивление при 20 ^СС — 0,22-10~^в Ом-м, при 1600°С — 0,75-10-^fi Ом-м, предел прочности при сжатии при 1530 °С —280 МПа, при изгибе (100 ч, 1100°С) —60 МПа, при растяжении при 1320 °С — 287 МПа. Теплопроводность MoSi₂ па­дает с 51 Вт/(м-К) при 20°С до 11 Вт/(м-К) при 1300°С. Этот ма­териал не разрушается на воздухе при нагревании до 1700 ^СС. Выше 1700 °С изделия из Мо Si₂ быстро разрушаются. MoSi₂ устойчив при нагреве в сернистом газе, в диоксиде азота - углекислом газе; после окислительного нагрева не разрушается хлористым водородом; устой­чив против всех расплавленных металлов, которые не образуют проч­ных силицидов; до 1000 °С не взаимодействует с  Pb, Na, Ag.  MoSi₂ неустойчив в среде аммиака; в вакууме при отсутствии защитного слоя Si0₂ интенсивно взаимодействует с A1, Си, Fe, Сг; может восстанавли­вать при контакте в процессе нагрева (с образованием Si0₂) менее прочные, чем Si0₂, оксиды CuO, PbO, Fe₂0₃, ZnO, MnO, Сг₂0₃.

Дисилицид молибдена MoSi₂ применяется для изготовления электронагревательных элементов, в состав которых входит 61,7 % Мо; 32,8% Si; 1,2% Fe; 0,035% Mn; 0,16.% А1; менее 0,1—0,5% Mg, Ca„. Ni, Cr, Co, V, Zr.

Нагреватели на основе дисилицида молибдена широко применяются в высокотемпературных электропечах сопротивления с различными атмосферами. Электронагреватели надежно работают в следующих сре­дах: в воздухе, окислительных и инертных газах — до 1700" °С; в вос­становительных средах — до 1500 °С.

Наиболее благоприятной средой для МоSis-нагревателей являются: воздух, С0₂, Ar, N₂, СО, углеводороды. Ниже приведена максимально допустимая темпе­ратура нагревателя, °С, в различных средах:

Воздух................................................................ 1650—1700

Азот.................................................................... 1600

Аргон, гелий.............................................   1500

Сухой водород................................................ 1350

Влажный водород............................................. 1450

Углекислый газ.................................................. 1600

Окcид углерода.................................................. 1500

Сернистый газ.................................................. 1600

Экзогаз.............................................................. 1550

Диссоциированный аммиак с 8 % Н₂.............. 1400

Метан.................................................................. 1350

Эндогаз............................................................. 1350—1450

По сравнению с карбидкремниевыми нагреватели на основе ди­силицида молибдена обладают рядом преимуществ: более высокой ра­бочей температурой на активной части нагревателей (1650—1700 ^СС) за счет образования защитной оксидной пленки из стеклообразного SiO₂ и оксидов молибдена; способностью к быстрому разогреву за счет роста электрического сопротивления с повышением, температуры; стабильно­стью электрического сопротивления в течение всего срока службы на­гревателей, что позволяет соединять их последовательно и заменять вышедшие из строя нагреватели без учета их начального электрическо­го сопротивления.

Отличительной особенностью нагревателей на основе дисилицида молибдена является способность выдерживать большую энергетическую нагрузку при высоких температурах. Это позволяет концентрировать большое количество энергии в малом объеме печи. К недостаткам на­гревателей на основе дисилицида молибдена относятся: низкая механическая прочность; низкая термостойкость; низкое начальное электри­ческое сопротивление, обусловливающее необходимость использования мощного силового оборудования; высокая пластичность в интервале температур 1400—1650 °С.

