Керамические материалы и изделия

21.1. Общие сведения

Керамическими называют материалы и изделия (ИСК), полу­чаемые из порошкообразных веществ различными способами и подвергаемые в технологический период обязательной термической обработке при высоких температурах для упрочнения и получения камневидного состояния. Такая обработка носит название обжига. Среди сырьевых порошкообразных материалов — глина, которая имеет преимущественное применение при производстве строитель­ной керамики. Она большей частью содержит примеси, влияющие на ее цвет и термические свойства. Наименьшее количество приме­сей содержит глина с высоким содержанием минерала каолинита и потому называемая каолином, имеющая практически белый цвет. Кроме каолиннтовых глин разных цветов и оттенков применяют монтмориллонитовые, гидрослюдистые и др. Кроме глины к при­меняемым порошкообразным материалам, являющимися главными компонентами керамических изделий, относятся также некоторые другие минеральные вещества природного происхождения — квар­циты, магнезиты, хромистые железняки и др. Для технической керамики (чаще именуемой специальной) используют искусственно получаемые специальной очисткой порошки в виде чистых оксидов, например оксиды алюминия, магния, кальция, диоксиды циркония, тория и др. Они позволяют получать изделия с высокими темпера­турами плавления (до 2500... 3000°С и выше), что имеет важное значение в реактивной технике, радиотехнической керамике и т. п. Материалы высшей огнеупорности изготовляют на основе карби­дов, нитридов, боридов, силицидов, сульфидов и других соединений металлов как безглинистых сырьевых веществ. Некоторые из них имеют температуры плавления до 3500... 4000°С, особенно из груп­пы карбидов.

Большой практический интерес имеют керметы, состоящие обычно из металлической и керамической частей с соответствую-

■ ними свойствами. Получили признание огнеупоры переменного постава. У этих материалов одна поверхность представлена чистым й& угоплавким металлом, например, вольфрамом, другая — огнеупор-■ гаым керамическим материалом, например оксидом бериллия. Меж-щгу поверхностями в поперечном сечении состав постепенно изме­няется, что повышает стойкость материала к тепловому удару. К: Для строительной керамики, как отмечено выше, вполне при-КТодна глина, которая является распространенным в природе, де-§Шевым и хорошр изученным сырьем. В сочетании с некоторыми ^добавочными материалами из нее получают в керамической про­мышленности разнообразные изделия и в широком ассортименте. J Их классифицируют по ряду признаков. По конструкционному f назначению выделяют изделия стеновые, фасадные, для пола, от-|д ел очные, для перекрытий, кровельные изделия, санитарно-техни-| ческие изделия, дорожные материалы и изделия, для подземных £ коммуникаций, огнеупорные изделия, теплоизоляционные материа-; V лы и изделия, химически стойкую керамику.

По структурному признаку все изделия разделяют на две 'группы: пористые и плотные. К пористым условно относятся те ^; изделия, которые показывают водопоглощение свыше 5% по массе:; кирпич обыкновенный, черепица, дренажные трубы и др. Плотны-_: ми принимают изделия с водопоглощением меньше 5% по массе, и они практически водонепроницаемые, например плитки для пола, канализационные трубы, кислотоупорный кирпич и плитки, дорож­ный кирпич, санитарный фарфор. Абсолютно плотных керамиче­ских изделий не имеется, так как испаряющаяся вода затворения, г вводимая в глиняное тесто, всегда оставляет некоторое количество

микро- и макропор. i По температуре плавления керамические изделия и исходные глины разделяются на легкоплавкие (с температурой плавления: ниже 1350°С), тугоплавкие (с температурой плавления 1350... 1580°С) и огнеупорные (свыше 1580°С). Выше отмечались также примеры изделий и сырья высшей огнеупорности (с температурой плавления в интервале 2000... 4000°С), используемых для техниче­ских (специальных) целей.

Отличительная особенность всех керамических изделий и мате­риалов состоит в их сравнительно высокой прочности, но малой деформативности. Хрупкость чаще всего относится к отрицатель­ным свойствам строительной керамики. Она обладает высокой хи­мической стойкостью и долговечностью, а форма и размеры изде­лий из керамики обычно соответствуют установленным стандартам или техническим условиям.

. 21.2. Глина как основное сырье для строительной керамики

Для производства строительной керамики применяют глины как относительно пластичный компонент и добавочные вещества — не­пластичные компоненты сырьевой смеси. Глина является главным

структурообразующим веществом, создающим при обжиге изделий микро- и макроструктуру керамического конгломерата в виде раз­личных изделий. Добавочные вещества вводят в глину (смеси) с целью повышения или снижения ее пластичности, что важно при формовании изделий; для увеличения пористости легких керамиче­ских изделий (порообразующие добавки); для снижения темпера­туры обжига изделий (легкоплавкие добавки, или плавни).

Глины (см. гл. 7) состоят из мельчайших (менее 0, 01... 0, 001 мм) частиц глинистых минералов, образовавшихся главным образом в процессах химического выветривания магматических и некоторых других пород. Пригодность глин для производства керамических изделий оценивается их химическим и минеральным составами и свойствами.

Химический состав глин характеризуют обычно содержанием оксидов в процентах (по массе). Главными и обязательными окси­дами, составляющими различные глины, являются кремнезем SiO_z (содержание колеблется в широких пределах от 40 до 70%) и гли­нозем А1г0₃ (от 15 до 35%).' Постоянными компонентами глин являются также К2О и Na₂0 (вместе 1...5), химически связанная Н₂0 (около 5... 15%). Часто присутствует Fe₂0₃ (0... 7%). Встре­чаются в глинах и другие соединения, например ТЮ₂, MgO, карбо­наты Са и Mg, органические примеси. В каолинитовых глинах содержание глинозема и кремнезема почти одинаково, тогда как в монтмориллонитовых и магнезиальных возрастает количество кремнезема за счет снижения содержания глинозема. Резкое воз­растание кремнезема обычно обусловливается присутствием песча­ной примеси в глинах. С увеличением А1₂0₃ повышается пластич­ность глин и огнеупорность, а с повышением содержания кремне­зема пластичность глин снижается, увеличивается пористость, снижается прочность обожженных изделий. Присутствие оксидов железа (и закиси) снижает огнеупорность глин, то же — у тонко­дисперсных карбонатов СаС0₃ и MgC0₃, увеличивая усадку изде­лий. Наличие в глине щелочей ухудшает формуемость изделий, понижает огнеупорность и вызывает появление белых выцветов на изделиях.

Свойства глин имеют в керамическом производстве важное значение. Среди физических свойств особенно важно знать их пла­стичность, связующую способность, водопоглощаемость, воздуш­ную и огневую усадки, огнеупорность, способность ионного обмена с окружающей средой и др.

Пластичность выражает способность влажной глины под дейст­вием внешних сил принимать заданную форму и сохранять ее после устранения давления. Ее можно увеличить вылеживанием глин на воздухе и снизить за счет нагревания (агрегирования тон­чайших частиц) или добавок, например кремнезема. К наиболее пластичным относятся монтмориллонитовые, а к наименее пластич­ным— каолинитовые глины. С увеличением частиц размером мень­ше 0, 001 мм пластичность глин возрастает.

