Plan wystąpienia

1. Podział proszków:

• Naturalne

• Syntetyczne

1. Omówienie proszków naturalnych takich jak:

• Kwarc

• Glina

• Skaleń

1. Omówienie proszków syntetycznych (po 2 z każdej grupy) takich jak:

• Tlenki (glinu, cyrkonu, tytanu)

• Azotki(krzemu, boru, tytanu ,glinu)

• Węgliki (krzemu, wolframu, tytanu)

1. Omówienie procesu syntezy proszków.

Temat jest rozpatrywany z przyczyn poznania surowców i minerałów używanych do procesów ceramicznych. W temacie również zawarte jest wyjaśnienie procesów syntezy mechanicznej.

PROSZKI NATURALNE

1. KWARC SiO2

CECHY MAKROSKOPOWE:

Postać występowania: kwarc α krystalizuje w układzie heksagonalnym, zaś kwarc β - 
w trygonalnym.

Barwa: kwarc α - bezbarwny, szarawy, czasem aż do czarniawego, rzadziej lekko

niebieskawy, z odcieniem sinawym. Kwarc β - w zasadzie także bezbarwny, choć mnogość wszelkich domieszek powoduje powstawanie form niekiedy silnie zabarwionych, które traktuje się zazwyczaj jako odmiany o odmiennych nazwach mineralogicznych. Odmianę bezbarwną nazywa się kryształem górskim, białą - kwarcem mlecznym, szaroczarną - kwarcem dymnym, intensywnie czarną - morionem, żółtą - cytrynem, czerwonawą - krwawnikiem, wreszcie fioletową - ametystem. Osobniki barwne (np. cytryn, ametyst) używane są jako kamienie ozdobne.

Połysk: na ścianach kryształów typowo szklisty, na powierzchni przełamu - tłusty (jednakowo dla obu odmian).

Rysa: biała.

Twardość : 7,0 - wzorcowa w skali Mohsa.

Łupliwość: brak, posiadają tylko przełam: kwarc α - muszlowy, kwarc β - muszlowy lub nieregularny, w obu przypadkach o gładkiej powierzchni.

Gęstość: 2,65 g ^. cm^-1.

WYSTĘPOWANIE

Znane są trzy polimorficzne odmiany krystalicznej krzemionki: kwarc, krystobalit

i trydymit, różniące się między sobą temperaturą krystalizacji, według schematu przedstawionego na poniższym wykresie:

 Kwarc należy do najbardziej rozpowszechnionych minerałów w skorupie ziemskiej. W temperaturze poniżej 575 ^oC  krystalizuje  kwarc β (niskotemperaturowy). Powyżej tej temperatury tworzy się kwarc α (wysokotemperaturowy). Po obniżeniu temperatury do 575 ^oC kwarc α samorzutnie przechodzi w postać trygonalną (kwarc β).

Tak więc, w normalnych warunkach mamy do czynienia z kwarcem niskotemperaturowym (kwarc β) powstałym z przebudowy pierwotnego kwarcu wysokotemperaturowego (kwarc α).Właściwości kwarcu są bardzo charakterystyczne i pozwalają na łatwe odróżnienie go od innych minerałów. Z chemicznego punktu widzenia kwarc jest czystym dwutlenkiem krzemu -SiO₂. Jego sieć krystaliczna nie sprzyja występowaniu domieszek innych pierwiastków. Często jednak zawiera pęcherzyki gazów, inkluzje cieczy lub wrostki innych minerałów, co powoduje powstawanie osobników nieprzezroczystych lub zabarwionych. Ze względu na skład chemiczny kwarc jest odporny na działanie wszelkich pospolitych substancji chemicznych, w tym silnych kwasów i zasad. Istnieje tylko jeden związek chemiczny zdolny do rozłożenia tego minerału - kwas fluorowodorowy.

