Tài liệu Nghiên cứu quy trình công nghệ chế tạo vật liệu gốm Corund pptx

Đã nghiên cứu chế tạo và đánh giá chất lượng toàn diện các mâu gốm corundum trên cơ sở các đơn oxít và các alumina thương mại, Đã khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ tạo hình,

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIEN NANG LUGNG NGUYEN TU VIET NAM

BAO CAO TONG KET

ĐỀ TÀI KHOA HỌC CÔNG NGHỆ CẤP BỘ

NĂM 2001-2002

NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

| CHE TAO VAT LIEU GOM HE CORUND

DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THAM GIA

-1 | Nguyễn Đức Kim TS NCVC | Viện CNXH, Trung tâm Luyện kim

6 Hà Đình Khải KS -nt-

& | Pham Hing Vượng KS -nt-

MỤC LỤC

Trang Abstraet- -— ~>>>-srn-~T~-==rrr~>>>rre>~~~~~-rrrrrrrrrrrrrrrrre 3

Tóm tắt -— -————-—— —- Teereerrrerrzez~-zerrzrrrx~zz~e 4

MỞ ĐẦU -~-5> ~ ->~->>->=>z=>>>~=~~~= => 5

PHAN 1 LY THUYET VA TONG QUAN

1 NHUNG KHAI NIEM CHUNG :

VỀ GỐM VÀ CÔNG NGHỆ GỐM - 8

1:1 Những khái niệm chung về gốm, gốm cao cấp,

gốm kết cấu và gốm trên cơ sở alumina -~~-~~- 8

1 2 Cấu trúc va các tính chất cơ lý của gốm cao cấp - 10

1.2.1 Các đặc tính cấu trúc 10 1.2.2 Các tính chất cơ lý ll

1.3, Cac qua trinh cong nghé ché tao gdm cao cap - - 14

1.3.1 Xử lý nguyên liệu đầu _ -~ ~~ 15

1.3.2 Tạo hình — - l5

1.3.3 Quá trình thiêu kết -~ ~~~-~-~-~~=~=~=~=~ 16

2 AL,O; VA NHỮNG YEU TO LIEN QUAN

ĐẾN GỐM CORUND_ -— -¬-~ >- 18

2.1 Tính chất và phương pháp chế tạo bột AlO; - 18

2.2 Ảnh hưởng của một số.yếu tố công nghệ

dén tinh chat g6m corund _ - 19

2.3 Ảnh hưởng của một số phụ gia đến tính chất gốm corund - 21

PHAN 2.THUC NGHIỆM VÀ CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

-2 CÁC NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU - 28

2.1 Chế tạo và nghiên cứu mẫu gốm từ phối liệu các đơn oxít 28

2.2 Chế tạo và nghiên cứu các mẫu gốm từ alumina thương mại 30

2.2.1 Ché tao mau va dinh gid chat lugng - 30 2.2.2 Nhận xét kết quả nghiên cứu các mẫu Alcoa và ZTA_ -~ 34

2.2.3 Nhận xét kết quả nghiên cứu các mẫu KMS 96 và KMS 92 36 2.2.4 Nhận xét chung - Trrrrrrrrrrerr ` 39

2.3 Nghiên cứu chế tạo sản phẩm bỉ nghiền và chén nung - 40

2.3.1 Ch€ tao binghién — -~ 40

2.3.2 Ché tao chén nung -~ ~-~-~-~~-~~¬~~>~~~~~ AL

PHAN 3 QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ

1 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO BI NGHIÊN CORUND 47 1.1 Chuẩn bị nguyên liéu - 47

1.3 Thiéu két -~ -~ -~-~~~~=~~~~=~~~>r~==~~~ => 47

2 QUY TRINH CONG NGHE CHE TAO CHEN NUNG CORUND 47

2.1 Chế tạo chén nung bằng phương pháp ép thuy dang tinh - 48

2.2 Chế tạo chén nung bằng phương pháp đúc rót - 48

_PHẨN4 KẾT LUẬN: -— —-—-~—n—-T~>-—rTrrrrrrne 50

TÀI LIỆU THAM KHẢO -~-~~¬ ~>- 52

The influence of technological parameters of forming, sintering as well

as the effect of additive's content on the main properties of ceramics were investigated All the technological figures such as density, microhardness bend strength, fracture toughness of obtained ceramic specimens are in the

range of required value

It is noted that, in the case of M96 and M92 specimens there was liquid phase's existence of Al-Mg and Al-Ca silicates during sintering

50 kg of grinding ball and 60 crucibles were made from corundum

ceramics

TOM TAT

Đã tổng hợp tài liệu cơ bản về gốm cao cấp, đặc biệt về ảnh hưởng của

các phụ gia phổ biến đối với gốm corundum Đã nghiên cứu chế tạo và đánh

giá chất lượng toàn diện các mâu gốm corundum trên cơ sở các đơn oxít và

các alumina thương mại,

Đã khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ tạo hình, thiêu kết, hàm lượng phụ gia đến các tính chất cơ bản của gốm Kết quả cho thấy các chỉ

tiêu khối lượng riêng, độ cứng, độ bền uốn, độ bền kháng nứt của các mẫu

gốm thí nghiệm nằm trong các định mức tiêu chuẩn

Trong các mẫu gốm M96 và M92 xuất hiện pha lông Al-Mg và Al-Ca

siiicate ở vùng biên giới hạt trong quá trình thiêu kết

Đã chế tạo các sản phẩm bị nghiền (50 kg) và chén nung (60 chiếc) bằng

gốm corundum

MỞ ĐẦU

Gốm là một nhóm vật liệu trong số các vật liệu vô cơ Khái niệm vật

liệu gốm có liên quan đến hai nội dung chính là phương pháp công nghệ chế

.tạo và đặc điểm cấu trúc của vật liệu Bên cạnh đó là những nội dung liên

quan đến những đặc tính cơ lý hoá nổi trội và phạm vi áp dụng của vật liệu

Động lực phát triển ngành gốm trong những thập kỷ gần đây là (1) nhu

cầu mới về các vật liệu có các tính năng đặc biệt, (2) khả năng hoàn thiện thiết

bị sản xuất và (3) sự hiểu biết về khoa học, công nghệ ngày càng sâu sắc

Nghiên cứu công nghệ chế tạo gốm cao cấp là một trong những hướng

nghiên cứu công nghệ hiện đại Gốm cao cấp là sản phẩm của công nghệ vật liệu trí tuệ cao được sản xuất và ứng dụng rộng rãi trong các ngành công

nghiệp trên thế giới Gốm chịu mài mòn, chịu nhiệt, chịu sốc nhiệt từ lâu đã

được ứng dụng rộng rãi làm dụng cụ cất gọt, khuôn kéo sợi kim loại, khuôn

đột dập, các chi tiết dẫn sợi trong các máy dệt, các tấm đệm, con lăn trong các

lò nung gốm sứ và đang được nghiên cứu để thay thế các loại hợp kim đặc

biệt dùng làm piston, xilanh trong một số hãng sản xuất xe hơi ở Nhật, Mỹ, kralia, Đức, Gốm điện, điện tử với sự tổ hợp đa dạng mang lại những tính

năng đặc biệt về tính siêu dẫn, bán dẫn, cách điện, đang chiếm uu thé vé nhu

a u sử dụng trong công nghiệp điện va điện tử trên thế giới Gốm hoá học, đặc biệt là gốm chịu được sự tác dụng hoá học ở nhiệt độ cao, được dùng làm chén nung, nồi nấu kim loại, bình điện phân muối nóng chảy, trong các cơ sở