., Связующая способность глин выражается в том, что уплотнен­ная влажная глина после высыхания не рассыпается, а сохраняет полученную форму, например изделия-сырца для последующего обжига. Эта способность выражается также в том, что глина свя­зывает зерна непластичных материалов, например песка или дру­гих минеральных крупных включений.

Водопоглощаемость некоторых глин достигает больших коли­
честв, причем вода проникает не только по трещинам и капилля­
рам, но и между слоями в кристаллической решетке некоторых
минералов, раздвигая их с эффектом набухания глины до 40%
и более.!

Воздушная ч огневая усадки отражают способность глин умень­шать объем при высыхании на воздухе или при обжиге. Большая усадка может нередко сопровождаться образованием трещин, если глину не «отощить», т. е. не добавить в нее кремнезем. Высоко­пластичные глины при высыхании дают до 10... 15% воздушной усадки.. При обжиге часть наиболее легкоплавких компонентов глины расплавляется, заполняя поры расплавом. Это приводит к сближению частиц и эффекту огневой усадки. Сумма воздушной и огневой усадок (полная усадка) колеблется до 18%.

Огнеупорность является важнейшим свойством глин выдержи­вать высокую температуру, не расплавляясь и не деформи­руясь.

Другой, более низкой служит температура спекания глины, когда возникает заполнение пор расплавом, но без деформации изделия, а только с его уплотнением. Полностью спекшийся глиня­ный черепок имеет водопоглощаемость 2...5%. При нагревании выше температуры спекания количество расплава возрастает сверх объема пор и тогда наступает деформирование изделий с посте­пенным расплавлением всей массы. Интервал между температура­ми спекания и началом деформирования (оплавления) глины на­зывается интервалом спекания (иногда — густоплавкостью). Чем больше этот интервал, тем спокойнее протекает обжиг и меньше опасность деформирования изделий при обжиге. Для получения плотного черепка необходимо, чтобы интервал спекания был не менее 100°С, для пористого —не менее 40... 50°С. Огнеупорность зависит от химического и минерального составов глин. Присутствие каолинита всегда повышает степень огнеупорности, а даже неболь­шое количество в глине минералов — плавней — понижает темпе­ратуру плавления.

Химический состав оказывает влияние на температуру плавле­ния глин. Температура плавления оксидов сравнительно высока: Si0₂ — 1713°С, А1₂Оз —2050, MgO — 2800, Fe₂0₃ — 1548, FeO — 1380, Ti0₂— 1700°C и т. д. В глинах, однако, практически мало имеется химически чистых оксидов. Они находятся в химических соединениях в виде минералов, а при, повышенных температурах создают, кроме того, эвтектические смеси, которые значительно снижают температуру плавления глинистых масс.

Способность ионного обмена с окружающей средой относится к важному свойству глин. Особенно легко замещаются катионы Na+ K+, Са²⁺, Mg²+, NH₄+ и из анионов —S0₄²" С1" \ Р0₄³-, N0₃". Следует отметить, что тенденцией к ионному обмену обладают практически все минералы, если они переведены в тонко дисперсное состояние, так как на обломанных краях кристалликов заряды некоторых элементов становятся незамещенными. Возникают и неуравновешенные свободные заряды, например при замене А1³⁺ на Si⁴⁺ или Mg+ на А1³⁺, что также способствует ионному обмену. Замена катиона на другой приводит к изменению свойств глин — пластичности, водопроницаемости, густоплавкости и др.

Характерным свойством глин является их способность при обжиге превращаться в камневидный материал.

Среди непластичных материалов, используемых в керамическом производстве, — отощающие, выгорающие и плавни. К отощающим добавкам относятся кварцевые пески, пылевидный кварц (марша-лит), кремень, шамот (обожженная глина и затем измельченная в порошок), золы ТЭС и др. ' К выгорающим добавкам относятся древесные опилки, торф, антрацит, каменный и бурый уголь, топ­ливные шлаки и др., которые создают пористость после их выгора­ния при обжиге изделий и могут выполнять функции отощающей добавки (снижать пластичность). К плавням (флюсам) относят материалы, которые в процессе обжига взаимодействуют с глини­стым веществом с образованием более легкоплавких соединений, чем чистое глинистое вещество. Среди них—полевые шпаты, пег­матит, мел, доломит, руды с содержанием оксидов железа и др. Ино­гда в глину вводят еще специальные добавки, например с целью по­вышения кислотостойкости — песчаные смеси, затворенные жидким стеклом, для окрашивания изделий — оксиды металлов, для улуч­шения качества кирпича — пирофосфаты и полифосфаты натрия, для вспучивания — кокс и др.

21.3. Краткие сведения из технологии керамики

Производство изделий строительной керамики состоит из ■ следующих основных операций: добычи, транспортирования и хранения сырьевых материалов, их переработки и обогащения, приготовления керамических масс, формования сырца, сушки и обжига изделий.

Добычу сырья осуществляют на карьерах экскаваторами, выво­зят глину из карьера автосамосвалами, вагонетками и транспорте­рами при небольшой удаленности карьера. Многие заводы имеют механизированные крытые глинохранилища. Непластичные мате­риалы обычно поступают с карьеров необработанными и необога-щенными. Подготовка сырьевых материалов состоит из разруше­ния природной структуры глины, удаления или измельчения крупных включении, измельчения и просеивания непластичных материалов и отделения от них железосодержащих и других вред-

ных примесей, смешивания глины с добавками и увлажнения. Подготовку керамической массы осуществляют полусухим, пласти­ческим и шликерным (мокрым) способами.

Полусухой способ применяют, если шихта содержит большое количество отощающих материалов, а пластичное сырье трудно поддается размоканию, переработке и смешиванию с непластич­ными. Формовочную массу приготовляют в виде пресс-порошка с влажностью 8... 12%, формование, изделий производят в гидрав­лических или механических прессах с давлением штампа до 14, 5 МПа при производстве керамического кирпича или 19, 5.., 29, 5 МПа при производстве керамических плиток для полов. Про­изводительность прессов при производстве кирпича равна до 7000... 8000 шт. в 1 ч. Отпрессованный сырец поступает на обжиг в коль­цевую или туннельную печь.

Способ полусухого прессования позволяет использовать малопластичные глины, сократить расход топлива на сушку сырца,. снизить стоимость продукции. Однако процесс прессования сырца при этой технологии сложнее, чем на ленточных прессах, приме­няемых при пластическом прессовании, средняя плотность изделий несколько выше. За рубежом метод полусухого прессования весь­ма распространен.

При пластическом прессовании глину освобождают от камен­ных включений, измельчают и смешивают с отощающимн, а иногда и выгорающими добавками до образования однородной керамической массы. Для измельчения глины применяют вальцо­вые дробилки с гладкими вальцами, дезинтеграторные вальцы,. бегуны и др. Приготовление керамической массы осуществляется чаще всего в двухвальных глиномешалках, где она увлажняется водой или паром до формовочной влажности 18... 23% и тщатель­но перемешивается. Подготовленная глиняная масса подается для формования в горизонтальный вакуумный (рис. 21.1) или обычный безвакуумный ленточный пресс. При пластическом прессовании кирпича широко применяется вакуумирование глиняной массы,. повышающее прочность отформованного сырца, что позволяет укладывать его при сушке в более высокие штабеля и полнее использовать объем сушилок, при этом уменьшается трещинооб-разование и улучшается качество изделий. Ленточные вакуум-прессы состоят в основном из трех частей: подготавливающей, вакуумирующей и прессующей. Подготавливающая часть пресса (мешалка) располагается или над прессующей частью, или на одной оси с ней. Шнек подготавливающей части пресса захватывает керамическую массу и проталкивает ее через перфорированную решетку в вакуум-камеру, откуда освобожденная от воздуха гли­няная масса, уплотненная с помощью шнекового винта, продви­гается к выходному отверстию мундштука, укрепленного на голов­ке пресса. Выдавливаемый из мундштука пресса непрерывный глиняный брус разрезается на отдельные изделия-сырцы с помо­щью полуавтоматических и автоматических станков. После резки

-478

сырец укладывается на сушильные вагонетки с помощью автома­тов-укладчиков. В СССР широко используются также комбиниро­ванные ленточные вакуум-прессы производительностью до 10000 шт. кирпича-сырца в 1 ч, а также прессы ГДР, в частности ленточный вакуум-пресс «Кема».