В условное обозначение (маркировку) нагревателя входят: услов­ное -буквенное обозначение материала, из которого изготовлен нагре­ватель (СМ-1), цифровое обозначение длины рабочей части нагревате­ля в миллиметрах, цифровое обозначение длины выводной части в мил­лиметрах, буквенное обозначение формы рабочей части: U — U-образ-ные, 3 — зигзагообразные, П — прямые. Пример маркировки нагревате­ля: СМ-1 315/400-U—силицид-молибденовый нагреватель с длиной ра­бочей части 315, выводной части 400 мм, с U-образной формой рабочей части. Защитная оксидная пленка, образующаяся на поверхности рабочей части нагревателя при его нагреве выше 1000 ^СС, особенно при тем­пературе выше 1400°С, за счет высокой плотности предохраняет на­греватель от дальнейшего окисления. Пленка сохраняется до темпера­туры 1650°С, а при более высокой температуре начинает плавиться, собираясь в капли, что приводит к ускоренному окислению и выходу из строя нагревателя. Плотная и прочная оксидная пленка, полученная в результате предварительного окисления стержней рабочей части при изготовлении нагревателей, сохраняется на нагревателях. Она предо­храняет нагреватель от интенсивного окисления при его разогреве от комнатной до рабочей температуры. В случае отсутствия защитной пленки при разогреве такого нагревателя происходит интенсивное его окис­ление и разрушение через несколько часов выдержки, особенно в интервале температур 400—600 °С. Этот процесс называют «чумой» дисилицида молибдена. Поэтому при разогреве нагревателей интервал температуры до 1000 °С рекомендуется проходить по возможности быстро, а при охлаждении после длительной выдержки в условиях высокой температуры, ввиду возможности отслаивания образовавшейся толстой оксидной пленки, нагреватели не рекомендуется охлаждать. ниже 1000°С, поскольку при охлаждении до комнатной температуры они обнаруживают низкую термостойкость. Нагреватели на основе дисилицида молибдена имеют более длительный срок службы при их эксплуатации в установившемся непрерывном режиме. При цикличе­ских режимах работы электропечей на срок службы нагревателей типа СМ-1 влияют все параметры цикла: время разогрева, рабочая темпе­ратура, время выдержки, время охлаждения и температура, до которой производится охлаждение. По сравнению со сроком службы нагрева­телей, работающих в непрерывном режиме при температуре 1650^СС, срок службы нагревателей, работающих в циклическом режиме, при охлаждении до 1000^СС снижается в 3 раза, при охлаждении до 20 °С — в 100 раз.

 

6. Хромит лантана и нагреватели на его основе

  Нагреватели из хромита лантана предназначены для работы в электропечах периодического и непрерывного действия с окислительной атмосферой и температурой в рабочем пространстве 1600—1700 ^СС. Электронагреватели имеют трубчатую конструкцию с рабочей частью в виде нарезанной спирали. Маркировка нагревателей включает условное бук­венное обозначение материала ЭХС — электронагреватель хромитлан­тановый спиральный, диаметр и длину рабочей части, длину одного из выводов в миллиметрах. Максимально допустимая температура эксплуатации спиральных нагревателей ЭХС составляет 1750 ^оС. Большим достоинством нагревателей из хромита лантана является возможность их длительной эксплуатации при циклическом характере работы с охлаждением от рабочей до комнатной температуры, что позволяет применять их в лабораторных печах. Однако для предотвра­щения появления микротрещин в нагревателе и снижения срока служ­бы не рекомендуются нагрев и охлаждение их со скоростью выше чем 10 К/мин.

7. Диоксид циркония и нагреватели на его основе

Для работы в окислительной атмосфере при температуре выше 1800 °С применяются нагреватели из оксидов некоторых переходных металлов, наибольшее распространение из которых нашел диоксид циркония.

Диоксид циркония Zr0₂ обычно содержит природную примесь (не­сколько процентов) диоксида гафния Hf0₂ no своим свойствам близ­кого к ZrO₂, которую при производстве огнеупоров обычно не отделяют. При нагреве до высоких температур Zr0₂ пре­терпевает сложные полиморфные превращения, сопровождающиеся объемными изменениями материала, что может привести к разрушению изделий.

Диоксид циркония Zr0₂ имеет температуру плавления 2585— 2950^СС, температу­ру кипения 4300 °С. Истинная плотность Zr0₂ зависит от его кристал­лической модификации: моноклинной — 5560 кг/м³; тетрагональной — 5100 кг/м³; кубической (твердый раствор) стабилизированной — 5270 кг/м³.