nghiên cứu và sản xuất Các loại gốm chịu lửa, gốm từ, gốm xốp, cũn aa

không ngừng được nghiên cứu, sản xuất và ứng dụng trong các ngành công

nghiệp khác nhau

Ở Việt Nam, nhu cầu sử dụng các loại gốm cao cấp trong công tác

nghiên cứu và trong sản xuất công nghiệp ngày càng tăng Gốm kỹ thuật chất

lượng cao được sử dụng phổ biến và với khối lượng lớn trong các ngành công

nghiệp khác nhau: ÌNgành sản xuất gốm sứ (mỗi năm khoảng 1200-1500 tấn bi

nghiền cao nhôm khoảng 600-800 tấn các loại tấm kê con lan J ngành đệt

(các loại khuôn dẫn sợi chế tạo bằng gốm kết cấu trên cơ sở Al,O; Si:N, và

ZrO:;) ngành chế tạo thiết bị và dụng cụ (hàng tram tấn sợi gốm tấm chịu

_nhiệt, cách nhiệt một lượng lớn gốm dùng để chế tạo các dụng cụ cắt gọt,

khuôn kéo dây kim loại, các nổi, chén nấu chấy kim loại, chén phá mẫu)

ngành y (gốm làm răng, gốm thay thế xương ) Hầu hết các ngành kỹ thuật

khác như điện, điện tử dầu khí, luyện kim, các cơ sở nghiên cứu khoa học ở

các viện nghiên cứu, các trường kỹ thuật đều có nhu cầu sử dụng gốm cao

cấp dưới dạng dụng cụ, chỉ tiết thay thế, vật liệu sản xuất, |

Lĩnh vực gốm cao cấp đang được quan tâm nghiên cứu và có xu hướng

phát triển ở Việt Nam Vài năm gần đây một số cơ sở nghiên cứu khoa học,

một số cơ sở sản xuất cũng bắt đầu nghiên cứu chế thử vật liệu gốm cao cấp

Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu, chế thử chưa đáp ứng được đòi hỏi của

thực tiễn

Từ năm 1996, Viện Công nghệ xạ hiếm đã tiến hành các nghiên cứu

trong lĩnh vực công nghệ chế tạo các sản phẩm gốm chất lượng cao Đội ngũ

cán bộ khoa học được đào tạo theo chuyên ngành đã làm việc nhiều năm trong

ngành luyện kim bột và công nghệ chế tạo gốm sứ Một số thiết bị quan trọng

đã được đầu tư như lồ nung nhiệt độ cao (1800°C), máy nghiền hành tỉnh thiết:

bị ép thuỷ đẳng tĩnh, kính hiển vị quang học, máy đo diện tích bề mặt riêng,

đo phân bố cấp hạt của bột Các nghiên cứu tại phòng thí nghiệm này trong

những năm qua tập trung chủ yếu vào việc chế tạo một số loại gốm như gốm

nhiên liệu hạt nhân UO;, gốm T-ZrO; và một số loại gốm kỹ thuật cao nhôm,

nirua silic Giai đoạn nghiên cứu ban đầu đã thu được những kết quả nhất

định

Gốm corund là loại gốm cao cấp có thành phần chủ yếu là oxít nhôm

(trên 95%) Nhờ có tính bền cơ rất cao, chịu sốc nhiệt và tính trơ hoá học tốt,

loại gốm này được sử dụng nhiều trong những điều kiện làm việc đặc biệt Để

chế tạo loại vật liệu này cần có nguyên liệu đầu và các phụ gia chất lượng cao

(độ sạch cao cỡ hạt nhỏ, hình thái phù hợp), thiết bị công nghệ và kiểm tra tin

cậy và công n¿hệ chế tạo hợp lý

Dé tài “Nghiên cứu qui trình công nghệ chế tạo vật liệu gốm kết cấu hệ

corund * được thực hiện trong hai năm (2001-2002) tại Viện Công nghệ xa

hiếm với các nội dung chính:

- Nghiên cứu chế tạo thử vật liệu gốm corund dùng làm bị nghiền (khảo

sát các thông số công nghệ tạo hình bằng phương pháp ép thuỷ lực và ép thuỷ

đẳng tĩnh khảo sát các thông số công nghệ thiêu kết, xác định mối quan hệ

giữa hàm lượng phụ gia, công nghệ tạo hình, công nghệ thiêu kết đến các tính

- Nghiên cứu chế tạo thử vật liệu gốm corund dùng làm chén nung (khảo sát các thông số công nghệ tạo hình bằng phương pháp đúc rót và ép

thuỷ đẳng tĩnh, khảo sát các thông số công nghệ thiêu kết và xác định mối

quan hệ giữa hàm lượng phụ gia, công nghệ tạo hình công nghệ thiêu kết đến

các tính chất cơ bản của gốm),

và nhằm mục tiêu:

- Chế tạo và đánh giá chất lượng mẫu gốm kết cấu hệ corund

- Thử nghiệm chế tạo bi nghiền, chén nung bằng gốm kết cấu hệ corund

- Bố xung thiết bị nghiên cứu và nâng cao trình độ nghiên cứu của cán

bộ khoa học trong lĩnh vực gốm cao cấp

PHAN 1

LY THUYET VA TONG QUAN

1 NHUNG KHAI NIEM CHUNG VE GOM VA CONG NGHE GOM

Như đã biết gốm là một loại vật liệu nhân tạo có từ rất sớm trong lich

sử loài người Khái niệm gốm (ceramic) lúc đầu được dùng để chỉ những vật liệu được chế tạo từ đất sét, cao lanh (gốm đất nung), về sau, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, khái niệm này được mở rộng và bao gồm cả đồ

sứ, các vật liệu trên cơ sở oxít và các vật liệu vô cơ phi kim loại khác

Trong phần này sẽ giới thiệu những khái niệm về phân loại, tìm hiểu những tính chất quan trọng và các quá trình công nghệ gốm cao cấp

1.1 Những khái niệm chung về gốm, gốm cao cấp, gốm kết cấu

và gốm trên cơ sở alumina

Khi nghiên cứu về gốm, những câu hỏi thường được đặt ra là “Gốm là

gì?” hoặc “ Sự khác nhau giữa gốm và kim loại như thế nào?” Nhiều người

cho rằng, gốm là loại vật liệu giòn, có nhiệt độ nóng chảy cao, dẫn nhiệt và dẫn điện kém, không thấm từ và rằng, kim loại thì dẻo, dẫn nhiệt và dẫn điện tốt, có khả năng thấm từ Cách phân biệt theo bề nổi như vậy không hẳn

đúng Trên thực tế, không có ranh giới rõ ràng để tách biệt gốm vào một loại

và kim loại vào một loại vật liệu khác Ở một mức độ nào đó, gốm và kim loại

có những điểm chung Bản chất của vật liệu được phân định dựa trên mối liên kết hoá học giữa các nguyên tử Liên kết hoá học trong kim loại là liên kết

kim loại (liên kết điện tử), liên kết trong gốm là liên kết ion và liên kết cộng hoá trị [1 trang 5-6 ]

Vật liệu gốm, theo thành phần hoá học, được chia thành ba loại: Gốm silicate, còn gọi là gốm truyền thống, được chế tạo từ các nguyên liệu silicate

tự nhiên, chủ yếu là đất sét, cao lanh; gốm oxít, loại gốm có thành phần hoá

học là một đơn oxít hoặc một oxít phức; và gốm phi oxít (non-oxide), là những vật liệu trên cơ sở các hợp chất không chứa oxy (các hợp chất giữa Sĩ,