Способ пластического формования кирпича наиболее распро­странен в СССР. Для получения пустотелого кирпича пластиче­ского прессования в мундштуки прессов устанавливают специаль­ные приспособления — керны, позволяющие получить в сырце сквозные отверстия различной конфигурации.

Рис. 21.1. Схема устройства ленточного вакуум-пресса «Кема»:

1 — главный цилиндр пресса; 2 — перфорированная решетка; 3 — вакуум-камера с герме­тической крышкой; 4 — смотровое окно; 5 — шнековый винт-, в— загрузочная коробка; 7 — задний цилиндр пресса: 8 —коническая часть головки пресса

Перед обжигом сырец сушат до влажности 5... 7%. Сушка может быть естественной в сушильных сараях или искусственной в сушилках периодического (камерные) или непрерывного действия (туннельные, конвейерные). Естественная сушка зависит от пого­ды и составляет до 15... 20 сут. Для продления сушильного сезона устраивают навесы со стеклянной кровлей, вводят в керамическую массу электролиты, устанавливают переносные вентиляторы.

На современных кирпичных заводах сырец сушат в искусствен­ных сушилках камерного или туннельного типа. Наиболее совер­шенными и производительными являются туннельные сушилки непрерывного действия, в которых горячий воздух или дымовые газы обжигательных печей движутся с одного конца туннеля к другому, а навстречу горячему потоку на вагонетках перемещается сырец. Таким образом, горячий теплоноситель встречает уже пол­ностью высушенный сырец, что уменьшает трещинообразование и коробление, связанное с нагреванием сырца. Длина туннельных

•^сушилок до 25...35 м, продолжительность сушки в них— 16... 24 ч. Суточная производительность одного туннеля емкостью 6000 шт. кирпича составляет до 12000 шт. высушенного сырца-кирпича.

После сушки сырец обжигается в кольцевых или туннельных печах.

По шликерному способу исходные материалы измельчают и смешивают с большим количеством воды (до 60%) до получения однородной массы — шликера. Изделия (умывальники, раковины, унитазы и др.) изготовляют методом литья в гипсовых формах из шликера с влажностью 30... 34% с последующей их сушкой и об­жигом.

Рис. 21.2. Кольцевая печь (гофманская):

/ — хакал печи; 2 — садка сырца; S — регулировка дымовых конусов; 4 — отверстие для засыпки топлива; 5 — канал для отвода гаэеи; 6 — проемы в печи для эагруэкн к выгруз­ки кирпича

При производстве некоторых керамических изделий (трубы, плитки) дополнительной операцией является глазурование. Глазу­рованные изделия имеют меньшие водопоглошение, водопроницае­мость, большую долговечность. Глазури приготавливают из каолина, кварца, мела или мрамора, доломита, глины, полевых шпатов, углекислого бария, свинца и др. Они бывают прозрачны­ми и глухими (непрозрачными). Для окрашивания глазурей при­меняют оксиды металлов, силикаты, шпинели, бораты и др. Нано­сят глазури на высушенные или обожженные изделия разными способами (пульверизацией, окунанием изделий в глазурную сус­пензию, поливкой изделий этой суспензией, путем припудривания поверхностей сухим составом глазури и др.). После нанесений глазурей необходим обжиг изделий.

Обжиг керамических изделий ведется по специальному режиму,

16—1273

ч о ч о а.

процессе которого сырец подвергается прогреву, собственно об-

н охлаждению готового изделия. Кольцевая печь представляет собой замкнутый обжигательный |анал длиной до 200. и высотой до 3 м и объемом от 300 до м³ (рис. 21.2). В наружной стене печи устроены проемы — здки для загрузки сырца и выгрузки кирпича. Ходки устраивают «ерез 5...6 м, количество ходков определяет количество условных Еамер печи, отделенных друг от друга бумажными щитами, уста­навливаемыми при загрузке сырца. Число таких камер в кольце- fpofi печи 12...36 шт. Сверху через топливные трубочки в своде ка-гер загружается! кусковое или пылевидное топливо, внизу камер tимеются отверстия, соединенные с центральным дымовым кана­лом, для отвода дымовых газов. В кольцевой печи садка сырца остается неподвижной до момента выгрузки готовых изделий, а вон а подогрева, обжига и охлаждения перемещается по обжига-*тельному каналу по мере продвижения подачи топлива от одной 'условной камеры к другой. При приближении зоны обжига бу­мажные щиты сгорают. У этих печей имеются недостатки: труд­ность загрузки и выгрузки кирпича при высоких температурах (до 80°С), неравномерное распределение температуры по высоте печи, что приводит к «недожогу» и «пережогу»—деформации изделий, поэтому кольцевые печи больше не строят.

Туннельная печь представляет собой обжигательный канал длиной до 160 м, высотой 1, 7 м и шириной до 3, 1 м (рис. 21.3). Внутри этого канала по рельсам продвигаются вагонетки с обжи­гаемым сырцом. По длине канала печь разделяется на зоны подо­грева, обжига и охлаждения. Вагонетки с сырцой сначала дви­жутся навстречу горячим газам, а затем поступают в зону холод-| ного воздуха, нагнетаемого газовым вентилятором. В свою очередь, дымосос, устанавливаемый в начале зоны подогрева, обеспечивает поступление горячего воздуха в зону обжига. В тун­нельных печах может применяться разнообразное топливо (твер­дое, жидкое, газообразное).

Обжиг в этих печах идет значительно быстрее, чем в кольце­вых. Трудоемкие процессы садки сырца на вагонетки и выгрузки изделий механизированы, режим обжига автоматизирован, каче­ство изделий выше.

\- 21.4. Структура и природа свойств керамических; материалов

L При нагревании глинистой массы, подготовленной определен-I ным образом к термической обработке, до температур 110...250°С Ь происходит испарение из различных глинообразующих минералов | и пор изделия свободной и адсорбированной воды. В интервале 250...900°С происходит дегидратация, например, каолинита в ин­тервале 520...590°С, монтмориллонита и гидрослюд — при темпе­ратурах 800...850°С. Этот процесс является эндотермическим и

16* 483

сопровождается небольшой усадкой обжигаемого сырья. Вместо кристаллического каолинита > сырце-изделии образуется аморф­ный метакаолннит AI₂0₃-2SiOj. Примерно в этом же температур­ном интервале происходит диссоциация карбонатов с выделением СОа, сгорание органических примесей.