Диоксид цир­кония способен образовывать достаточно термически стабильные твер­дые растворы замещения со многими двух-, трех- и четырехвалентны­ми оксидами, для которых не характерны резкие объемные изменения при нагреве и охлаждении. Наиболее устойчивыми в широком диапа­зоне температур являются твердые растворы (кубической системы — типа флюорит) Zr0₂ со структурно близкими оксидами — стабилиза­торами, которые добавляют к Zr0₂ в количестве нескольких процен­тов: CaO, MgO, Ce0₂, Sc₂0₃, Y₂O_s. Наиболее часто используют в ка­честве стабилизаторов СаО, реже MgO и Y₂0₃.

Нагреватели из тугоплавких оксидов могут быть: трубчатые с утолщенными выводами, трубчатые с утолщенными выводами для печей с рабочим пространством внутри нагревателя, трубчатые U-образиые с выводами в одну сторону и пластинчатые.

Нагреватели из стабилизированного диоксида циркония обладают невысокой термостойкостью, в связи с чем не рекомендуются их разо­грев и охлаждение со скоростью более 4—5 К/мин.

В табл..1 приведены свойства и области применения керамических материалов, а в табл. 2 – огнеупорных.

Таблица 1

 

 

 

Таблица 2.  

Применение огнеупорных материалов в различных средах

 

Тип атмосферы	Рекомендуемые материалы
Эндотермическая цемен­тационная, экзотермиче­ская	Корундовые, высокоглиноземистые плот­ные, муллитокремнеземистые легковесные, шамотные плотные и легковесные, карбид-Кремниевые на нитридной и оксинитридной связках, цирконистые, из алюмосиликатных волокон, кордиеритовые
Водород, диссоцииро­ванный аммиак (осушен­ные)	Корундовые, цирконистые, карбидкрем-ниевые, из чистых оксидов тория, гафния, бериллия, иттрия
Водород, диссоцииро­ванный аммиак (неосу-шенные)	Корундовые, высокоглиноземистые плот­ные, цирконистые, карбидкремниевые, из алюмосиликатных волокон
Воздух, инертные газы	Любые типы материалов, приведенные в разд. 4
Вакуум	Корундовые, цирконистые, карбидкрем­ниевые, высоко глиноземистые плотные, ша­мотные легковерные, из алюмосиликат­ных волокон, карбидкремниевые, чистые оксиды бериллия, тория, иттрия

 

 

8. Керамика электротехнического и оптического назначения

Большое распространение в технике получила пьезокерамика, способная поляризоваться при упругой деформации или де­формироваться под действием внешнего электрического поля. В основном используется титанат бария ВаТiОз и керамика на осно­ве системы РbZr0₃-РbТiOз. Пьезокерамические материалы нашли применение в качестве электромеханических и электроакустиче­ских преобразователей.

Керамические материалы используются также в качестве терморезисторов и варисторов, изменяющих электросопротивле­ние под действием соответственно температуры и приложенного напряжения. Термочувствительные датчики на базе терморези­сторов способны изменять электросопротивление на несколько порядков при повышении температуры на 100°С. Варисторы ис­пользуют для защиты сетей переменного тока от импульсных пе­ренапряжений в стабилизаторах напряжений и регуляторах токов низкой частоты.

Ферромагнитная керамика, представляющая собой соеди­нения типа Ме₂0-Fe₂0з или МеОFe₂Оз, характеризуется высокой магнитной проницаемостью и хороши­ми диэлектрическими свойствами. Наибольшее распространение получили ферриты, содержащие оксиды магния, никеля, цинка, кальция, марганца.

В промышленности используется керамика cо специфиче­скими оптическими свойствами: оптически прозрачная, с люминисцентными свойствами, светочувствительная. Такая кера­мика изготавливается на основе оксида алюминия, оксида иттрия, легированного редкоземельными элементами, оксида бе­риллия, цирконата или титаната свинца, теллурпда кадмия.