• Tworzy osobne kryształy

• Jest odporny na działanie kwasów z wyjątkiem HF(fluorowodorowego)

z którym daje lotny i trujący SiF4

• Mączka kwarcowa- zmielony do postaci „mąki piasek kwarcowy” kolor jasnoszary , ciemniejący po zmieszaniu z żywicą

-zwiększa wytrzymałość mechaniczną odlewów

1. GLINA

Podstawowym składnikiem glin jest minerał kaolinit o wzorze Al4(OH)8(Si4O10), który zmieszany z ziarnami kwarcu, miki, nierozłożonego skalenia, tlenków żelaza

i innych domieszek tworzy glinę. Kaolinit bez domieszek żelaza tworzy glinę białą kaolin

Surowce do produkcji wyrobów ceramicznych

• Jedną z cech charakterystycznych glin jest ich skład granulometryczny, czyli zawartość charakterystycznych frakcji ilastej – o cząsteczkach poniżej 0,002 mm,

gliniastej – o ziarnach poniżej 0,005 mm, pyłowej – o ziarnach 0,005 do 0,15 mm

• Ze względu na cechy wyróżniamy gliny:

-ogniotrwałe

-białowypalające

-kamionkowe

-szkliwne

• Gliny ogniotrwałe

-wysoka ogniotrwałość bo jest duża zawartość kaolinu szlamowego co nadaje pewną plastyczność w technologii glinokrzemianowych materiałów ogniotrwałych.

• Gliny kamionkowe

-mała nasiąkliwość po wypaleniu w 1300 stopni C

-duża odporność na działanie mechaniczne i oddziaływanie czynników chemicznych

Zastosowanie : płytki ścienne

• Gliny szkliwne

-niskotopliwe

-niska temp topnienia

-nadają się do wytwarzania polew na narzędzia

Glina ma szerokie zastosowanie w ceramice (do produkcji cegieł,dachówek itp.), w budownictwie (np. do zapraw budowlanych), w garncarstwie.

1. SKALEŃ K2O*Al2O3*6SiO2

• Są glinokrzemianami przestrzennymi potasu, wapnia i sodu

• Zawierają domieszki litu rubidu i cezu

• Minerał skałotwórczy ,glinokrzemian

• Zmielony używany jest do produkcji porcelany

• W wysokiej temp. Obniża granicę spieku

            Podstawowymi składnikami większości skał magmowych są skalenie. Od ich rodzaju i ilości zależy cała klasyfikacja tych skał. Często występują one również w skałach metamorficznych. Ze względu na skład chemiczny dzielą się one na dwie grupy: skalenie potasowe i skalenie sodowo wapniowe (plagioklazy).
           Skalenie potasowe (ortoklaz, mikroklin) stanowią dominujący składnik wielu skał magmowych.
           Skalenie potasowe znajdują zastosowanie w przemyśle ceramicznym m. in. do produkcji porcelany i glazury. Przezroczyste i efektownie zabarwione odmiany skaleni potasowych są cenionymi kamieniami ozdobnymi (amazonit).

           Skalenie łatwo ulegają wietrzeniu zamieniając się w kaolin będący cennym surowcem do produkcji porcelany i ceramiki technicznej (fajansy).

           

PROSZKI SYNTETYCZNE:

1. Tlenek glinu

Tlenek glinu jest związany z wodorotlenkiem tego pierwiastka. Krystaliczny wodorotlenek glinu występuje w przyrodzie w trzech odmianach - trwały hydrargilit (minerał) oraz meta trwały bajeryt odpowiadają wzorowi Al(OH)₃. Wodorotlenki glinu są typowymi związkami amfoterycznymi (zdolność związku chemicznego do reakcji z kwasami i zarazem zasadami. Inaczej, jest to zdolność związków chemicznych do bycia w jednych reakcjach kwasami a w innych zasadami^[1]. Związki wykazujące amfoteryczność nazywa się czasami amfolitami

-wysoka twardość

-wysoka wytrzymałość na łamanie

-wysoka wytrzymałość na temperaturę przy równoczesnej trwałości mechanicznej

-dobra przewodność cieplna

-izolacja elektryczne też przy wysokich temperaturach

-wytrzymałość na korozję w rozcieńczonych kwasach i zasadach

-wysoka rezystencja izolacyjna przy wysokich temperaturach

Zastosowanie:

• Tygle laboratoryjne

• Izolatory wysokiego napięcia

1. Tlenek cyrkonu

Tlenek cyrkonu(IV) (ditlenek cyrkonu), ZrO₂ – nieorganiczny związek chemiczny, tlenek cyrkonu na IV stopniu utlenienia. W temperaturze pokojowej jest to białe, krystaliczne ciało stałe, odporne chemicznie i bardzo trudnotopliwe. Krystalizuje w układzie heksagonalnym, regularnym lub tetragonalnym. Regularny tlenek cyrkonu(IV) jest stosowany jako imitacja diamentu o nazwie cyrkonia – ma podobną twardość, współczynnik załamania światła i inne właściwości.