При дальнейшем нагревании дегидратированные соединения распадаются на первичные окислы (глинозем, кремнезем и др.). в интервале температур нагрева 900...1250°С возникают в состоя­нии твердых фаз новые алюмосиликаты — неустойчивый силлима­нит Al₂O_s • 2Si0₂, кристаллический муллит (типа природного) 3AbO_s-Si02- Содержание последнего возрастает с повышением температуры, а процесс муллитизации (рост количества муллита) сопровождается экзотермическим эффектом н усадкой с уплотне­нием расплава. Наиболее интенсивное образование муллита про­исходит в интервале температур 100Ь...1200°С. Процесс перекри­сталлизации каолинита в муллит следует по реакции 3(АЬОзХ X2Si0₂)«=3Ai₂0₃-2Si0₂+4Si0₂.

Непрерывный синтез новых кристаллических образований типа природного муллита характеризует их стойкость к высоким темпе­ратурам.

В результате последующего нагревания оставшийся свободный кремнезем из аморфного состояния переходит в кристаллическое с образованием кристобалита, возникает шпинель, например, MgAbO.*, что сопровождается усадочными явлениями, а при тем­пературе 1300^вС и выше растворяется в стекле. При достижении критической температуры для данной системы сырьевая масса постепенно переходит сначала частично, а затем и полностью в жидкое состояние. Эта жидкость в основном является расплавом и, кроме того, постоянно содержит не полностью растворившиеся тугоплавкие минералы. В системе АЬОз — Si0₂ наиболее низко-плавкой точкой (1595°С) служит эвтектика между кристобалитом н муллитом при содержании 94% Si0₂ (по массе). При других соотношениях этих оксидов в соединениях температура плавления от эвтектической быстро повышается, а у муллита (28% SiO_a по массе) составляет уже 1850°С Между температурами 1595... 1850°С твердый муллит находится в жидком расплаве. Присутст­вие плавней существенно уменьшает число сильных ионных свя­зей кислорода с атомами металла, с образованием слабых —с ато­мами флюса и с понижением точки плавления.

Таким образом, химическое взаимодействие компонентов гли­нистой массы начинается еще на стадии твердых фаз, а с ростом температуры нагрева масса постепенно переходит в жидкое состоя­ние. Керамический расплав состоит из большого количества про­стых и сложных соединений.

При охлаждении керамического расплава наиболее характер­ным процессом является кристаллизация, которая проявляется а выпадении первых сравнительно чистых от примесей кристаллов и их последующем росте. Чистые компоненты, обладающие наимень-

W

■ рщей плавкостью (растворимостью), к которым относятся в глини-Цетых веществах в первую очередь АЬО_э н SiOs, способны выде-К ляться в виде кристаллов корунда н а-крнстобалита при те м пера-| турах соответственно 2050 и 1723°С. Ввиду наличия минеральных I црвмесей происходит быстрый процесс муллитизации, причем при ^-температуре 1595Х образуется твердая эвтектика между кристо-J балнтом и муллитом (рис. 21.4). Кристаллизация в полной мере |. пройти не успевает, так как при принятой скорости i большая или меньшая часть рас-f плава с выпавшими в нем кри-| сталлани становится переохлаж-| денной жидкостьк>, т. е. стеклом. | Дальнейшее охлаждение со­провождается переходом р-крнс-^ тобалита в р, а затем в р-кварц

■ и а-кварц. Присутствие плав-

■ ней и других примесей может весьма значительно смещать в

'. сторону меньших температур гра­ницы этих аллотропических ви­доизменений кремнезема.

В результате отвердевания расплава образуется микрокон­гломерат, в котором кристалли­ческие зерна муллита, кремнезе­ма разных модификаций, других видов веществ, кристаллизую­щиеся при остывании (в основном алюмосиликатов), сцементиро­ваны аморфной массой отвердевшего расплава. Поскольку на бо­лее ранней технологической стадии расплав был или мог быть объединен с огнеупорным заполнителем, образовавшийся микро­конгломерат— вяжущее — окаймляет отдельные зерна заполните­ля и размещается в межзерновых пустотах. После охлаждения ■ образуется обжиговый ИСК, в котором, кроме того, имеются кон­тактные слои вяжущей части с поверхностью заполнителя. Неред­ко при обжиге используются вспучивающиеся глины. Тогда струк-

. тура керамики становится в той или иной мере пористой. /Чем большей вспучиваемостью обладает сырье, тем больший объем пор и меньшая средняя плотность у соответствующего отвердев­шего расплава.

Типичная технология производства строительной керамики предусматривает обжиг изделий в печах до температуры спека­ния, при которой расплав частично или полностью заполняет поры и капилляры сырца, смачивая поверхность заполняющих или об­разующихся (например, кристаллический кремнезем) твердых ча­стиц керамической смеси. При охлаждении расплава повторяется процесс кристаллизации и остекловыванйя, который в получаемом обжиговом (до спекания) конгломерате выполняет функцию вяжу

16*—1273

щего — «высокотемпературного цемента» (по выражению-А. А..Байкова).

В последнее время исследования (П. И. Боженов, Б. А. Гри­
горьев и др.) показали, что при обжиге в условиях вакуума сокра­
щается продолжительность обжига в несколько раз при более
низких на 100__ 150° по сравнению с обжигом на воздухе темпера­
турах. Обожженные в вакууме строительные конгломераты (кир­
пич, фаянсовые плиты и др.) имели повышен­
ные показатели прочности, морозостойкости.
Муллит образовывался при меньшей продол­
жительности изотермической выдержки, что
благоприятствовало снижению энергозатрат
(до 5%).

Сформировавшиеся микроструктуры кера­мического вяжущего, подобно вяжущему без­обжиговых конгломератов, представлены стекломассой и кристаллической фазами, це­ментирующих остальную массу частиц изде­лия. При обжиге под вакуумом электротехни­ческого фарфора была установлена изотроп­ная кайма толщиной 0, 5... 1 мкм, окружавшая все зерна кварца. Кристаллическая фаза представлена муллитом AleSisOis и другими новообразованиями, а также свободными крем­неземом в различных его аллотропических видоизменениях, некоторыми оксидов в кри­сталлическом состоянии, не вступившими в химическое взаимодействие во время терми­ческой обработки сырья. Стекловатая, аморф­ная фаза (переохлажденная жидкость) вяжущей части представ­лена в микроструктуре легкоплавкими компонентами, которые ле успели выкристаллизоваться при заданной скорости остывания расплава.

Вяжущая часть в процессе обжига может быть подвергнута вспучиванию за счет введения соответствующих добавок с эффек­том порнзации микроструктуры.

Если микроструктуру керамики рассматривать на атомно-мо-лекулярном уровне, то ее можно охарактеризовать как комбина­цию атомов металла с атомами неметалла, чаще всего с кислоро­дом. Как отмечает Д. Гильман, относительно большие атомы кис­лорода образуют матрицу, в которой маленькие атомы металлов (А1, Mg, Si и др.) помещаются в промежутках между ними (рис. 21.5), причем в кристаллах керамики превалируют ионные и в несколько меньшей мере — ковалентные связи. Эти прочные связи предопределяют прочность и стабильность, химическую стойкость и долговечность керамических материалов, что обусловлено, а ча­стности, их высокоокисленным составом, т. е. большим содержа­нием кислорода.