 

 

                 8.2.4. Технология получения керамики

Процесс изготовления керамических изделий состоит из следующих стадий: подготовка формовочной массы, формование изделия, сушка и обжиг. Подготовка формовочной массы вклю­чает дробление составляющих компонентов, помол, гомогениза­цию и сушку. Схематически этот процесс показан на рис. 9.2.2.

 

Различают сухую и влажную подготовку массы. Смешива­ние компонентов производится в шаровых и вибрационных мель­ницах или лопастных мешалках. При влажном процессе смеши­вания в смеситель вводится жидкая среда — вода или спирт, в зависимости от состава компонентов.

Брикетирование смесей производится с целью увеличения плотности механического контакта между химически разнород­ными материалами. Твердофазное взаимодействие компонентов осуществляется в процессе гомогенизирующего обжига при высо­кой температуре, зависящей от природы исходных компонентов (700°С и более). Обжиг производят в тоннельных, камерных или вращающихся печах с электрическим или газовым подогревом.

Продукт обжига подвергается повторному помолу на ука­занных выше измельчителях. Тонкий помол осуществляют на специальных устройствах дезинтеграторах или мельницах плане­тарного типа. При сухом помоле можно получить порошки с раз­мером частиц до 10 мкм. При мокром помоле достигается дис­персность частиц до 1...0Д мкм.

С целью повышения пластичности формовочной массы в полученную порошковую смесь добавляют 1...10% пластифика­тора.

Формование изделий производится прессованием в метал­лических пресс-формах под давлением 100...600 М11а, после чего производится спекание частиц. При горячем прессовании выше плотность упаковки частиц и отпадает необходимость в дополни­тельной операции — спекании, так как этот процесс совмещается с прессованием. Но при горячем прессовании существенной про­блемой является стойкость пресс-форм. Кроме того, размер час­тиц керамических порошков должен быть не более 1 мкм.

В результате внут­реннего трения между частицами порошка при прессовании, дав­ление, а следовательно, и плотность прессованного изделия по объему, будут неодинаковы. Обычно не рекомендуется прессова­ние изделий, высота которых превышает его поперечный размер. Для уменьшения разброса по плотности применяют двустороннее и изостатическое прессование. При двустороннем прессовании давление прикладывается с двух сторон движущимися навстречу друг другу пуансонами. Изостатическое прессование осуществля­ют в специальных контейнерах с жидкой или газовой средой, в эластичных оболочках, внутри которых находится перерабаты­ваемый материал. Вследствие объемного сжатия материала повышается эффективность уплотнения.

Сформованное изделие подвергается спеканию. При содержании окисляющихся компонентов - защитной среде.

Механическая  обработка - шлифование алмазными кругами.

 

9. Древесные материалы

9.1. Строение и свойства древесины

Материалы на основе древесины представляют большой ин­терес для народного хозяйства, так как имеют постоянно возоб­новляемую сырьевую базу. Они обладают высокой удельной прочностью, низкими плотностью, тепло- и электропроводностью, хорошей обрабатываемостью, способностью к наполнению раз­личными составами. Однако древесина отличается большой ани­зотропией механических свойств и их зависимостью от влажно­сти, недостаточной биологической стойкостью, горючестью. Модификация древесины физическими и химическими методами позволяет устранить ряд недостатков и придать ей новые спе­цифические свойства.

Древесина имеет капиллярно-пористое строение. Стенки ка­пилляров состоят на 90...95% из высокомолекулярных (целлюло­за, лингин, гемицеллюлоза) соединений, остальное — из низ­комолекулярных (алифатические углеводороды, эфирные масла, смолы и т.д.) и минеральных веществ. Капилляры, имеющие се­чение от 0,05 до 0,40 мм, выполняют роль проводящих систем. Физико-механические свойства древесины зависят от ее макро- и микроструктуры, влажности, направления приложения нагрузки, возраста и пороков отдельных участков. Под пороками древесины понимаются различные отклонения от нормального строения, ме­ханические повреждения, грибковые поражения, червоточины и прочие дефекты. Средние значения прочности для древесины вдоль волокон составляют при сжатии 35...55 МПа, при рас­тяжении — 75... 160 МПа (при испытании поперек волокон _в 6...30 раз ниже); при изгибе — 60...120 МПа. Механические свойства древесины определяют при стандартной влажности 12% (ГОСТ 16483.1-73) на образцах, лишенных пороков. Для приведе­ния результатов испытаний к стандартным условиям пользуются формулой:

где ,   — показатели прочности древесины соответственно при влажности 12% и испытуемой;  — поправочный коэффициент (0,01...0,05);   — влажность древесины в момент испытания.

Древесина содержит свободную воду, заполняющую капил­ляры, и связанную, входящую в клеточные оболочки. При высыхании сначала теряется свободная вода, а затем связанная. Коли­чество связанной воды составляет около 30% массы сухой древе­сины. Общая влажность может составлять до 100% (у свежесрубленных деревьев). Равновесная влажность комнатно-сухой древесины 7...10%, а воздушно-сухой 10...20%. При потере свя­занной воды происходит усушка древесины, сокращение размеров капилляров, сопровождающееся возникновением внутренних на­пряжений, короблением и образованием трещин.

Повысить стойкость древесины к гниению, снизить горю­честь, понизить влагопоглощение можно путем пропитки ее раз­личными составами. Стойкость к гниению повышает пропитка антисептиками, в качестве которых используют фторид- и кремнефторид натрия, хлористый цинк, креозотовое масло и др., про­питка синтетическими смолами с последующей их полимеризаци­ей.

Стойкость   древесины к возгоранию повышают антипирены — составы, содержащие соли аммония, фосфорной или борной кислоты, а также окраска огнезащитными красками на основе жидкого стекла, перхлорвиниловые покрытия и др.

Значительное повышение прочности древесины (в 2...4 раза) достигается путем ее механического уплотнения, особенно в соче­тании с пропиткой различными смолами.

 

9.2. Классификация материалов на основе древесины, свойства и применение

В различных отраслях народного хозяйства используются как натуральная древесина, так и композиционные материалы на ее основе. Натуральная древесина применяется в виде пиломатеиалов и заготовок. Наибольшее применение получили пиломате­риалы хвойных пород, особенно сосна. Лиственные породы (дуб, ясень, бук, береза) используют  для изделий, изготовление кото­рых связано с механическим деформированием (гибкой) мате­риала. Из древесных полуфабрикатов для получения композици­онных материалов используется древесная мука, стружка, опил­ки, щепа технологическая. Массы древесные прессовочные, состоящие из мелких час­тиц древесины, пропитанной различными смолами, используются для изготовления деталей машин (втулок, шкивов, роликов), а также строительных изделий методом горячего прессования. Пе­реработка в изделия этих масс производится  при температуре 150°С, давление прессования — 400...600 МПа. Выпускаются массы древесные прессовочные, содержащие частицы длиной до 80 мм (МДПК), стружку (МДПС), опилки (МДПО), частицы игло­видной формы (МДПВ) (табл.8.).

 

Древесина прессованная (ДПО, ДПД, ДПК, ДПР, ДПГ) в виде заготовок, обработанных по различным технологиям (с про­паркой, нагревом, пропиткой аммиаком) из различных пород древесины, используется для изготовления деталей, испытываю­щих ударные нагрузки, подшипников, прокладок, ползунов лесо­пильных рам и других деталей машин, а, также мебели, паркета и т.д. Плотность этих материалов 700...1300 кг/м³ временное со­противление (вдоль волокна) 140...230 МПа, ударная вязкость 60...80 кДж/м².

Шпон лущеный используется для изготовления фанеры, в качестве материала для отделки изделий из древесных прессо­вочных масс и древопластиков. Шпон строганый применяют в качестве отделочного материала.

Фанера представляет собой многослойный материал, полу­ченный путем склеивания листов шпона с различными схемами его ориентации в слоях. Он широко используется в мебельной промышленности, судостроении, вагоно- и автомобилестроении, радиотехнической промышленности и др. Выпускаются различ­ные разновидности фанеры: с пропиткой наружных слоев смола­ми, металлизированная, покрытая смесью асбеста с цементом, декоративная и др.

