CONG NGHE VAT LIEU GOM SU 2

vật liệu gốm sứ được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống hằng ngày, với nhu cầu thì trường, yêu câu cao của người tiêu dung đòi hỏi nhà sản xuất phải chế tao vật liệu nhiều ưu việt để cạnh tranh với các nhà cung cấp trong và ngoài nước

Biên soạn: Huỳnh Ngọc Minh

1

CHÖÔNG 5:

Sản phẩm mộc sau khi tạo hình có độ ẩm tương đối cao,

phải sấy để loại nước

- Nước liên kết hóa học, không thể tách được khi sấy

- Nước liên kết lý học

- Nước tự do

Mục đích sấy là loại nước liên kết lý học sao cho nhanh

nhất, làm độ bền cơ sản phẩm mộc tăng mà không bị biến dạng hoặc nứt vỡ

02/07/24 S YẤY 4

QUÁ TRÌNH SẤY

Gồm hai quá trình:

Quá trình khuyếch tán: nước ở bề mặt dễ

bốc hơi, bề mặt khô trước, trong lòng vẫn còn

ẩm, nên gây chênh lệch độ ẩm

Quá trình dẫn ẩm: ở tâm có độ ẩm cao hơn ở

bề mặt, nên nước ở tâm sẽ dịch chuyển đến

dòng khuyếch tán

02/07/24 S YẤY 5

QUÁ TRÌNH SẤY

 Trong quá trình sấy, sự thay đổi: nhiệt độ sản phẩm,

độ ẩm sản phẩm và tốc độ sấy theo thời gian như sau:

Th i gian ời gian

Wcb

A

I

I: gia nhiệt

II: tốc độ sấy không đổi

III: tốc độ sấy giảm

Lò sấy

Lị sấy

CHÖÔNG 6:

Cấu trúc lớp phủ này thường là pha thủy tinh có thể chứa tinh

thể hoặc là pha khí

VAI TRÒ VÀ TÁC DỤNG CỦA MEN

1.Nhờ có lớp phủ thủy tinh, sản phẩm có độ bền cơ cao hơn (do thủy tinh lấp đầy, ngăn sự phát triển của vết nứt từ bềø mặt vật liệu)

2.Bảo vệ khỏi sự xâm nhập của chất khí và chất lỏng,

3.Làm bề mặt nhẵn bóng tăng độ bền hóa, độ bền điện, độ bền nhiệt

4.Các lớp màu trang trí sản phẩm sẽ mang tính thẩm mỹ cao

Men cho các sản phẩm gốm sứ

nung non (Công nghệ nung một lần hoặc hai lần)

xối, dội) hoặc phun men

Huyền phù men thường có các cấu tử của xương gốm sứ

nhưng mịn hơn và chứa nhiều thành phần dễ chảy hơn Sau khi đưa men lên bề mặt, nung tới nhiệt độ xác định sẽ chảy tạo thành một lớp thủy tinh mỏng chảy láng trên bề mặt sản phẩm

• Yêu cầu chung của men:

Men phải bám dính vào xương tốt

nung sản phẩm để khi nung xương không bị biến dạng

Men phủ khắp bề mặt của xương và tạo bề mặt nhẵn

Men cho các sản phẩm gốm sứ

13 1 Phân loại men theo cấu trúc pha :

 Men có cấu trúc một pha thủy tinh

 Lớp men thủy tinh có cấu trúc lớp (thiên tích)

 Men có pha tinh thể kết tinh từ pha thủy tinh

 Men mờ do các vi tinh thể

 Men có cấu trúc tinh thể (xitan).