Микроструктура керамики далека от совершенства, так как в (ристаллических решетках имеются дефекты в виде вакансий или; лор атомного размера, дефекты по границам контакта между кри­сталлами, деформации и поры. Поэтому прочность керамики зна ч и тел ь но уступает прочности идеальных кристаллов. Однако в |целом керамика обладает комплексом высоких качественных пока­зателей, который согласуется с определенным фазовым соотноше-

1ft 1ft 2ft 0, 5 1ft 1ft 2ft Oft 1ft 1ft 2ft Соотношение fe₂0₃/Na₂0 i Phc. 21.6. Закон створа в отношении керамического сплава FeiCb н NaiO в плиточных массах с добавкой стекол:

в — 1000Х; б — I050X; в — ] 100" С; / — водоноглощаемость; 2 — кажущаяся плот­ность; 3 — содержанке кристабалнта; 4 — содержание кварца; 5 — содержание гема­тита: 6 — кислотостоЦкость; 7 — содержание муллита

нием стекла н кристаллов, особенно при оптимальной структуре. Так, например, на рис. 21.6 приведены кривые изменения фазового состава и свойств керамических плиток, обожженных по скорост­ному режиму (по экспериментальным данным В. Ф. Павлова). Видно проявление закона створа применительно к этой разновид­ности керамических материалов.

21.5. Керамические изделия и материалы

К изделиям и материалам строительной керамики относятся: стеновые — кирпич керамический рядовой полнотелый обыкновен­ный, кирпич керамический рядовой пустотелый, блоки пустотелые, панели из кирпича и другие; фасадные изделия, в том числе кир­пич и камни лицевые, керамические плиты и плитки, ковровая «керамика; изделия для внутренней облицовки стен (глазурован­ные плитки и фасонные детали к ним — карнизы, уголки, пояски); плитки для полов; изделия для перекрытий (балки, панели, спе­циальные камни); кровельные изделия — черепица; саннтарно-технические изделия — ванны, унитазы, умывальники; дорожные изделия — дорожный кирпич — клинкер; изделия для подземных коммуникаций —канализационные и дренажные трубы; огнеупор-

ные изделия» применяемые для футеровки печей и других тепловых агрегатов; теплоизоляционные материалы — керамзит, аглопорнт и др.; химически стойкая керамика — кирпич и плитки для футе-ровкн химической аппаратуры.

Хорошие качественные показатели керамических изделий н ма­териалов, широкая распространенность сырья и невысокая стои­мость этой продукции способствовали большому объему их при­менения в строительстве. Выпуск керамического кирпича, напри­мер, составляет около половины объема производства стеновых материалов. Керамические облицовочные плитки служат основным отделочным материалом для ванн, санитарно-технических узлов и многих других помещений. Производство этих изделий, а также плиток для полов, кислотоупорных изделий и сантехоборудова­ния, керамзита и некоторых других видов керамической продукции продолжает из года в год возрастать. В двенадцатой пятилетке значительно увеличится выпуск керамического кирпича, особенно эффективного — повышенной пористости и пустотелого.

Стеновые материалы и изделия. Кирпич и камни керамические (рис. 21.7) изготовляют из глин, а также диатомитов, лёссов и промышленных отходов с минеральными, органическими добавка­ми или без них. Их применяют для кладки наружных и внутрен­них стен и других элементов зданий и для изготовления стеновых панелей (двух- и трехслойных) и блоков. Кирпич имеет размеры 250x120x65 мм, кирпич утолщенный —250X120x88 мм, кирпич модульных размеров 288X138x63 мм. Камни выпускаются со следующими размерами: 250x120X138, 288x138x138, 250 X Х250Х 138, 250Х250Х120, 250x200x80 мм.

Кирпич может быть полнотелым или пустотелым, а камни — только пустотелые, количество, расположение и форма пустот очень разнообразны. Поверхность граней нередко изготовляют рифленой, пустоты располагаются перпендикулярно или парал­лельно постели и могут быть сквозными или несквозными. По средней плотности в сухом состоянии кирпич и камни подразделя­ются на три группы: а) эффективные, улучшающие теплотехниче­ские свойства стен и позволяющие уменьшить, их толщину по сравнению с толщиной стен, выполненных из обыкновенного кир­пича. К этой группе относятся: а) кирпич со средней плотностью не более 1400 кг/м³ и камни — не более 1450 кг/м³; б) условно эффективные, улучшающие теплотехнические свойства: кирпич и камни со средней плотностью 1450...1600 кг/м³; в) керамический кирпич со средней плотностью более 1600 кг/м³. Масса кирпичей и камней не должна превышать требуемую ГОСТами.

Кирпич и камни имеют марки по прочности: 300, 250, 200, 175, 150, 125, 100, 75, по морозостойкости Мрз 15, Мрз 25, Мрз 35 и Мрз 50. Они должны иметь определенные пределы прочности при сжатии н изгибе, которые определяют при испытании пяти образ­цов (берется среднее) и наименьшего для отдельного образца.

Рис. 21.7. Эффективные керамические изделия:

в —кирпич с 19 пустотами (лустотность 13%); б —кирпич с 32 пусто­тами (пустотность 22%); _в - «нрпнч с 31 пустотами (сустоЖт,. 30%); г-кирпич с 18 пустотами {пустотность 27%); й-камень _с 18 пустотами (пустотиость 27%); е — кирпич с 6 горизонтальными пустотами (пустотность 42%); ж —камень с 7 горизонтальными пусто­тами (пустотиость 56%); э — кирпич с 4 горизонтальнымн пустотами (пустотность 41*»)

По точности размеров и внешнему виду они должны удовлетво­рять требованиям действующего ГОСТа. Недожог и пережог кир­пича и камней не допускаются. Недожженный (алый) кирпич име­ет недостаточные прочность и морозостойкость, а пережженный. (железняк)—повышенные прочность и теплопроводность и ис­кривленную форму. Водопоглощение, по которому судят о пори­стости, должно быть для полнотелого кирпича не менее 8% по массе, для пустотелых изделий — не менее 6%.

Массу для пустотелого кирпича и камней обрабатывают более тщательно, формование желательно производить на вакуумных прессах со специальными приспособлениями (кернами) для обра­зования отверстий (пустот). Не рекомендуется применять эти из­делия для фундаментов, цоколей и стен мокрых помещений. Вы­пуск пустотелых кирпичей и камней приводит к экономии сырья и топлива, повышению производительности сушилок и печей, уменьшению транспортных расходов.

Кирпич и камни строительные могут изготовляться не только из глины, но и из трепелов и'диатомитов с добавками или без них. Они бывают сплошными и пустотелыми пластического или полу­сухого прессования. По сравнению с обыкновенным глиняным кир­пичом они имеют пониженную среднюю плотность (классов А, Б, В) и теплопроводность, что позволяет уменьшить толщину стен и снизить массу конструкций. Их применяют для кладки наружных и внутренних стен зданий и сооружений. Выпускаются кирпич оди­нарный размером 250X120X65 мм, кирпич модульный 250Х120Х Х88 мм, камень 250x120X138 мм и других размеров с марками по прочности 200, 150, 125, 100, 75, по морозостойкости марки: 15, 25, 35, с водопоглощением по массе не менее 8%.