Древопластики представляют собой композиционные материалы на основе полимеров, в которых наполнителями являются измельченная древесина, опилки, стружки, лом шпона, щепа.

Древесностружечные плиты изготавливают методом горячего прессования толщиной от 10 до 25 мм, облицованные шпоном, декоративным пластиком и без облицовки. Используются они в мебельной промышленности, радио- и приборостроении, строи­тельстве, машиностроении (марки П-1 и П-2 одно- и многослой­ные), для элементов несущих конструкций в строительстве, авто­мобиле- и вагоностроении (П-3).

Древесноволокнистые плиты используются в изделиях, за­щищенных от воздействия влаги, и выпускаются толщиной от 2,5 до 25 мм, шириной от 1220 до 1830 мм, длиной от 1200 до 5500 мм. По плотности они подразделяются на мягкие (М), полу­твердые (ПТ), твердые (Т), сверхтвердые (СТ). При обозначении марки после указания твердости через дефис указывается значе­ние предела прочности при изгибе, например, СТ-500 ( _изг = 50 МПа).

Высокой прочностью, износостойкостью и невысоким коэффициентом трения обладают древеснослоистые пластики (ДСП), представляющие собой многослойные, горячеспрессованные, про­питанные синтетическими смолами листы шпона с различной ориентацией волокон в слоях. Система укладки шпона и основное назначение пластика указываются в его марке, например, ДСП-Г-м. Буква А — во всех слоях волокна параллельны и через четыре слоя один с расположением волокон под углом 20...25°; Б — ка­ждые 10...20 слоев с параллельным расположением и один с пер­пендикулярным расположением волокон; В — в смежных слоях волокна взаимноперпендикулярны; Г — в смежных слоях волок­на расположены под углом 45°. Основное назначение указывается буквами: а — авиационный; э — электроизоляционный; м — са­мосмазывающийся антифрикционный; т — для деталей текстиль­ных машин.

Применяются древесно-слоистые пластики в основном в ка­честве конструкционных и антифрикционных материалов. Основ­ные свойства их приведены в табл.8.2.

 

 

 

Армированные композиционные древопластики (ДПКА-1 и ДПКА-2), кроме пропитанных древесных компонентов, содержат стекло- и углеродное волокно, а также дисперсные наполнители. Плотность их составляет 1400...1550 кг/м³, временное сопротив ление 60... 70 МПа, пределы прочности при сжатии 150...200 МПа, при изгибе 110...120 МПа, ударная вязкость 17...32 кДж/м². Используются они для изготовления опор скольжения, корпусных деталей.

 

9.3. Механическая обработка материалов на основе древесины

Сопротивление древесины резанию обусловливается ее по­родой и направлением резания. В зависимости от расположения волокон древесины возможно резание торцевое, продольное, по­перечное и гораздо реже под углом. При этом сопротивление резанию вдоль направления волокон в 2...3 раза, а по торцу в 6 раз выше, чем при резании в поперечном направлении. Сила резания также зависит от угла резания и остроты режущей кромки. При затуплении резца возникают деформации смятия волокон, сопровождаемые действием сил упругого восстановления, которые мо­гут достигать уровня силы резания (для тупого резца). Шерохова­тость поверхности снижается с уменьшением угла резания, толщины стружки и увеличением скорости резания.

Для продольной распиловки древесины применяют пилы с подрезом спинки (рис.8.1, а), а для поперечной — пилы с профи­лем зуба, приведенным на рис.8.1, бив.

Для распиловки хвойных пород применяют пилы, имеющие зуб с прямой спинкой (а = 30...35°, 5 = 70...75°), для твердых по род — с подрезом спинки или с выпуклой спинкой (а = 15...20°, 5 = 60...80°).

