Страница 48 из 59
§ 79. Электрокерамические материалы
Электрокерамические материалы представляют собой твердые камнеподобные вещества, которые можно обрабатывать только абразивами (карборунд и др.). Все электрокерамические материалы по их назначению можно разделить на три группы: изоляторная керамика, конденсаторная керамика, сегнетоэлектрическая керамика.
К изоляторной керамике относятся электрофарфор и стеатит. Из этих материалов изготовляют изоляторы низкого и высокого напряжения, а также различные электроустановочные изделия (ролики, основания предохранителей, патронов и др.).
Во вторую группу входят керамические материалы, обладающие большими значениями диэлектрической проницаемости (е = = 10-500), поэтому из них изготовляют керамические конденсаторы различных конструкций (рис. 131).
Рис. 131. Керамические конденсаторы: а — дисковый, б — трубчатый, В — бочоночный, г — горшковый
Керамические сегнетоэлектрики — это такие электрокерамические материалы, которые обладают очень большой диэлектрической проницаемостью (е —1500-4000) и резкой зависимостью диэлектрической проницаемости от температуры и напряжения. Это объясняется происходящими в этих материалах процессами самопроизвольной (спонтанной) поляризации.
Все электрокерамические материалы негигроскопичны *, стойки к атмосферным воздействиям и обладают хорошими диэлектрическими и механическими свойствами. Недостатком электрокерамических материалов является их сравнительно большая объемная усадка при обжиге 10—15%. Это создает трудности в обеспечении точных размеров в некоторых электрокерамических изделиях (платы с большим количеством отверстий и другие изделия).
*Исключение составляет специальная пористая керамика.
§ 80. Изоляторная керамика
Одним из широко применяемых керамических материалов является электротехнический фарфор. Из него изготовляют многочисленные конструкции изоляторов высокого и низкого напряжения.
Исходная электрофарфоровая масса (жидкая и тестообразная) состоит из глинистых веществ (42—50%), кварца (20—25%), калиевого полевого шпата (22—30%), измельченных бракованных фарфоровых изделий (5—8%) и воды.
Для того чтобы исходные минералы в процессе термической обработки (обжиг) изделий вступили в реакцию, их необходимо предварительно измельчить и смешать друг с другом в определенном соотношении. Глинистые материалы состоят из мелкораздробленных (мелкодисперсных) частичек, поэтому они не нуждаются в помоле; их распускают в воде.
Рис. 132. Шаровая мельница для помола каменистых материалов:
1 — закрытый цилиндр из котельной стали, 2 — измельчаемые материалы п вода, 3 — стальные полуоси в подшипниках, 4 — мелющие тела (кремниевая галька), 5 — чугунные неподвижные опоры, 6 — футеровка из кремниевых кирпичей, 7 — люк для спуска помолотой массы
Отощающие материалы (кварц, полевой шпат или пегматит*), бракованные фарфоровые изделия вначале подвергают грубому измельчению гранитными катками (бегунами). Дальнейшее измельчение этих материалов производят в шаровых мельницах — вращающихся стальных закрытых цилиндрах (рис. 132), внутренняя поверхность которых выстлана кремниевыми кирпичами. В шаровую мельницу загружают грубо размолотые каменистые материалы, заливают воду (50%) и вводят некоторое количество мелящих тел, например кремниевую гальку. При вращении мельницы галька измельчает частицы минералов.
* Пегматит — минерал, содержащий кварц и полевой шпат, применяется вместо кварца и полевого шпага, взятых отдельно.
Измельчение материалов в шаровой мельнице считается законченным, если частицы минералов проходят через сито с 10000 отверстий на 1 см2 (остаток на сите не более 1—2%). Распущенные в воде глинистые материалы и размолотые (в шаровой мельнице) каменистые материалы смешивают друг с другом.
Рис. 134. Переработка коржей в пластичную фарфоровую массу на вакуум-прессе:
1-мундштук вакуум-пресса, 2— фарфоровая тестообразная масса, 3 — конвейерная лента
Рис. 135. Заготовка штыревого изолятора, отпрессованная в гипсовой форме:
1 — гипсовая форма, 2 — заготовка изолятора
Рис. 133. Корж тестообразной фарфоровой массы.