Кирпичные и керамические панели и блоки для наружных и внутренних стен и перегородок. Для повышения индустриальности строительства из кирпича и пустотелых керамических камней на специальных установках изготовляют соответственно кирпичные и керамические панели. Это позволяет монтировать стены зданий с помощью крана, что сокращает время монтажа стен на 40% по сравнению с кирпичной кладкой, повысить производительность труда и уменьшить себестоимость строительных работ на 10... 15%. Панели могут быть однослойными, изготовляемыми из пусто­телых керамических камней, и двухслойными — из кирпича на ребро (его толщина 120 мм) и утеплителя (плиты минераловат-ные, фибролит, пеностекло) толщиной 100 мм.

Трехслойная панель состоит из двух кирпичных наружных сло­ев, каждый толщиной 65 мм, в середине укладывают слой утепли­теля толщиной 100 мм. Общая толщина такой панели вместе с внутренней и наружной облицовкой 280 мм. Для облицовки фа­садных поверхностей панелей и блоков применяют: лицевые кир­пич и камни, плитки керамические, глазурованные, а также деко­ративные растворы на белом портландцементе и растворы с до­бавлением крошки из горных пород (рис. 21.8).

|; Толщина панелей для внутренних стен и перегородок 80, 140, 1]80, 270 мм, а для блоков 270 и 400 мм. При изготовлении этих г панелей используют раствор марок не ниже 75, а блоков — не ни-|же марки 50. Их армируют сетками из проволоки в горнзонталь-[ ных швах и каркасами по периметру панелей и оконного проема,; монтажные петли закладывают на всю высоту панели. После * укладки материалов панели уплотняют вибрированием, далее от-^ делывают поверхность и h пропаривают в пропароч-' ных камерах 8... 14 ч.; При применении та-.; ких панелей наземная часть здания становится \ легче в 1, 5... 2 раза.

Изделия для облицов­
ки стен н полов. Кирпич
: и камни керамические ли­
цевые изготовляют из
: глин, трепелов и диато­
митов методами пласти­
ческого формования или
полусухого прессования с
добавками или без них с
нанесением фактурного
слоя или без него марок
по прочности: 300, 250,
200, 150, 125, 100 и 75 и
марок ПО МОРОЗОСТОЙКО- ^{рис 218}- Облицовочная лнтая глазуро-

сти: Мрз 25, 35, 50. По пре- ^{ванная плитка}

делам прочности присжа-i- тии и при изгибе, по форме, размерам, средней плотности, водо-поглощению они должны соответствовать требованиям ГОСТов. Кирпич и камни изготовляют с гладкой и рельефной лицевой поверхностью естественного цвета или окрашенными в массе пу­тем ввода в сырьевые материалы добавок; с офактуренной лице­вой поверхностью — торкретированием минеральной крошкой, ангобированием *, глазурованием или двухслойным формованием. Трещины на лицевой поверхности кирпича и камней, а также тре­щины и расслоения по контакту фактурного слоя с основной массой изделий не допускаются. На лицевой поверхности не должно быть отколов, пятен, выцветов и других дефектов.

Процесс ангобнровання заключается в нанесении с помощью специальных форсунок на свежесформованный или высушенный кирпич тонкого цветного лицевого слоя, усиливающего или маскирующего после обжига структуру и цвет черепка. Цвет ангобов: белый, серый, зеленый, голубой, коричневый, красный и др. У нас ангобы готовят, например, из часов-ярской или веселовской глины, люберецкого песка и оксндов металлов.

I

призмы, а также трех атомов в средней ее плоскости. При этом а=Ьфс\ а=р=90°, a y=120°.

Монокристаллы обладают анизотропией, что обусловливается разной плотностью атомов в различных плоскостях и направлени­ях кристаллической решетки. Металлы как тела поликристалличе­ские псевдоизотропны; их свойства во всех направлениях примерно одинаковы вследствие беспорядочного расположения кристаллов.

В реальных кристаллах металлов всегда имеются дефекты строения: точечные, линейные и поверхностные.

К точечным дефектам относятся вакансии, или атомные «дыр­ки»; и межузельные атомы (рис. 24.4). «Вакансиями» называют узлы кристаллической решетки, в которых отсутствует атом. Ча­ще всего они образуются при переходе атомов из узлов решетки на какую-либо поверхность (границу зерна, трещины и пустоты) или при испарении атомов с поверхности зерна и реже при переходе атомов в междоузлие. Вакансии возникают при нагревании метал­лов, их пластической деформации, рекристаллизации и при других воздействиях, а межузельные атомы — при переходе атома из узла решетки в междоузлие, в результате чего образуется вакансия. Точечные дефекты приводят к местному искажению кристалличе­ской решетки и некоторому изменению физических свойств (маг­нитных, электропроводности и др.). Линейные дефекты содержат ряд вакансий или межузельных атомов. Главный вид линейных дефектов — дислокации, т. е. меетное искажение кристаллической решетки. Простым примером дислокации является сдвиг (рис. 24.5), при котором верхняя часть кристалла сдвинута относительно ниж­ней на одно или несколько межатомных расстояний. Дислокации образуются при кристаллизации из скоплений вакансий, или под влиянием пластической деформации, или при фазовых превраще­ниях металлов. В кристаллах имеется большое количество, дисло­каций, которые весьма подвижны, оказывая большое влияние на механические и другие свойства металлов.

К поверхностным дефектам относятся границы раздела отдель­ных зерен или субзерен* в металле, а также дефекты упаковки. Соприкасающиеся зерна имеют разноориентированные решетки, которые переходят друг в друга, образуя переходную область (шириной до 3... 4 межатомных расстояний) с иным расположени­ем атомов, чем вобъемах зерен. По границам зерен металлов не­редко располагаются также примеси, что дополнительно искажает правильность расположения атомов.

24.3. Кристаллизация металлов

Первичной кристаллизацией называют процесс перехода метал­ла из жидкого состояния в твердое кристаллическое, тогда как вторичную кристаллизацию связывают с процессом выделения вто-

* Субзерна имеют размеры 0, 1...I мкм, т. е. на 1...3 порядка мельче зерен.

рИчных кристаллов из твердой фазы. В 1878 г. Д. К. Чернов впер­вые установил, что при кристаллизации в жидком металле сначала образуются «зародыши», из которых вырастают кристаллы.

Процесс кристаллизации металла — весьма сложный, с спон­
танным образованием зародышей. Сначала в жидком металле,
близко к температуре плавления, образуются небольшие зароды­
шевые группировки с таким же упорядоченным расположением
[({атомов, как и в кристалле, а затем наиболее крупные группировки
превращаются в зародыши (центры кристал­
лизации), постепенно обрастающие или вы­
растающие в крупные кристаллы. Кристал­
лы растут не касаясь друг друга, имея пра­
вильную форму. Позднее растущие кристал­
лы начинают соприкасаться друг с другом и
их рост продолжается в местах проникания
жидкости, поэтому после затвердевания кри­
сталлы имеют неправильную внешнюю форму
и называются зернами. Подобно другим
жидкостям (см. § 2.3) кристаллизация свя­
зана с переходом металла из менее устойчи- % ^вР^еш
вого к более термодинамически устойчивому _{Рнс 24 6} д_{иаграмма}
состоянию при сохранении меньшей свобод- снижения темпера-
НОЙ энергии. туры во времени у

Кристаллизация металла происходит при металлов переохлаждении, т. е. снижении температуры ниже равновесной Т_ПЯ. Обратный переход металла из кристаллического в жидкое состояние происходит при нагревании выше равновесной температуры Г_пл. Практически про­цесс начинается при фактической температуре кристаллиза­ции Гкр. Разность между равновесной и фактической температу­рами кристаллизации АТ=Т_Ш — Т_кр называют степенью пере­охлаждения (рис. 24.6). Чем больше скорость охлаждения, тем больше и степень переохлаждения и, следовательно, ниже тем­пература кристаллизации. При высокой скорости охлаждения может образоваться аморфная структура металла. Горизонталь­ная линия (рис. 24.6) при температуре кристаллизации показы­вает, что процесс происходит при постоянной температуре Г_кр, несмотря на потерю теплоты при охлаждении. Это обусловливает­ся выделением скрытой теплоты кристаллизации, которая компен­сирует потерю теплоты. Кроме скорости охлаждения на степень переохлаждения влияют также вид металла и его чистота: с по­вышением чистоты металла выше степень переохлаждения, но не более чем на Ю...30°С, а у очень чистых металлов, например у олова — до П8°С, сурьмы — 135°С, и т. п.