 

 

Для улучшения качества поверхности в месте распила и снижения мощности резания используют косую заточку пил (рис.8.2). С целью снижения сил трения между разрезаемым ма­териалом и боковыми поверхностями зубьев пил применяют раз­вод зубьев (отгибание их верхней части поочередно влево и впра­во) на 0,15...0,80 мм на каждую сторону. Больший развод выполняется при распиловке влажной и мягкой древесины. Од­нако развод пил несколько ухудшает качество пропила. Более высокое качество реза и снижение сил трения при резании дости­гается при распиловке дисковыми пилами с зубьями, утолщаю­щимися к периферии, для которых отпадает необходимость в разводке.

 

 

Для распиловки древесины используют круглые (дисковые), ленточные и лобзиковые пилы. Круглые пилы представляют со­бой стальные диски с зубьями по контуру. Зубья могут быть из­готовлены из материала диска, с напаянными пластинами из твердых сплавов или вставными (для сборных пил большого диа­метра).

Ленточные пилы выполняются в виде непрерывной ленты шириной 40...50 мм с зубьями на передней кромке.

Лобзиковые пилы применяют для выпиливания внутренних замкнутых контуров. Их изготавливают длиной 130... 140 мм, толщиной 0,3...0,7 мм, шириной 1,5...5,0 мм с зубьями по про­филю прямоугольного треугольника с углом резания 90°.

Обработка больших плоских поверхностей производится на строгальных станках. В качестве рабочего инструмента используют строгальные ножи, устанавливаемые во вращающуюся   вокруг горизонтальной оси головку (рис.8.3). Высота ножей регулируется посредством винтов 2. Крепление ножей в пазах осуществляется прижимной планкой 4 с помощью распорных винтов 5.

 

Заточку ножей обычно производят по задней грани, обеспе­чивая угол  = 45°, применяют также двойную заточку ножей. Угол резания  выбирают в диапазоне 55...80° в зависимости от твердости породы. Чем тверже древесина, тем больше угол реза­ния.

Фасонную обработку древесины производят на фрезерных станках. Используются как цилиндрические и фасонные фрезы, крепящиеся на цилиндрической оправке в шпинделе станка, так и концевые, крепящиеся непосредственно в шпинделе станка.

Пазовые и прорезные фрезы выполняют с косой заточкой боковых поверхностей зубьев под углом 1,5...3,0° для создания зазора между боковой поверхностью фрезы и обрабатываемой по­верхностью с целью снижения сил трения. Заточка фрез произво­дится по передней поверхности. При обработке на копировально -  фрезерных станках используют концевые двухрезцовые фрезы с прямым и спиральным расположением режущих кромок, а также однорезцовые затылованные и незатылованные фрезы. У незатылованной фрезы задняя поверхность выполнена по дуге окружно­сти из центра фрезы. Для снижения сил трения при обработке такие фрезы крепятся в патроне эксцентрично. Концевые фрезы для внутреннего фрезерования изготавливаются с дополнитель­ными торцевыми режущими элементами для первоначального заглубления режущего инструмента.

Конструкция сверл для обработки древесины (рис.8.4) учи­тывает особенности ее волокнистого строения и анизотропию ме­ханических свойств. Широкое применение для сверления поперек волокон имеют центровые сверла с подрезателями. Подрезатель перерезает волокна, режущая кромка их скалывает. Для предот­вращения увода сверла в сторону предусмотрен направляющий центр. Для глубокого сверления вдоль волокон применяют ло­жечные и спиральные сверла, для выполнения отверстий под го­ловки болтов, винтов, шурупов используются раззенковочньн сверла. Сверление древесины производят при частоте вращения 3...10 тыс.об. в минуту с подачей 0,1...0,3 мм/об. для твердых пород и фанеры, 0,5...2,0 мм/об. для мягких пород древесины.