Al, Zr, Ti, Hf, v6i B, C, N, ) G6m oxit, g6m phi oxít có những tính chất

đặc biệt thường được gọi là gốm cao cấp (advanced, fine, modern ceramic,

hoặc ceramic for high performance applications)

Gốm cao cấp, theo tính chất và ứng dụng, được chia thành những nhóm: Gốm kết cấu (có độ bền cơ học cao), gốm điện và điện tử (có những tính chất

đặc biệt về điện, tính dẫn điện, cách điện), gốm hoá học (có tính bền hoá, tính _ hoạt hoá), gốm y sinh (có tính tương thích sinh học), gốm quang học (có tính quang điện, truyền dẫn), gốm chịu lửa (có tính chịu nhiệt, cách nhiệt, gốm nhiên liệu hạt nhân, gốm xốp, gốm từ,

Gốm kết cấu (structural) thuộc loại gốm cao cấp, được chế tạo từ các

oxít (oxít nhôm, zirconi ), các borua, nitrua, cacbua, của các kim loại

(nhôm, zirconi, hafni ), có độ bền cơ học cao Các loại hợp chất, oxít và phi

oxít, dùng làm nền để chế tạo gốm kết cấu được thống kê ở nhiều tài liệu [

2] Gốm kết cấu thường được sử dụng làm vật liệu cắt gọt (Al,O;, TIC, Si,N,, SIC), vat liệu chịu mài mòn (Al;O;, Si:N,, SIC), vật liệu chịu nhiét (SiC,

Al;O;, SuN,),

Gốm trên cơ sở oxít nhôm (Al;O;), tuỳ theo phương pháp chế tạo, được

sử dụng trong các lĩnh vực khác nhau: Lĩnh vực gốm kết cấu (bên cơ, bển nhiệt, chịu mài mòn); gốm điện, điện tử (cách điện, dẫn điện ion ); gốm

quang học (gốm oxít nhôm mờ); các loại gốm dùng làm cảm biến nhiệt, khí;

gốm ding trong cấy ghép sinh học,

Gốm kết cấu trên cơ sở Al;O; được coi là đại diện tiêu biểu cho nhóm ' gốm kết cấu, bởi vì loại gốm này có độ bền cao, cả ở nhiệt độ thường cả Ở

nhiệt độ cao Gốm kết cấu trên cơ sở Al;O; có công nghệ chế tạo đơn giản hơn

so với các loại gốm kết cấu khác và được sử dụng với số lượng lớn

ˆ

Oxít nhôm thường được sản xuất không chỉ ở dạng sạch, đơn tinh thể,

mà phần lớn ở dạng có chứa một số các tạp chất hoặc phụ gia phù hợp cho sản

xuất các loại gốm khác nhau Những oxít nhôm như vậy thường có tên chung

là alumina Các loại gốm có thành phần oxít nhôm không nhỏ hơn 95% được

gọi là gốm alumina cao (high alumina ceramic), các loại gốm có thành phần

oxít nhôm không nhỏ hơn 99% được gọi là gốm alurnina độ sạch cao (high- purity alumina ceramic) [3, tr.L] Gốm corund (œ-Al;O;) được tạo ra trong vùng độ sạch này Ví dụ, trong giản đồ hai nguyên Al,O; - SiO;, hàm lượng Al;:O; > 94,5% tồn tại corund sạch, 94,5%> Al,O:> 71,2% là vùng corund +

mullite, 71,2% >AI:O; > 5.5% là vùng mullite + cristobalite và Al,O; < 5.5%

tồn tai SiO, sạch [1]

Như vậy gốm corund là gốm alumina cao, gốm alumina độ sạch cao,

thuộc nhóm gốm kết cấu chế tạo trên cơ sở oxít nhôm

1.2 Cấu trúc và các tính chất cơ lý của gốm cao cấp

1.2.1 Các đặc tính cấu trúc

Thành phản pha tỉnh thể

Việc xác định pha tỉnh thể và đánh giá thành phần pha của gốm được

thực hiện bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), khi so sánh cae pick đặc

trưng của biểu đồ nhiễu xạ với các dữ liệu tiêu chuẩn

Cấu trúc tế vĩ Các chỉ số quan trọng của cấu trúc tế vi là độ lớn và hình dáng hat tinh

thể, đặc điểm và thành phần vùng biên giới hạt, hình dạng và sự phân bố lỗ

1.2.2 Các tính chất cơ lý

Khối lượng riêng

Khối lượng riêng là số đo khối lượng vật chất của một đơn vị thể tích

Khối lượng riêng tỉnh thể là khối lượng riêng lý tưởng tính cho mạng tỉnh thể không có khuyết tật Khối lượng riêng lý thuyết (TD) giống như khối lượng

riêng tỉnh thể nhưng tính cho mạng tỉnh thể bao hàm thành phần các dung

dich ran va cdc pha tạo thành trong vật liệu Khối lượng riêng của khối vật

chất (đối với gốm, thường gọi là khối lượng riêng thiêu kết hoặc gọi tất là khối

lượng riêng) là khối lượng riêng đo được của vật liệu, bao hàm các khuyết tật

mạng, các pha khác nhau và lỗ xốp của vật liệu [2, tr.32] Khối lượng riêng của gốm là một thông số vật lý quan trọng vì nó cho biết mức độ kết khối của gốm sau quá trình thiêu kết, phản ánh chất lượng của gốm

Về nguyên tắc, có thể tính toán chính xác khối lượng riêng lý thuyết

của gốm trên cơ sở khối lượng riêng và thành phần (phần trăm thể tích) của các cấu tử và của các pha tạo thành Đối với gốm alumina cao, khi tính khối lượng riêng lý thuyết, khối lượng riêng và thành phần của các pha tạo thành

thường được bỏ qua vì lượng pha tạo thành thường nhỏ ,

Khối lượng riêng của phôi ép thường được xác định thông qua các phép

đo khối lượng và kích thước Khối lượng riêng của vật thiêu kết được đo bằng phương pháp nhúng (phương pháp Archimedes)

Độ cứng

Độ cứng là khả năng của vật liệu chống lại sự biến dạng vĩnh viễn Độ

cứng của vật liệu phụ thuộc vào cấu trúc tỉnh thể, các khuyết tật của tỉnh thể

dạng liên kết, kích thước hạt tỉnh thể và độ sạch của gốm Độ cứng của gốm

thường được đo bằng phương pháp Vickers - đo kích thước vết lõm do mũi

kim cương tạo ra trên mặt mẫu mài bóng dưới tải trọng nhất định Để đo độ

cứng tế vi (kích thước vết lõm không lớn hơn nhiều so với kích thước hạt tỉnh thể), tải trọng thường dùng từ vài trăm sam đến 1 kg Khi tải trọng nhỏ các

T1

vết nứt không hình thành đọc theo vết lõm kết quả đo độ cứng tế ví sẽ chính

xác hơn (phương pháp Knoop) [5]