Полученная жидкая масса (шликер) содержит 45—50% воды. Ее очищают от железистых частичек магнитной сепарацией. Затем под давлением 6—8 ат ее пропускают через фильтр-пресс, чтобы удалить из нее 25—30% воды, и получают тестообразную пластичную массу в виде коржей (рис. 133). Коржи перерабатывают в пластичную массу с помощью вакуум-пресса (рис. 134). Здесь тестообразную фарфоровую массу подвергают вакуумной обработке, а затем уплотняют.
В результате такой переработки из массы удаляются воздушные включения и достигается равномерное распределение в ней влаги.
Тестообразная фарфоровая масса, полученная из вакуум-пресса, представляет собой монолитный цилиндр, который по выходе из мундштука 1 разрезается на куски заданной длины (заготовки).
Из нарезанных заготовок вакуумированной массы изготовляют (оформляют) различные типы изоляторов.
Изоляторы изготовляют прессованием заготовок в гипсовых (рис. 135) или стальных формах и другими методами. Извлеченные из форм изоляторы поступают на токарные станки, где им придают окончательное очертание и размеры. Обточенные изоляторы имеют влажность 16—18%. Они поступают в сушилки, где их влажность снижается до 0,5—2%. В связи с удалением воды из изделий происходит воздушная усадка — уменьшение объема изделий.
Рис. 136. Схема устройства туннельной печи (разрезы) для обжига электрокерамических изделий:
1 — топки в зоне подогрева печи, 2— рельсы для перемещения вагонеток, 3 — топки в зоне обжига печи, 4 — теплоизоляция печи, 5 — подпечный коридор
Высушенные фарфоровые изделия покрывают жидкой глазурной суспензией (глазурью). Состав глазури отличается от состава жидкой фарфоровой массы большим содержанием стеклообразующих компонентов (кварц, полевой шпат, доломит и др.). В цветные (коричневые) глазури вводят еще красители — хромистый железняк, пиролюзит и др.
В процессе обжига электрофарфоровых изделий слой глазури плавится, создавая на поверхности изделий ровное стекловидное покрытие. Глазурь повышает механическую прочность изоляторов и делает их стойкими к влаге и атмосферным загрязнениям. Цветные глазури служат также для маскировки изоляторов.
Термическую обработку — обжиг изоляторов производят в туннельных печах непрерывного действия (рис. 136). Эти печи отличаются высокой производительностью, так как термическая обработка (обжиг) изоляторов в этих печах происходит непрерывным потоком.
Рис. 137. Поперечный разрез туннельной печи (в зоне охлаждения):
1— колеса вагонетки. 2 — стальная рама вагонетки, 3— подовое основание (под) вагонетки, 4 — наружная стенка печи, 5 — внутренняя стенка (футеровка) печи, 5 — капсели с изоляторами
Туннельная печь представляет собой туннель длиной 100—130 м, наружная кладка которого выполнена из строительного кирпича. Внутренняя же кладка (футеровка) печи и топки сделаны из огнеупорного (шамотного) кирпича. В зоне подогрева и в зоне обжига туннельной печи и располагаются топки в которых сжигается жидкое топливо (мазут) или газ. Внутри туннельной печи в различных зонах ее поддерживается строго, определенная температура.
Рис. 138. Изоляторы (полуфабрикат), помещенные в огнеупорные коробки (капсели) для обжига:
1, 2 и 3 — капсели, 4, 5 и 6 — изоляторы
Строго определенный состав печных газов в определенные периоды обжига необходим для завершения химических реакций, в результате которых образуется электрокерамический материал — электротехнический фарфор.
Основные свойства электрокерамических материалов (неглазурованные образцы*)
У глазурованных образцов механические характеристики выше в среднем на 12—15
Отформованные и высушенные изделия, установленные на вагонетках (рис. 137), перемещаются внутри туннельной печи со скоростью около 2 м/ч. Они последовательно проходят зоны подогрева, обжига и охлаждения в печи и по выходе из нее представляют собой готовые электрокерамические изделия. При обжиге электрокерамических изделий пламя и газы не должны непосредственно действовать на них, поэтому изоляторы и другие изделия помещают в огнеупорные капсели (рис. 13), которые представляют собой круглые коробки, изготовленные из с неупорной керамической массы.