 

ОГНЕУПОРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

10.2. 5.  Цирконистые огнеупоры

В состав цирконистых огнеупоров входит диоксид циркония (бадделеит) ZrО₂. Выпускаются чисто цирконистые (бадделеитовые) изде­лия и изделия с примесью других соединений: цирконовые и бадделеитокорундовые. Огнеупоры этого типа имеют огнеупорность свыше 2000 °С и высокую химическую устойчивость. Так, цирконовые изделия (содер­жащие циркон ZrSi0₄) имеют высокую стойкость против деформации при высоких температурах, термостойки, стойки к воздействию ка­менноугольных и коксовых шлаков, к воздействию шлаков и распла­вов черных и цветных металлов, расплавленных хлоридов, фосфорно­кислого натрия, шлаков закалочных печей с соляной ванной, но в то же время они разрушаются под действием фторидов, фосфорного ангидрида, стекольного расплава, оксидов железа и мартеновских шла­ков. Огнеупоры из диоксида циркония с добавками корунда или мул­лита, полученные литьем из расплава, весьма химически стойки, осо­бенно против воздействия стекол. Чистый стабилизированный диоксид циркония (без добавок) весьма химически стоек и имеет малую теп­лопроводность; он применяется в качестве высокотемпературной изо­ляции в электропечах с любыми типами атмосфер и в виде высокотем­пературных электронагревательных элементов.

Пористый (легковесный) Zr0₂, стабилизированный, плотностью 2720 кг/м³ и пористостью 51—68% может применяться для теплоизоляции до 2300 °С.

Бадделеитовые изделия (плотные) изделия содер­жат более 90 % Zr0₂, стабилизированного СаО или Y₂0₃, и выпускают­ся в виде изделий различных фасонов. Огнеупорность их составляет 2500 °С. Бадделеитовые изделия применяются для футеровки высоко­температурных электропечей с окислительной, восстановительной угле-родсодержащей атмосферой и в вакуумных электропечах.

Бадделеитокорундовые огнеупоры (бакоровые) изготовляются литьем из расплавленных масс и применяются для футеровки стекло­варенных электропечей, они весьма химически устойчивы к воздействию стекольных расплавов.

 Диоксид циркония хорошо сопротивляется воздействию вос­становителей. В тиглях из Zr0₂ можно плавить К, Na, Al, Fe, Pt, Rh, Re, Ru, Ti, Zr—без разрушения стенок тигля. Плавле­ный стабилизированный Zr0₂ не смачивается и не растворяется сталью, до 2000 °С  не взаимодействует с расплавами металлов, силика­тов, стекол, кремнезема, полевого шпата, растворами едких щелочей, карбонатов, кислот (кроме концентрированной H₂SO₄ и HF), практически не взаимодействует с углеродом в инертной атмосфере.

 

10.2. 6.  Карбидкремниевые огнеупоры

К карбидкремниевым материалам относятся огнеупоры, содержа­щие карбид кремния SiC (карборунд). Для электропечей используют карбидкремниевые огнеупоры с содержанием карбида кремния не менее 70 %. Карбидкремниевые огнеупоры выпускаются на различных связках — кремнеземистой, алюмосиликатной, нитридной, оксинитридной — или самосвязанные. В зависимости от вида связки огнеупоры различаются по механической прочности, износостойкости, жаропрочности и другим особенностям, присущим только этой группе материалов. Все карбидкремниевые огнеупоры имеют огнеупорность свыше 1850°С (вообще не плавятся), высокую тепло- и электропро­водность, термостойкость и стойкость к абразивному воздействию, не смачиваются некоторыми металлами, обладают высокой механической прочностью в холодном и нагретом состоянии. Карбидкремниевые ма­териалы достаточно кислотоупорны и стойки к высокотемпературной деформации, но в то же время разрушаются восстановителями, основ­ными шлаками и щелочами, окисляются на воздухе выше 1450^оС. Эти огнеупорные материалы применяются в. воздушной среде при температуре не выше 1450 ^СС и в условиях, где требуются высокая механиче­ская прочность в нагретом состоянии, износостойкость, теплопровод­ность и термостойкость изделий. Эти материалы не смачиваются окси­дами железа—к ним не прилипает окалина, они имеют малый коэф­фициент трения скольжения в горячем состоянии по огнеупору и по металлу. Материалы не взаимодействуют при нагреве с огнеупорами алюмосиликатной группы.

 

10.2. 6.