-wysoka wytrzymałość i trwałość podbudowy

-wysoka wytrzymałość na ścieranie

-nie powoduje reakcji alergicznych

-wysokie walory estetyczne

-obróbka tlenku jest wykonywana w postaci częściowo spiekanej

-podczas spiekania wielkość podbudowy ulega zmniejszeniu do ostatecznej wielkości oraz zyskuje strukturę w pełni homogenną oraz odporną na ścieranie

-z uwagi na wysoką wytrzymałość na zginanie (od 800-1400 MPa) materiał ten idealnie nadaje się na trwałe podbudowy protetyczne

-wysoka wytrzymałość i ciągliwość

-rozszerzalność cieplna zbliżona do żeliwa

1. Azotek krzemu Si3N4

-wyroby z azotku krzemu mogą pracować w temperaturach do 1670K, zachowując swoje własności mechaniczne

-odporne na korozje

-odporne na ścieranie

-bardzo dobrze znoszą szoki termiczne

-materiał bardzo trudno obrabialny metodami konwencjonalnymi(np., cięcie ,gięcie ,tłoczenie)

-części z Si3N4 po sprasowaniu i spieczeniu, dla nadania wymaganej dokładności i uzyskania pożądanych własności warstwy wierzchniej podlegają dalszej obróbce mechanicznej narzędziami diamentowymi lub z azotku boru

-wysoka odporność na pełzanie i udary cieplne

1. Azotek boru BN o regularnej sieci przestrzennej

-druga najtwardsza substancja znana po diamencie

-może być używany przy różnych prędkościach skrawania

-dobra udarność

-odporna na szok termicznych

-używane do toczenia wykańczającego hartowanych stali o twardości powyżej 45 HRC

Zastosowanie:

• Ściernice ze spoiwem żywicznym- szlifując ściernicami diamentowymi i z regularnego azotku boru o spoiwie żywicznym uzyskuje się bardzo wysoka gładkość powierzchni obrabialnej

1. Węglik krzemu SiC (Karborund)

-najbardziej skrawane ziarno ścierne

-bardzo wysoka twardość (9,2 w skali Mohsa) porównywalna z twardością diamentu

-wysoka trwałość

-duża wytrzymałość mechaniczna

-wysokie przewodnictwo cieplne i elektryczne

-trudno wchodzi w reakcje chemiczne

-odporny na wysokie temperatury (>1000 stopni C)

-odporny na procesy utleniania

-odmianami są :węglik krzemu zielony i metalurgiczny

-w przyrodzie występuje tylko w nieznacznych ilościach (w kopalniach diamentów, w kimberlicie (skała magmowa)i w określonych typach meteorytów)

Zastosowania:

• Tarcze i materiały ścierne ,hamulce tarczowe

1. Węglik wolframu

-twardość

-wytrzymałość i odporność na ścieranie zależna od udziału osłony kobaltowej

-ma najwyższą (6000 stopni C) temperaturę wrzenia spośród znanych związków

Zastosowanie :

Piłka do cięcia twardych elementów

Na czym polega synteza proszków?

Mechaniczna synteza (MA) polega na mieleniu proszków w wysokoenergetycznych młynach. Podczas mielenia składników wyjściowych stopu (proszków o dużej czystości ) powstają silnie przesycone roztwory stałe, z których po wyżarzaniu wydzielają się nowe fazy.