Độ bền

Thuật ngữ “độ bền” có thể dùng chung cho các khái niệm độ bền kéo

bên nén bền uốn bền kháng nứt Độ bền lý thuyết có thể được định nghĩa

như ứng suất cần thiết để phá huỷ liên kết nguyên tử và kéo dãn cấu trúc

Cong thite c ,, = (Ey/a,)'” duoc bat nguồn từ việc xác định độ bền lý thuyết ơ,,

dưới tải kéo mà E là modul đàn hồi, a, là khoảng cách giữa các nguyên tử, y là

năng lượng nứt gãy bề mặt Độ bền lý thuyết của vật liệu gốm thường lấy

bằng 1/10-1/5 modul đàn hồi Độ bền thực tế của vật liệu gốm cũng thường

chỉ ở mức này (do các khuyết tật cấu trúc và khuyết tật chế tạo) Ví dụ cho

Al;O:, độ bền lý thuyết là 38 GPa, độ bền đo được cia soi ALO, la 16 GPa va

của vật đa tỉnh thể Al;O: là 0,4 GPa [ 2 tr.76-77]

Độ bền trốn của gốm là ứng suất kéo cực đại gây phá huy và được coi là

một tính chất cơ học quan trọng của gốm Độ bền uốn được đo bằng phương

pháp 3 điểm hoặc 4 điểm Đối với hầu hết vật liệu gốm, giá trị độ bền uốn đo

được bằng phương pháp 3 điểm lớn hơn giá trị đo được bằng phương phấp 4

điểm Qui cách mẫu đo, máy đo và phương pháp đo đối với gốm đã được

- nghiên cứu đầy đủ và qui định chặt chẽ trong các tiêu chuẩn quốc gia khu vực

và quốc tế Những chỉ tiết cụ thể đối với mẫu đo, phương pháp đo sẽ được

trình bày trong mục 1.3 (phần 2)

Số liệu về độ bền (độ bền uốn) của một số loại gốm kết cấu phổ biến

chế tạo theo các phương pháp khác nhau, được giới thiệu trên hình I {2, tr

94] Các số liệu này được dùng làm cơ sở cho việc lựa chọn vật liệu gốm để sử

dụng trong các điều kiện nhiệt độ làm việc khác nhau

Độ bên kháng nứt là một thông số cơ bản của gốm, đặc trưng cho khả

nang chống lại sự hình thành và lan truyền vết nứt của vật liệu, nói cách khác

là khả năng hấp thụ năng lượng trước khi bị phá huỷ Độ bền kháng nứt càng

cao thì sự xuất hiện và lan truyền vết nứt càng khó

12

Mechanical strength under stress vs the temperature of some structural ceramics

Hình 1: Độ bền cơ học của gốm kết cấu [2]

Sự tập trung ứng suất ở đỉnh của vết nứt được biểu thị bằng các yếu tố cường độ ứng suất Kị, Kạ và Kị„ Các chỉ số ở đây thể hiện hướng của tải trọng đối với hướng phát triển của vết nứt K; là cường độ ứng suất khi hướng đặt tải vuông góc với hướng phát triển vết nứt, giống như trường hợp thử bên kéo hoặc bên uốn Dạng K; thường gặp và được nghiên cứu nhiều đối với vật liệu gốm Cường độ ứng suất tại đỉnh vết nứt làm cho vết nứt lan truyền được

gọi là cường độ ứng suất tới hạn và ký hiệu là K¿c [2, tr 91]

Có khá nhiều phương pháp đo độ bền kháng nứt đang được nghiên cứu,

phát triển và sử dụng trên cơ sở công thức định nghĩa K;c = oY (a,)'”, trong

đó, ơ - ứng suất thử, Y - hằng số phụ thuộc cấu hình vết nứt và cách đặt lực, a„; - nửa chiều đài vết nứt hình thành Độ chính xác của các phương pháp do phụ thuộc nhiều vào khả năng gia công, chế tạo mẫu đo và khả năng thực

hiện phép đo

13

1.3 Các quá trình công nghệ chế tạo gốm cao cấp

“

Các quá trình chế tạo, kiểm tra và điều chỉnh chất lượng sản phẩm gốm nói chung được trình bày trên sơ đồ (Hình 2)

Các vật liệu thô

Các đặc tính Tinh 4n mon, Cac dac tinh

co hoc Mai mon chức năng

14

Đối với những mẫu gốm đã được thiết kế, các công đoạn xử lý nguyên liệu đầu tạo hình, thiêu kết và kiểm tra chất lượng sản phẩm cần được nghiên cứu và thực hiện theo các qui trình phù hợp

1.3.1 Xử lý nguyên liệu đầu

Công đoạn tạo hạt nhằm tạo ra hạt bột có kích thước đồng đều (khoảng

1 mm) Trong sản xuất tính chảy của bột rất cần thiết để tự động hoá quá trình điển đầy và làm đồng đều bột trong khuôn ép Bột gốm sau khi tạo hạt có tính chảy tốt đáp ứng yêu cầu trên Hơn nữa, sau khi tạo hạt, tính ép của bột tăng

do tính truyền lực của bột tăng lên, khối lượng riêng tại các điểm trong viên ép đồng đều hơn, độ bên của viên ép cao hơn Những kết tụ có thể sinh ra trong quá trình chế tạo bột đễ được phá vỡ trong quá trình ép viên, như vậy tránh

được nhiều dạng khuyết tật khi ép viên và thiêu kết Những hạt (granules) tạo

ra khi tạo hạt khác hẳn với những hạt kết tụ (agglomerates) hình thành khi chế tạo bột Kết tụ là khối kết hợp của các hạt có kích thước, hình dạng và độ

rắn chắc không kiểm soát được Kết tụ có thể gây ra nhiều vết nứt tế vi trong

viên gốm thiêu kết

Bột gốm thương mại thường được tạo hạt bằng phương pháp sấy phun

có hoặc không có chất kết dính Trong một số trường hợp, bột nguyên liệu được tạo hạt trước khi tạo hình bằng phương pháp thủ công

1.3.2 Tạo hình

Mục đích của quá trình này là tạo ra các sản phẩm mộc có hình dạng và

kích thước như mong muốn, có đủ độ bên để tiếp tục xử lý trong các công đoạn sau Có nhiều phương pháp tạo hình khác nhau Tạo hình bằng phương

pháp ép nguội trong khuôn kim loại thuận lợi đối với sản phẩm có hình dạng đơn giản Ép nóng thường được dùng để nghiên cứu hoặc sản xuất vật liệu

gốm có tính năng đặc biệt và khó chế tạo bằng công nghệ thông thường Ép

nóng là quá trình kết hợp đồng thời hai công đoạn tạo hình và thiêu kết Ép

15

dang tĩnh bao gềm ép thuỷ đẳng tĩnh (trong môi trường chất lỏng) ép đẳng

tĩnh nóng (trong môi trường khí, nóng - HIP), ép giả đăng tĩnh (trong khuôn

lót cao su), là phương pháp tạo hình tiên tiến, sản phẩm được ép đều từ các

phía có chất lượng cao Ngoài các phương pháp ép kể trên, người ta còn tạo

hình bằng các phương pháp đúc rót (slip casting), đúc cán (tape casting), đùn

ép (extrusion), Những phương pháp này giúp tạo được các sản phẩm có

thành mông hoặc nhiều lỗ nhỏ (kiểu tổ ong)

Những yếu tố liên quan tới công nghệ ép thuỷ lực trong khuôn cứng

như thiết kế khuôn ép, chế độ bôi trơn, lực ép, các dạng khuyết tật của viên

ép, được trình bày trong báo cáo tổng kết đề tài “Nghiên cứu chế tạo viên

gốm UO,” [ 6} ,

1.3.3 Qua trinh thiéu két

Thiêu kết là thuật ngữ mô tả quá trình gia nhiệt có hoặc không có áp lực

lên viên ép trong đó các hạt trong viên ép trở nên xít đặc và tạo thành kết khối

Mục đích của quá trình thiêu kết là nhận được viên thiêu có khối lượng riêng,

có cấu trúc tế vi mong muốn Nguồn động lực thúc đẩy quá trình thiêu kết là

kha nang giam nang lượng tự do bê mặt của hạt bột, nói cách khác là giảm

diện tích bể mật hạt bột khi gia nhiệt Tuỳ theo cách tiếp cận mà quá trình

thiêu kết được mô tả từ góc độ hoặc ở mức độ khác nhau Có ba cách tiếp cận:

Một là, dựa trên các hiện tượng vật lý xảy ra khi thiêu kết Hai là, dựa trên sự

xuất hiện và thay đổi cấu trúc pha khi thiêu kết Ba là, dựa trên sự phân chia

quá trình thiêu kết thành ba giai đoạn: giai đoạn đầu, giai đoạn trung gian và

giai đoạn cuối

Nói chung quá trình thiêu kết có thể được xem như quá trình thay đổi

hình dạng có định hướng của tất cả các hạt trong viên ép, để chúng sắp xếp lại

theo cách điển đầy lỗ trống, các hạt xích lại gần nhau Theo hệ hai chiều,

những hạt tròn sẽ chuyển thành hình sáu cạnh để xếp được đặc chặt hơn; theo

hệ ba chiều những hình cầu sẽ chuyển thành khối bát diện, loại hình khối có

hệ số đặc chặt cao [8] Ý tưởng cho rằng các biên giới hạt có tác dụng như

16

nguồn bổ xung các nguyên từ cho sự lớn hạt đã xuất hiện từ Kuczyncki [10]

Heming [9] và được Schatt [L2] chứng minh bằng thực nghiệm Ngược lại đối

với vật liệu vô định hình thì sự thay đổi hình dạng viên thiêu kết lại do chuyển

dịch vật chất theo cách chảy, trượt [7] -

Các tài liệu nghiên cứu về cơ chế của quá trình kết khối thường tập trung

vào bốn cơ chế: l/ cơ chế đòng nhớt (viscous flow), 2/ cơ chế dòng chảy

(plastic flow), 3/_ cơ chế bốc hơi và ngưng tụ và 4/ cơ chế khuếch tán Cơ chế

thứ nhất thường xảy ra trong quá trình thiêu kết các chất có pha thuỷ tinh Cơ

chế thứ hai xảy ra trong quá trình ép nóng trên cơ sở dịch chuyển các sai lệch `

mạng Cơ chế thứ ba xảy ra trong lỗ xốp: Vật chất sẽ bốc hơi chủ yếu ở phần

lổi và ngưng tụ ở phấn lõm của bể mật hạt bột Như vậy vật chất được vận

chuyển và lỗ xốp trở nên tròn hơn Cơ chế thứ tư rất đáng quan tâm vì tính phổ

biến của nó Những lỗ xốp luôn luôn tiếp xúc với những biên giới hạt đang

dịch chuyển Bán kính cong của lỗ xốp luôn luôn thay đổi và mật độ các

khuyết tật trên bề mặt luôn luôn khác nhau Điều đó dẫn đến sự khuếch tán

vat chất tạo điều kiện cho lỗ xốp di chuyển theo biên giới hạt đang chuyển

động Có nhiều cơ hội để lỗ xốp thoát ra ngoài theo con đường này và khối

lượng riêng của viên thiêu dần đần răng lên [1 1]

Với cách tiếp cận dựa trên sự phân chia quá trình thiêu kết thành ba giai

đoạn Ở giai đoạn đầu của quá trình thiêu kết, hình đạng các lỗ xốp liên tục

thay đổi thay đổi đến khi nó trở nên tròn và tách khỏi nhau Tuy nhiên thể

tích chung của các lỗ xốp vẫn chưa thay đổi nhiều Khối lượng riêng của viên

thiêu ở cuối giai đoạn đầu được đánh giá là đạt khoảng 75% khối lượng riêng

lý thuyết Ở giai đoạn trung gian tất cả các hạt đều tiếp xúc với những hạt gần

nó nhất viên thiêu tiếp tục co ngót chỉ do sự vận chuyển vật chất từ giữa các

hạt đến vùng thất nhờ khuếch tán thể tích hoặc khuếch tán biên giới hạt Các

lỗ xốp tạo ra một mạng liên tục gồm các kênh hình trụ xung quanh các vùng

thất Giai đoạn này kết thúc khi khối lượng riêng đạt khoảng 93% khối lượng

riêng lý thuyết, khi mà các kênh này trở nên quá hẹp và các lỗ xốp tách rời

nhau thành lỗ xốp kín Ở giai đoạn cuối, các lỗ xốp đã tách khỏi nhau và nằm

17

ở giữa 3-4 hạt Sự phát triển hạt xảy ra chủ yếu ở giai đoạn này Với các lỗ

xốp kín khi áp suất khí tăng lên (do giảm thể tích lỗ xốp) tới mức cực đại

viên thiêu không co ngót được nữa Trong quá trình thiêu kết hiện tượng vận

chuyển vật chất luôn luôn xảy ra, dẫn đến sự kết khối của viên thiêu

Những thông tin về cơ chế chuyển chất chiếm ưu thế trong quá trình thiêu kết rút ra từ kết quả nghiên cứu công phu của Kuczynski [11] cho thấy,

đối với oxit, thông thường cơ chế khuếch tán thể tích chiếm ưu thế

l Những thông tin về cơ chế của quá trình kết khối khi thiêu kết các vật

liệu gốm được trình bày chỉ tiết trong báo cáo tổng kết đề tài “Nghiên cứu chế

tạo viên gốm UO;” [6]

2 AL,O, VA NHUNG YEU TO LIEN QUAN DEN GOM CORUND

2.1 Tính chất và phương phap ché tao bot Al,O,

Tính chất của Al,O;

Al,O; có nhiều dạng thù hình, được tạo ra trong quá trình phân huỷ ở những nhiệt độ khác nhau, từ những loại quặng bôc-xít khác nhau œ- AI;O; là

dạng thù hình phổ biến, nhận được sau khi nung chuyển hoá Al(OH); ở nhiệt

độ trên 1150°C Những tính chất cơ bản của œ-Al;O; như sau: Cấu trúc tỉnh

thể - rhombohedral, nhiệt độ nóng chảy - 2050°C, khối lượng riêng lý thuyết -

3,99 s/cmˆ, độ cứng tế vi - 18-23 GPa, độ bền uốn 3 điểm - 323 MPa, độ bền

kéo - 280-300 MPa, hệ số kháng nứt - 2,5-4,0 MPa/ m'?, hệ số giãn nở vì

nhiệt - 6,5-§,9.10Ế/K, hệ số dẫn nhiệt - 28,9 W/m.K Các số liệu về tính chất

cơ lý, điện, quang, từ, nhiệt, của các dạng thù hình khác của oxít nhôm, ở

các điều kiện nhiệt độ, áp suất khác nhau được trình bày tương đối đầy đủ ˆ

trong các tài liệu [1-4]