Скорость кристаллизации и структура отвердевшего металла зависят от скорости образования зародышей в единице объема за единицу времени и от скорости роста линейных размеров кристал­ла в единицу времени. С увеличением скорости образования заро-

дышей н их роста ускоряется также и процесс кристаллизация. С увеличением же степени переохлаждения увеличиваются скоро⁴-сти образования зародышей и их роста. При некоторой степени переохлаждения они становятся наибольшим и затем эти скорости снижаются. При равновесной температуре (Т_ал) кристаллизация не происходит, так как отсутствуют зародыши.

На структуру металла оказывает влияние степень переохлажде­ния. При малой степени переохлаждения структура Получается крупнозернистая, а при увеличении степени переохлаждения — мелкозернистая. С ростом ско­рости охлаждения' и образования зародышей уменьшаются разме­ры зерен. Посторонние примеси: оксиды, неметаллические вклю­чения и др.; которых всегда мно го в технических металлах, мо-

Рис. 24.7: Нарастание ден-дритовой структуры

гут способствовать образованию зародышей, увеличению числа центров кристаллизации, но чем их больше, тем мельче зерна. Кристаллизация жидкого металла, " залитого в форму, начинается у ее стенок, материал которых оказывает такое же влияние на кристаллизацию, как и посторонние примеси.

Для получения мелкозернистой структуры металла и, следова­тельно, улучшения его механических свойств в жидкий металл вводят добавки-модификаторы. Так, например, при модифицирова­нии магниевых сплавов размеры зерен уменьшаются с 200... 300 до 10... 20 мкм. Мельчайшие частицы модификаторов являются зародышами кристаллов.

Строение металлического слитка. Форма кристаллов металла бывает различной, что зависит от вида и количества примесей, скорости охлаждения; направления отвода теплоты и др. Многие кристаллы имеют так называемую дендритную (древовидную, вет­вистую) форму. В процессе кристаллизации сначала образуются длинные ветви или главные оси дендрита, называемые осями пер-

T

■ аого порядка. Они удлиняются и одновременно на ребрах этих '■ ' осей и перпендикулярно им образуются и растут оси третьего по-

■ рядка (рис! 24.7). Дендриты имеют неправильную форму кристал-I лов, а свободный объем между ветвями заполнен кристаллической | фазой более позднего образования.

I Слиток металла состоит из трех зон, имевших разную скорость | охлаждения (рис. 24.8). На поверхности находится очень тонкая (узкая первая — наружная зона (/), состоящая из неориентирован-| ных мелких кристаллов (дендритов), образовавшихся при быстром охлаждении жидкого металла при соприкосновении с холодной поверхностью иЦюжницы (формы). После образования первой зоны изменяются, условия отвода теплоты и уменьшается степень переохлаждения металла. Поэтому к первой примыкает вторая зона {2) удлиненных столбчатых дендритов, растущих перпендику­лярно стенкам изложницы в направлении отвода теплоты; в ней кристаллы растут быстрее, чем в других направлениях. Проходит процесс так называемой транскристаОтлизации, при которой обра­зуются стыки зон столбчатых кристаллов.

При низкой температуре литья и медленном охлаждении в сере­дине крупных отливок возникают зародыши кристаллов с образо­ванием третьей зоны (3) из разноориентированных дендритов. Раз­витию этой зоны способствуют мельчайшие тугоплавкие включения в жидком металле, являющиеся зародышами кристаллов.

Внутри кристаллического слитка образуются так называемые усадочные раковины, поскольку объем твердого металла меньше объема жидкого. Металл, окружающий усадочные раковины, имеет поры и пузыри и наиболее загрязнен.

Полиморфизм металлов. Под полиморфизмом металлов пони­мают способность их кристаллизоваться в разных формах в зави­симости от температуры. При полиморфном превращении происхо­дит перестройка в расположении атомов кристаллической решетки с переходом ее из одного типа в другой с меньшим запасом сво­бодной энергии при данной температуре.

Каждая полиморфная модификация устойчива при определен­ной температуре. Для большинства металлов модификацию, устой­чивую при самой низкой температуре, обозначают а, а при более высоких — р, у и др. Так, например, железо имеет две модифика­ции а и y и для него характерны полиморфные превращения: Fe**±Fe_v.

Чистый металл переходит из одной полиморфной модификации в другую при постоянной температуре, называемой температурой полиморфного (аллотропического) превращения или критической точкой, что соответствует горизонтальной линии на термической кривой (рис. 24.9). Если полиморфное превращение происходит при понижении температуры, то выделяется скрытая теплота пре­вращения, а если при повышении — тогда теплота поглощается. Полиморфное превращение протекает только при переохлаждении или перегреве по отношению к равновесной температуре. Создает-

ся разность между свободной энергией модификаций, которая на­зывается гистерезисом превращений.

Полиморфное превращение является кристаллизационным про­цессом с возникновением зародышей иной модификации и их ростом. Образующиеся новые зерна имеют другие форму и разме­ры по сравнению с исходными. При нагреве металла до температу­ры выше полиморфного превращения образуются очень мелкие зерна, что способствует измельчению крупнозернистой структуры, образовавшейся при отвердевании жидкого металла. При поли­морфных превращениях скачкообразно изменяются свойства ме­таллов.

Упрочнение металла под действием пластической деформации называют наклепом. Оно сопровождается увеличением внутренней энергии за счет необратимого смещения атомов, понижением тер­модинамической устойчивости и приводит к возникновению про­цессов релаксации внутренних напряжений, т. е. к отдыху или воз-

I

врет Время

Рис. 24.9. Термическая кривая для чистого металла

24.4. Пластическая деформация металлов

Под действием приложенной внешней нагрузки металл дефор­мируется. Пластическая деформация сопровождается самоупроч­нением к обусловливается наличием металлической связи. Проис­ходит необратимое перемещение (скольжение) одной части кри­сталла по другой. Чем больше дислокаций в металле, тем легче происходит сдвиг в кристалле (рис. 24.10).