На рис. 137 показан поперечный разрез туннельной печи с вагонеткой, на огнеупорном поду которой установлены колонны капселей с помещенными в них электрокерамическими изделиями.
Полученные после обжига электрокерамические изделия (изоляторы и др.) подвергаются механическим и электрическим испытаниям. При этом дефектные изделия отбраковывают. Кроме того, у готовых изделий проверяют размеры и внешний вид.
Если рассматривать структуру Фарфора под микроскопом, то видно, что фарфор состоит из иглообразных кристаллов муллита 2SiO2X ХЗА1203, хаотически расположенных по отношению друг к другу. Промежутки между этими кристаллами заполнены стеклом, в котором частично растворились зерна кварца. Сочетание кристаллической и стекловидной фазы обеспечивает достаточно высокую механическую и электрическую прочность фарфора и отсутствие гигроскопичности. Основные характеристики электрофарфора приведены в табл. 45.
Другим электрокерамическим материалом является стеатит. Он отличается от электрофарфора повышенной механической прочностью и лучшими электрическими характеристиками.
Стеатитовые электроизоляционные изделия могут работать при температурах до 300° С, существенно не изменяя своих электрических характеристик. У изделий же из электротехнического фарфора наблюдается резкое ухудшение электрических характеристик начиная от температуры 120° С и выше.
Стеатит — материал более дорогой по сравнению с электрофарфором, так как для его изготовления используется более дорогое сырье.
Исходные стеатитовые массы изготовляют на основе природного минерала — талька (3Mg0-4SiO2-H20) и углекислого бария ВаС03 или углекислого калия СаС03.
Для обеспечения пластичности в стеатитовые массы вводят 15— 20% глинистых веществ (бентонитовые и другие глины). Для стеатитов применяют наиболее чистые сорта природного талькового камня с содержанием окислов железа не более 0,5%.
Процесс приготовления исходных стеатитовых пластичных масс не отличается от приготовления электрофарфоровых масс.
Из пластичной стеатитовой массы изготовляют стеатитовые изоляторы и электроизоляционные изделия методом формования и прессования в гипсовых формах.
Наиболее широко распространен способ литья стеатитовых изделий под давлением на парафиновом связующем (парафиновая связка). По этой технологии вначале получают так называемый стеатитовый спек. Это части коржей стеатитовой массы, прошедшие предварительный обжиг в печи, которые затем измельчают.
Очищенный порошок спека затем загружают в шаровую мельницу с электрическим обогревом. 6 нее же загружают парафин (8—16%), олеиновую кислоту (0,6—0,8%) и мелящие тела (стеатитовые шары). Мельницу нагревают до 100°С и, закрыв люк, пускают ее во вращение. При этом происходит тонкий помол стеатитового порошка и смешение его с расплавленным парафином. Обычно в этой же шаровой мельнице литейная стеатитовая масса подвергается вакуумированию с целью улучшения литейных качеств массы. Приготовленная литейная масса поступает в рабочие баки литейных аппаратов. Оттуда под давлением 3—8 ат она заполняет стальные разъемные или целые формы.
Методом литья под давлением изготовляют изделия сложного профиля, например каркасы катушек (рис. 139) для электрических аппаратов и приборов, ламповые панели, платы и др. Для удаления из отлитых изделий парафина их помещают в огнеупорные коробки — капсели. Пространство между отлитыми изделиями в капселях заполняют порошком глинозема. Капсели с изделиями плавно нагревают до 800° С и выдерживают при этой температуре.
Парафин удаляется из отлитых изделий и впитывается порошком глинозема. После удаления парафина изделия подвергают обжигу в печах при конечной температуре 1280—1350° С.
Рис. 139. Литые стеатитовые изделия каркасы катушек
Стеатитовые изделия, полученные методом горячего литья под давлением, имеют плотную и гладкую поверхность. Наименьшей объемной усадкой (5%) обладают изделия, изготовляемые из литейной массы, в которую предварительно вводятся обожженные минералы (спек), составляющие исходную стеатитовую массу.
Основу стеатита составляют кристаллы клипоэнстатита (Mg0-SiO2).
Их содержится в стеатите 60%, а остальные 40% составляет стекло.
В табл. 45 приведены основные характеристики стеатита и электрофарфора.