18

Các phương pháp chế tạo bột Al;O,

Bột alumina chủ yếu được sản xuất bằng phương pháp Bayer từ quặng

bôc-xít qua các bước: Sấy, phân huỷ quậng (tách các chất hữu cơ), nghiền mịn

(dén -70 mesh), hoa tach trong NaOH (2-8 gid, 160°C, 400 KPa), loc tap chat

(Fe, Si, Ti) két tủa AI(OH); (bằng cách để nguội và tạo mầm) lọc, rửa, nung

phan huy Al(OH), dé nhan AI,O, va nghién đến cỡ hạt cần thiết Bằng phương

-pháp này có thể chế tạo được bột alumina có độ sạch đến 99,5% và cỡ hạt vài

micron Bột alumina mịn hơn (micron và dưới micrron) và có độ sạch cao hơn

(99,99%) được chế tạo bằng quá trình alum Alum là sản phẩm của phản ứng:

Al,(SO,); + (NH,);SO, + 24 H;O —> 2 NH,AI(SO,);.12H,O

Phần lớn Fe và T¡ được tách ra khi giữ pH dưới 1 trong quá trình phản ứng

Các tạp chất khác được loại bỏ trong quá trình tái kết tính Alum được nấu

chảy (80°C) và phân huỷ Sản phẩm là alumina rất mịn và sạch [4]

Bột gốm alumina thương mại được cung cấp ở dạng đã hoặc chưa tạo

hạt, có hoặc không có chất kết dính và phụ gia, với dải kích thước hạt khác

nhau phù hợp với yêu cầu nghiên cứu và sản xuất gốm

2.2 Anh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến tính chất gốm corund

Ảnh hưởng của cỡ hạt bột alimina

Đối với gốm kết cấu, cỡ hạt tỉnh thể có vai trò quyết định đến: độ bền:

Để gốm có độ bền cao, cỡ hạt tinh thể cần phải nhỏ [2] Trong quá trình thiêu

kết một số hạt nhỏ có thể lớn lên Vì vậy hạt bột ban đầu cần phải nhỏ ở mức

micron: Trong qué trình chế tạo bột alumina, cỡ hạt bột được điều khiển ngay

trong giai đoạn nung phân huy Al(OH); hoặc nghiền Al,O; (nghiền ướt, có các

chất hoạt hoá bề mật)

19

Ảnh hưởng của các phương pháp tạo hình

Đối với gốm alumina, hầu hết các phương pháp tạo hình đều có thể áp

dụng được Tạo hình nguội, bao gồm ép trong khuôn cứng, ép trong khuôn

đàn hồi (ép giả đẳng tĩnh), ép đùn, ép rung, tạo hình đẻo, đúc rót, phun phủ

"phun tĩnh điện, Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm

Nói chung, các phương pháp dùng lực ép cao sẽ thuận lợi cho quá trình kết khối khi thiêu kết, mặt khác, các phương pháp khác giúp tạo được các sản

phẩm có hình dạng phức tạp hoặc tăng năng suất

Phương pháp ép nóng kết hợp hai quá trình tạo hình và thiêu kết cho

phép giảm thời gian kết khối, giảm nhiệt độ thiêu kết, giảm lượng lỗ xốp và nhận được sản phẩm chất lượng cao

Phương pháp đúc nóng chảy dùng để chế tạo sợi, hạt hoặc khối gốm alumina

Ảnh hưởng của các yếu tố trong quá trình thiêu kết

Như đã biết, quá trình thiêu kết gốm alumina liên quan đến sự khuếch

tấn trong toàn khối vật chất: Sự khuếch tán của các ion nhôm và sự chuyển

dich oxy đọc theo biên giới hạt Hai yếu tố quan trọng của quá trình thiêu kết

là tốc độ thiêu kết (co ngót) và sự lớn hạt (grain growth) Theo [13], su co ngót của vật ép alumina bắt đầu từ 1100°C và đạt tới 10,5% ở 1450°C Quá

trình thiêu kết thực chất bắt đầu từ 1400°C và hạt tỉnh thể bất đầu lớn lên ở

1600°C Các nghiên cứu cũng khẳng định, cỡ hạt bột ban đầu nhỏ làm giảm

nhiệt độ thiêu kết, làm tăng tốc độ và mức độ co ngói

Trong trường hợp thiêu kết có pha lỏng thì động lực chủ yếu của quá

trình là sức căng bề mặt của pha lỏng Khi đó, quá trình kết khối gồm ba giai

đoạn: Sắp xếp lại các hạt rắn, hoà tan - kết tủa (kết tính) và sự kết hợp của các hạt rắn

Môi trường thiêu kết có thể ảnh hưởng đến tốc độ thiêu kết và sự phân

bố lỗ xốp Các nghiên cứu cho thấy tốc độ thiêu kết của Al;O- ở 1600°C trong

20

- H; và Ar cao hơn trong không khí, còn tốc độ lớn hạt ở 1600-1960°C tăng

theo thứ tự giảm dần khi thiêu kết trong H;, CO, Ar và không khí [14] Lỗ xốp của gốm alumina giảm nhiều khi thiêu kết trong chân không và khí He [ 15]

Ảnh hưởng của các phụ gia trong thành phần gốm đến quá trình thiêu

kết sẽ được trình bày ở mục tiếp theo

2.3 Ảnh hưởng của một số phụ gia đến tính chất gốm corund

Phụ gia thiêu kết, khác với chất kết dính, dùng trong gốm alumina với

các mục đích khác nhau: Tăng hoặc giảm kích thước hạt tỉnh thể, tăng tốc độ thiêu kết hoặc tốc độ co ngót, giảm.nhiệt độ thiêu kết, thay đổi sự phân bố lỗ xốp thay đổi tinh chất vật lý và hoá học, loại bỏ tạp chất

Nói chung có thể chia tác động của các chất phụ gia thành bốn loại sau

đây: L/ thúc đẩy quá trình kết khối và kìm hãm sự lớn hạt (ví dụ tiêu biểu là

MgO), 2/ thúc đầy quá trình kết khối và thúc đầy sự lớn hạt (ví dụ tiêu biểu là

TiO.), 3/ kìm hãm quá trình kết khối và kìm hãm sự lớn hạt (ví dụ tiêu biểu là

Ni,O,) va 4/ kim ham qua trình kết khối và thúc đẩy sự lớn hạt (ví dụ tiêu biểu

là SiO,) Cac tài liệu [3,4] cho biết ảnh hưởng cụ thể đến quá trình kết khối và

sự lớn hạt khi thiêu kết gốm alumina của các loại oxít thường dùng làm phụ

gia

Ví dụ của một kết quả nghiên cứu [16] về ảnh hưởng của MgO đến sự

lớn hạt của gốm: Khi thêm 0,25% MgO vào gốm alumina thì tốc độ lớn hạt ở

1650, 1700, 1750 và !§00'C là 2,8; 2,5; 1,4 và 3,0 cm.10Ÿ/giây, còn khi không thêm MzO cũng ở những nhiệt độ đó, thì tốc độ lớn hạt là 10,0; 13,8; 13,4 và 12,5 cm 10/giây

Trong hệ đa cấu tử, œ-Al,O; tương tác với các cấu tử khác, hoặc là tạp chất hoặc là chất phụ gia, tạo thành những hợp chất hoá hoc Tuỳ thuộc vào điểu kiện tương tác (bản chất độ hoạt hoá và hàm lượng các chất phụ gia

nhiệt độ ) mà số lượng, vị trí của các pha mới sẽ được hình thành Giản đồ

21

Hinh 3 Gian d6 ba nguyén MgO-SiO,- Al,O; [1]

ba nguyén MgO-SiO,-ALO, duoc xay dung nam 1952 cé y nghia quan trong

cho khoa học và công nghệ gốm (hình 3) [1, tr 24]