У металлов, имеющих кубическую кристаллическую решетку, скольжение может происходить по многим направлениям, поэтому они имеют большую пластичность. У металлов с гексагональной плотно-упакованной кристаллической решеткой пластичность мень­ше, что затрудняет прокат, штамповку и другие виды обработки. При обработке давлением деформация металла обусловлена де­формацией зерен, но вследствие их разной ориентировки пластиче­ская деформация происходит неодинаково и неодновременно во всем объеме. Зерна приобретают неравноосную вытянутую (сплю­щенную) в направлении действия силы Р форму (рис. 24.11, а, б), а металл — волокнистую или слоистую структуру.

врату металла. Отдых не сопровождается изменением структуры, чем отличается от рекристаллизации, при которой также снимает­ся напряжение и свободная энергия, но, кроме того, возникают и растут новые кристаллы, особенно при нагревании деформирован­ного (наклепанного) металла.

Различают две стадии рекристаллизации: первичную и вторич­
ную. На первичной стадии растут мелкие зерна, полностью снима­
ется наклеп; на вторичной при более высоких температурах нагре­
ва возникают рост и укрупне­
ние зерен. a) S)

Термическую обработку, при которой деформированный металл нагревают выше темпе­ратуры рекристаллизации для восстановления его структуры и свойств, т. е. для полного снятия наклепа, называют ре-кристаллизационным отжигом. При такой температуре рекри­сталлизация происходит с большой скоростью и более полно. С повышением температуры и увеличением продолжительности рекристаллизационного отжига зерна деформированного металла укрупняются. При вторичной рекристаллизации рост большинст­ва зерен, образовавшихся в результате первичной рекристаллиза­ции, задерживается частицами примесей.

Вторичная рекристаллизация вследствие образования крупных зерен и разнозернистости понижает прочность и деформативность металлов. Мелкозернистые металлы имеют повышенные вязкость и прочность. Однако для некоторых изделий нужны крупнозерни­стые металлы, например для трансформаторов применяют сталь, имеющую высокие магнитные свойства благодаря крупной зерни­стости.

24.5. Металлические сплавы

Железо в чистом виде применяют редко и только для специ­альных целей. Обычно используют металлические сплавы, содер­жащие два, иногда больше, металлических элемента. В сплавах могут содержаться также неметаллические элементы, главным об­разом углерод и кремний.

В зависимости от характера взаимодействия между элемента­ми сплавы образуют механические смеси, твердые растворы и хи­мические соединения.

Механическая смесь состоит из компонентов А и В (рис. 24.12), которые не способны взаимно растворяться в твердом состоянии и не способны образовывать химические соединения. Такой сплав состоит из кристаллов-компонентов А и В (рис. 24.12), являясь двухфазной системой.

Твердые растворы представляют собой сплавы, в которых име­ется основной металл-растворитель {А) и растворенное вещество (В), атомы которого входят в кристаллическую решетку раствори­теля и располагаются в ней беспорядочно (рис. 24.13). Растворите­лем называют тот компонент, у которого в сплаве сохраняется кри­сталлическая решетка. Атомы растворенного компонента изменя­ют размеры элементарной кристаллической ячейки растворителя и искажают ее. Твердые растворы как однообразные системы разде­ляют на два вида: твердые растворы замещения — с частичным замещением в кристаллической решетке атомов основного металла атомами растворенного компонента (рис. 24.14, 6); твердые рас­творы внедрения — с расположением атомов растворенного компо­нента между атомами металла растворителя (рис. 24.14, в).

Если сплавы — химические соединения, то они могут состоять из ряда элементов, например двух элементов — А и В, и выражены формулой А_тВ_п. Их кристаллическая решетка отличается от реше­ток составляющих его элементов, а расположение атомов в ней упорядоченное. Каждое химическое соединение-сплав имеет опре­деленную температуру плавления, может входить в качестве основ­ного компонента-растворителя в твердый раствор, сохраняя свою кристаллическую решетку (рис. 24.14, а).

По своим свойствам сплавы существенно отличаются от ком­понентов. На свойства оказывают огромное влийние примеси, да­же в малых количествах, например металлоидов (углерода, крем­ния Ицдр.). Примеси затрудняют перемещение свободных электро­нов, снижая электропроводность и теплопроводность металла, а при механических воздействиях — увеличивают его твердость. Так, на­пример, если твердость в условных единицах у свинца равна 4, а у олова 5, то сплав их с некоторыми другими металлами имеет твердость 15... 25. Если цинк и медь имеют твердость, равную со­ответственно 30 и 35, то их сплав (латунь) — от 90 до 120, а сплав меди с оловом (бронза)—от 100 до 150. Твердость железа равна 50...80, тогда как сплав железа с углеродом (чугун) — от 230 до

410 и т. п. Так же улучшаются физические, химические и другие свойства.

Некоторые сведения о диаграммах состояния сплавов. Графики, выражающие зависимость температур равновесной кристаллизации от состава металлического сплава, носят название диаграмм состоя­ния или диаграмм плавкости (иногда фазовых диаграмм). Они строятся по экспериментальным данным. Сущность получения этих данных и построения по ним диаграмм заключается в следующем.

В жидком состоянии сплавы обладают неограниченной раство­римостью компонентов. При их охлаждении, как уже отмечалось, образуются твердые растворы, химические соединения, но чаще — механические смеси.

При равномерном охлаждении расплавленного чистого металла из одного компонента температура снижается также равномерно (по прямой АВ) до появления кристаллической фазы. Полная кристаллизация протекает при постоянной температуре, что на кривой охлаждения (см. рис. 24.6) отмечается площадкой (на гра­фике— ВС). Последующее охлаждение твердого кристаллического сплава снова сопровождается равномерным снижением температу­ры на графике «температура — время», хотя и с другой скоростью (по кривой CD).

При равномерном охлаждении расплава из двух компонентов кривые охлаждения имеют более сложную форму. На рис. 24.15 показано, как с увеличением содержания одного компонента (на­пример, В) изменяется местоположение температуры кристаллиза­ции первого компонента (7\ф), с чем всегда связано изменение ско­рости снижения температуры (изменение наклона кривой). При каждом составе жидкого расплава из этих двух компонентов воз­никает горизонтальная площадка, подобная ВС на рис. 24.6, при­чем проявляется она на уровне эвтектической температуры, что соответствует полной и одновременной кристаллизации обоих ком­понентов. Дальнейшее снижение температуры сопровождается равномерным понижением температуры по плавной кривой охлаж­дения.

По экспериментальным данным строится диаграмма состояния сплавов. Для этого характерные точки с графика «температура — время» переносятся на график «температура — состав» (см. рис. 24.15). К характерным точкам относятся температуры начала кристаллизации (точки ликвидуса) и конца кристаллизации (точки солидуса). Соединением соответственных точек получают на диаг­рамме линию ликвидуса (АСВ) и линию солидуса (DCB), Сплаз П является эвтектическим или эвтектикой (Э); сплавы слева or него — доэвтектическими, а справа — заэвтектическими. При ох­лаждении доэвтектических сплавов при температурах, находящих­ся на линии АС, начинается выделение кристаллов компонента А, а на линии СВ при охлаждении заэвтектических сплавов начинает­ся выделение кристаллов компонента. В. Выше линии ликвидуса АСВ сплавы находятся в жидком состоянии.

2 При температурах, лежащих между линиями ликвидуса и. соли-*дуса, доэвтектические сплавы состоят из жидкости и кристаллов компонента А, а заэвтектические —из жидкости и кристаллов ком­понента В. Образование кристаллов компонентов А к В заканчи­вается при одинаковой температуре, соответствующей линии с