Proces syntezy powoduje rozdrobnienie mikrostruktury i generowanie dużej ilości defektów. W wyniku struktura staje się niestabilna i powstały stop może mieć charakter:

-roztworu stałego

-fazy międzymetalicznej

-mieszaniny składników

-materiału amorficznego

W wyniku tego podczas mielenia może się zmienić skład chemiczny 
i mikrostruktura materiału. Tym, co odróżnia mechaniczną syntezę od innych procesów mielenia kulowego, jest obecność zarówno kruszenia, jak i stapiania

Proces MA można podzielić na pięć etapów, które rozróżnia się na podstawie analizy rozkładu wielkości ziaren, ich kształtu oraz pomiaru twardości:
- początkowy,
- łączenie cząstek,
- tworzenie cząstek równoosiowych,
- przypadkowa orientacja łączenia cząstek,
- końcowy.

1). Na etapie początkowym obserwuje się rozwój cienkich warstw (grubość 1÷2 średnic wyjściowych cząstek proszku) oraz powstanie cząstek proszku zarówno mniejszych, jak i większych od początkowych. Część proszku uwięziona między zderzającymi się kulami jest silnie odkształcona, podczas gdy część pozostaje nienaruszona. Rozkład wartości twardości materiału jest bardzo szeroki.
2).Na etapie drugim dominuje łączenie cząstek. Następuje wzrost liczby grubszych frakcji proszku, które mając strukturę warstwową, są równoległe do powierzchni kul. Następuje dalszy wzrost twardości mielonego materiału. 
3).Tworzenie cząstek równoosiowych następuje w kolejnym etapie. 
Spadek plastyczności materiału powoduje dalsze rozkruszanie cząstek swobodnych materiału na mielnikach i ściankach.
4).Na etapie przypadkowej orientacji łączenia się cząstek pojawia się struktura „zwinięta”. Jest to spowodowane łączeniem się cząstek równoosiowych. Obserwuje się zmniejszenie liczby dużych cząstek w wyniku ich rozkruszania oraz dalszy wzrost twardości. 
5).Nasycenie twardości i stały rozkład wielkości cząstek osiąga się na etapie końcowym. Materiał jest zazwyczaj amorficzny lub nanokrystaliczny.
Skład fazowy cząstek jest już inny niż skład wyjściowy, a wielkość ziarna zależy od typu młyna i parametrów mielenia.
Podczas MA szybkość reakcji w stanie stałym zależy od powierzchni kontaktu substratów reakcji i szybkości dyfuzji substratów w fazach, które są produktami reakcji. Mechaniczna synteza pozwala ominąć czynniki ograniczające postęp reakcji (niska temperatura procesu), ponieważ:
- ze względu na dużą liczbę generowanych defektów szybkość dyfuzji 
wzrasta,
- powierzchnia kontaktu zwiększa się w czasie procesu w związku z 
tworzeniem coraz cieńszych warstw składników.
Właściwości wytrzymałościowe i fizykochemiczne produktu mechanicznej syntezy zależą od parametrów i warunków procesu, takich jak: rodzaj młynka (stopień wypełnienia pojemnika, wielkość i materiał mielników, stosunek masy mielników do masy proszku), temperatura i atmosfera mielenia.

Bibliografia:

• Andrzej Ciaś, Hanna Frydrych, Tadeusz Pieczonka ; „Zarys metalurgii proszków)” ;Warszawa 1992,

• Andrzej Bolewski, Mieczysław Budkiewicz, Piotr Wyszomirski; „Surowce ceramiczne”

• Bogumiła Kuźnicka, Albrech Ziller; „Materiałoznawstwo”

• Janusz Radomirski, Wacław Marek Rećko, M.Ketling-Szemley Itme; „Własności azotku boru i metody jego otrzymywania”

• http://www.rauschert.com.pl/ceramika-techniczna/tlenek-glinu-rapal.html ;17.03.2014

• http://renomed-cf.pl/tlenek_cyrkonu.html ;17.03.2014

• http://tiger.ire.pw.edu.pl/LTM/granty/materialy/nm/no.9/main.htm ;17.03.2014

• http://www.ios.krakow.pl/117,6,oferta,sciernice-ze-spoiwem- ;17.03.2014 zywicznym.htm

• http://www.korund.pl/scierniwa/weglik-krzemu/ ;17.03.2014

• http://www.redbor.pl/mineraly/0_krzemiany.htm; 17.03.2014