Theo giản đồ ba nguyên MgO -SiO;- Al;O;, một số hợp chất quan trọng

có khả năng hình thành trong quá trình thiêu kết gốm alumina: Cordierite có thành phần 2MgỌ2AI;Ợ5SiO; (13,7% MgO, 34,90% AljO;¿, 51,4% SiO;),

nhiệt độ nóng chảy 1465°C; mullite cé thành phần 3Al;O, 2SiO, (71/22%AIL,O;, 28.8%§S¡O;), nhiệt độ nóng chảy 1810°C, spinel có thành phần

ALO;.MgO (71,5% Al,O:, 28,5%MgO), nhiệt độ nóng chảy 2135°C Kết quả nghiên cứu được lấy làm căn cứ khoa học để xác định chế độ công nghệ trong quá trình chế tạo một số loại gốm aluminạ

22

PHAN 2

THUC NGHIEM VA CAC KET QUA THUC NGHIEM

Báo cáo về phần thực nghiệm và các kết quả thực nghiệm gồm các nội

dung: Chuẩn bị thí nghiệm (nguyên liệu đầu, các thiết bị thực nghiệm và các phương pháp đánh giá chất lượng sản phẩm), các nội dung và kết quả nghiên cứu (chế tạo vật liệu gốm corund từ các đơn oxit, từ bột thương mại và chế tạo

thử bi nghiền và chén nung) Phần thảo luận các kết quả thí nghiệm sẽ được thực hiện ngay trong khi trình bày các kết quả thí nghiệm của từng nội dung

nghiên cứu

1 CHUAN BI THÍ NGHIỆM

Trong phần chuẩn bị thí nghiệm sẽ giới thiệu về các loại nguyên liệu

đầu được sử dụng, chủng loại và đặc tính các thiết bị công nghệ và các phương

pháp, thiết bị kiểm tra, đánh giá chất lượng sản phẩm

1.1 Nguyên liệu

Nguyên liệu đầu cho nghiên cứu chế tạo vật liệu gốm corund bao gồm alumina sạch, alumia có phụ gia và các phụ gia riêng biệt Một số nguyên

liệu có phụ gia với hàm lượng Al,O; dưới 95% cũng được nghiên cứu do tính

ưu việt trong ứng dụng của chúng

° Alumina sạch (không kèm phụ gia)

- = Bột alumina AC-45, Pechiney, Pháp, độ sạch: >98% Al,O:, phân bố

cỡ hạt: trên 50% khối lượng có cỡ hạt dưới 45 nm

- Bột alumina Al;O;-799, Đức, độ sạch: >98% Al,O;, phân bố cỡ hạt: trên 90% khối lượng có cỡ hạt dưới 5 jum

- Bot oxít nhôm, Trung Quốc, d6 sach: 96-98% AI,O,, phân bố cỡ hạt: trên 50% khối lượng có cỡ hạt dưới 100m

23

- Bot alumina Alcoa, CT-3000 SG, M¥, độ sạch: 99,999% AI,O;, phân

bố cỡ hạt: trên 90% khối lượng có cỡ hạt dưới 2 um, khối lượng riêng định mức: 3,90 g/cm'

e Alumina kém phu gia

- Bot alumina Matroxid KMS-96, Đức, thành phần: 96% Al;O¿, 1,3%

CaO, 1,9% SiO,, 0,8% MgO, da tao hạt khoáng 150 kưn, khối lượng riêng định mức: 3,80 g/cnỶ

- Bột alumina Matroxid KMS-92, Đức, thành phần: 92% Al;O: 2,5%

CaO, 3,6% SiO;, 1,5% MgO, đã tạo hạt khoáng 90 im, khối lượng riêng định

mức: 3,70 g/cm’ ˆ

- Bot alumina-zirconia ZTA-85, Danchi Kigenso kagaku CO LTD, thành phần: 83,8% Al;O¿, 15,1% ZrO,, 0,8% Y,03, 0,1% SiO), kich thudée hat

trung bình 0,3 tm, khối lượng riêng định mức: 4,10 g/cm`

® Cac phu gia

- Cac phu gia phdi ligu gom: MgO (PA), SiO, (PA), CaO, CeO, (99,0%

- Viện Công nghệ xa hiếm), caolin, đôlômit

- Các phụ gia trợ ép và trợ thiêu: Kết dính - poly vinyl alcohol (PVA), Đức; bôi trơn - dung dịch 10% poly etylen glycol (PEG), Đức

thống van xả dầu Đồng hồ đo áp lực có độ chính xác đến 0,5 kG/cm” Khuôn

ép mẫu 5-X 5 X 40 mmˆ có độ cứng 60 - 62 HRC, bôi trơn bằng stearat kẽm

Thiết bị tạo hại

Tạo hạt bằng phương pháp thủ công: Tạo ẩm bằng dung dịch 10% PVA hoac PEG hat qua sàng 1 mm, ũ trên 10 giờ trước khi ép

Thiết bị thiêu kết

Lò thiêu kết gốm là lò Nabertherm, công suất 8 KW, nhiệt độ tối đa

1800°C, độ chính xác + 2"°C, có khả năng làm việc theo chương trình lập sẵn

và tự động điều khiển theo chế độ đã định

1.3 Các phương pháp và thiết bị đánh giá chất lượng sản phẩm

Đối với bôt sốm

- Diện tích bề mặt riêng được đánh giá bằng phương pháp hấp thụ nitơ

(phương pháp BET) trên thiết bị SA 3100, (Counter)

- Sự phân bố kích thước hạt được đo trên máy phân tích cỡ hạt bằng

laser, Mastersizer (Malvern Instruments Ltd)

Đối với viên ép

Khối lượng riêng viên ép : Khối lương riêng của viên ép được xác định bằng cách đo kích thước của viên ép (chiều đài, chiều rộng và chiều cao) và

cân khối lượng Giá trị trung bình của các kích thước được xác định sau ít nhất

3 lần đo ở những vị trí khác nhau trên viên ép bằng thước cặp có độ chính xác 0,05 mm Khối lượng riêng viên ép tính theo công thức : Dg, = M/.d.h, trong

đó : 1 - chiéu dai, d- chiều rộng, h- chiều cao của mẫu tính bằng cm M - khối

lượng của viên mẫu tính bằng gam

Đối với viên thiêu kết

- Khối lượng riêng của viên thiêu kết được xác định bằng phương pháp

nhúng trong nước và được tính bằng công thức:

trong dé: M, — khối lượng viên thiêu cân trong không khí, g;

25

`M: — khối lượng viên thiêu kết cân trong nước, ø

- Độ cứng tế vị của gốm được xác định trên mẫu gốm mài bóng, bằng thiết bị đo độ cứng vickers (2wick 3212, Đức), tải trọng L,0 kg, thời gian giữ

tải trọng 1O giảy Chiều đài đường chéo các vết lõm được đo bằng kính hiển „

vi Độ cứng tế vị được tính theo công thức [5]:

Hv Œ) = 1,856 F/d? (2) trong dé, F —tai trong (1,0 kg), ,

d — gid tri trung binh cua độ dài hai đường chéo vết lõm, mm

Để nhận được những số liệu đại diện, cần phải thực hiện năm phép đo

trên mỗi mẫu Trên cơ sở số liệu của từng phép đo có thể tính sai số phép đo của các số liệu nhận được ˆ

- Độ bên kháng nứt được đo bằng kỹ thuật tạo vết lõm trên bề mặt mẫu

mài bóng Thiết bị tạo vết lõm là máy do do cứng vickers Zwick 3212, tai

trọng 10.0 kg thời gian giữ tải trọng l0 giây Chiểu đài của hai đường chéo

vết lõm và bốn vết nứt được đo bằng kính hiển vi Do bén kháng nứt được tính

theo công thức [L]:

K,c=0.16H [a(c/a)”? ]!2, MPa.m!2 (3)

trong đó H - độ cứng tính theo công thức (2) với F = 10 kg,

a - giá trị trung bình của độ dài hai đường chéo vết lõm, mm

c - giá trị trung bình của độ dài bốn vết nứt, mm

Để nhận được những số liệu đại điện, cần phải thực hiện năm phép đo trên mỗi mẫu Trên cơ sở số liệu của từng phép đo có thể tính sai số phép đo

của các số liệu nhận được

- Độ bên uốn được đo trên thanh 5 X 5 X 40 mmỶ, vê tròn cạnh, dùng

kỹ thuật 4 điểm khẩu độ trong là 10 mm, khẩu độ ngoài là 20 mm, tốc độ

dịch chuyển đầu truyền luc 1a 0,5 mm/phút Thiết bị thí nghiệm: Instron 1195 Lid High Wycombe, Anh Độ bền uốn được tính theo công thức [17]:

trong đó P— lực ở thời điểm gãy mẫu, kg,

a — khoảng cách giữa trụ đỡ trong và ngoài (5 mm) mm

26

b — chiều rộng của thanh mẫu, đo ở vị trí gãy, mm

d - chiéu cao của thanh mẫu, đo ở vị trí gãy, mm

Để nhận được những số liệu đại diện cần phải thực hiện một số phép đo

trên các thanh khác nhau của một mẫu gốm Trên cơ sở số liệu của từng phép

đo có thể tính sai số phép đo của các số liệu nhận được

- Cấu trúc tế vị của gốm bao gồm kích thước, hình dạng của hạt tinh

thể: hình dạng và thành phần vùng biên giới hạt Cấu trúc của gốm được xác

định trên ảnh chụp bằng kính hiển vi điện tử quét với độ phóng đại 5000-

10000 lần (SEM, Stereoscopy 360, Leica Cambridge, Anh) Thanh phan hoa

học (định tính) của hạt và của vùng biên giới hạt được xác định ngay trên

SEM (phương pháp quang phổ tán xạ năng lượng - EDS) Kích thước hạt tinh

thể được xác định theo phương pháp của ASTM [6]

Mẫu gốm dùng để nghiên cứu trên SEM cần được mài bóng tấm thực

và phủ cacbon Mặt mẫu được mài nhấn bằng giấy ráp từ thô đến tỉnh và được

đánh bóng bảng bột kim cương mịn, bằng huyền phù silica trên nỉ, đạt độ

bóng soi guong (< Lum)

Mẫu gốm đã mài bóng được tẩm thực bằng cách gia nhiệt trong môi

trường nitơ hoặc không khí Chế độ tầm thực: Nhiệt độ 1350-1430 "C tốc độ

nâng nhiệt 400- 6O0'/giờ, thời gian giữ nhiệt 20-30 phút tuỳ theo lượng oxít

nhôm có trong gốm Nhiệt độ cao hơn, thời gian dài hơn đành cho gốm có

thành phần oxít nhôm cao hơn

Để tăng độ dẫn điện khi nghiên cứu trên SEM, mẫu được phủ cacbon

trong môi trường Ar, điện ấp 0,7 KV, thời gian 1-2 phút (thiết bị Aceing,

Automatic HR Sputter Coater)

Thành phân pha tỉnh thể của gốm được xác định bằng phương pháp

nhiễu xạ tia X (XRD, Riguku, nhiễu xạ Cu-Kœ, Tokyo, Nhật), khi so sánh các

pick đặc trưng của biểu đồ nhiễu xạ với các dữ liệu tiêu chuẩn của Trung tam

quốc tế các dữ liệu nhiễu xạ (ICDD)

27

2 CÁC NỘI DUNG VÀ KẾT QUÁ NGHIÊN CỨU

_ Trong phần mày, các nội dung nghiên cứu chế tạo vật liệu gốm corund

sẽ được lần lượt trình bày thông qua các nghiên cứu chế tạo mẫu gốm bằng

cách phối liệu các đơn oxít và bằng cách dùng trực tiếp các bột alumina

thương mại Những đánh giá về ảnh hưởng của chế độ ép, thiêu kết và các phụ

gia đến tính chất của vật liệu sẽ được trình bày dựa trên các kết quả nghiên

cứu nêu trên Sản phẩm bị nghiền và chén nung được chế tạo dựa trên cơ sở

kết quả của những nghiên cứu chế tạo vật liệu

2.1 Chế tạo và nghiên cứu mâu gốm từ phối liệu các đơn oxít

Trên cơ sở ảnh hưởng của một số phụ gia đến tính kết khối của gốm

một số phụ gia tiêu biểu đã được dùng để tạo mẫu gốm alumina: MgO (thúc

đẩy quá trình kết khối và kìm hãm sự lớn hạt), SiO; (kìm hãm quá trình kết

khối và thúc đẩy sự lớn hạt) và CaO (ít ảnh hưởng đến hai quá trình trên)

Các alumina được dùng làm nền là AC-45, Pechiney và Alcoa CT-3000

SG Trong ký hiệu các mẫu gốm, 'P' chỉ AC-45, Pechiney và 'A' chỉ Alcoa CT-

3000 SG; các số tiếp theo là thứ tự các mẫu gốm có thành phần như ghi trong

bang 1 -

Các phối liệu dùng để chế tạo các mẫu gốm được trộn trên máy nghiền

bi trong khoảng thời gian 24 giờ và tạo ẩm bằng dung dịch PVA 10% (2-3%

khối lượng phối liệu) Hạt được tao ra tir hon hop bot dm, qua ray | mm Cac

mẫu được chế tạo ở dạng thanh 5 X 5 X 40 mm” bằng phương pháp ép thuỷ

lực trong khuôn thép với lực ép 1,2 tấn/cm” Các-thanh ép được sấy ở 80°C

trong khoảng thời gian 12 giờ, mài sơ bộ và đo khối lượng riêng (Dạ,) Sau đó,

mẫu được thiêu kết với tốc độ nâng nhiệt I00?/giờ, ở 1600°C, thời gian giữ

nhiệt 1 giờ Khối lượng riêng viên thiêu (Ds„) được xác định bằng phương

pháp nhúng, độ bền uốn được đo bằng phương pháp 4 điểm Các tính chất

khác của loạt mẫu này không được xác định Kết quả đo khối lượng riêng của

các mẫu và độ bền uốn của một số mẫu được trinh bay trong bang 1

28

Bảng ¡ Thành phần phối liệu và các tính chất của các mẫu gốm un pi ;

ché tao tir don oxit

mẫu lượng | lượng | lượng | lượng | lượng | riêng của gốm | bền '

Các số liệu về tính chất cơ lý của các mẫu cho thấy:

- Với cùng một điều kiện chế tạo, bột có kích thước hạt nhỏ hơn sẽ kết khối tốt hơn: Bột alumina Alcoa CT-3000 SG, MY, voi trén 90% khdi luong cd

cỡ hạt dưới 2 Hm thiêu kết tốt hơn bột AC-45, Pechiney, Pháp, với trên 50%

khối lượng có cỡ hạt dưới 45 um (94,5% so với 93,6% TD)

- - Có thể nhận thấy tác dụng thúc đẩy khả năng kết khối của MgO và

kim ham kha năng kết khối của SiO; khi so sánh khối lượng riéng (kha nang

29-