2 Phân loại men theo cách chế tạo :

 Men sống hoặc men nguyên liệu

 Men chín hoặc men frit

 Men tự tạo

3 Phân loại men theo cảm quan:

 Men trong

 Men đục

PHÂN LOẠI

Men co

Men k t tinh ết tinh

LỚP TRUNG GIAN GIỮA MEN VÀ XƯƠNG

18

Do thành phần men và mộc rất khác nhau, nên sự hình thành lớp trung gian đảm bảo cho độ bền liên kết giữa men và

xương

Các liên kết giữa men-xương:

- Liên kết cơ học (ma sát): men nóng chảy tràn lấp đầy các lỗ

xốp của mộc tạo trên bề mặt tiếp xúc liên kết thuần túy cơ

học, không bền Sự tương đương hệ số dãn nở nhiệt giữa men và xương chủ yếu có tác dụng tăng độ bền cho loại liên kết này

- Liên kết hóa học giữa men và mộc: xảy ra tương tác giữa

men và mộc trong quá trình kết khối thành xương (khuếch tán hai chiều, hòa tan lẫn nhau) tạo những hợp chất mới có thành

phần và tính chất trung gian nằm giữa men và mộc cũng như cả sự hình thành các vật chất tinh thể mới và các bọt khí

LỚP TRUNG GIAN GIỮA MEN VÀ XƯƠNG

21

Với các sản phẩm ốp lát, theo công nghệ nung nhanh một lần:

đường ranh giới giữa xương-men thể hiện rõ nét, không thấy

những dấu hiệu của phản ứng

Do lớp trung gian khó hình thành, vì vậy thường phải dùng lớp

men lót (engob) tạo lớp thành phần biến đổi trung gian nhằm

tăng độ bền liên kết cho xương và men

Các tính chất của men

26 Sự dãn nở nhiệt

Yêu cầu cơ bản: sự chênh lệch hệ số dãn nở nhiệt giữa xương và men không lớn

HDN của men nhỏ hơn HDN của xương 10 đến 20% nghĩa là men phải chịu tác động của ứng suất nén (Vì men có cấu trúc thủy tinh nên chịu nén tốt hơn chịu kéo)

HDNmen > HDNxương HDNmen < HDNxương

Theo thực nghiệm HDN của men :

tăng theo dãy sau : Al2O3 < K2O < Na2O < Li2O ;

và giảm theo dãy sau : CaO > ZnO > MgO > SnO2 >B2O3 > SiO2

MÀU

32

Do mỗi vật chất có cấu tạo hóa học riêng nên có khả năng hấp thụ chọn lọc những phần nhất định của ánh sáng và phản xạ lại những phần nhất định

Chúng ta cảm thụ được màu của những vật này nhờ tác dụng của các tia phản xạ vào cơ quan thị giác của mắt

Như vậy màu của một vật là do tia phản xạ tạo nên

MÀU

33

Để trang trí màu cho men, cần chế tạo các chất màu và sau đó là kỹ thuật đưa màu lên men Màu sắc có được tùy thuộc vào thành phần và cấu trúc chất tạo màu và men.

Xét theo vị trí tương đối giữa men và màu trang trí, có thể phân thành:

1.Màu trên men (lớp trang trí trên bề mặt men, trong nhiều trương hợp màu hơi chìm vào trong men).

2.Màu dưới men (lớp màu trang trí nằm giữa xương và men).

3.Men thủy tinh màu (Lớp men trang trí là thủy tinh màu).

Phân loại các chất tạo màu ceramic:

- Chất tạo màu dạng ion

- Chất tạo màu dạng keo

- Chất tạo màu có cấu trúc tinh thể

Chất tạo màu có cấu trúc tinh thể

 Để tạo nên những màu sắc trang trí đẹp, bền hóa, bền cơ và công nghệ đơn

giản người ta tạo những chất màu gốm tinh thể (pigment).

Các tính chất của màu phụ thuộc vào cấu trúc ô mạng tinh thể mang màu, nếu tinh thể mang màu là những tinh thể bền thì màu cũng sẽ bền.

 Các chất gây màu thường là các nguyên tố nhóm kim loại chuyển tiếp có vỏ điện tử bất thường, dễ gây sai sót trong ô mạng tinh thể, tạo nên những tâm hấp thụ màu.

 Một số tinh thể thường làm chất mang màu như sau:

 - Spinel loại một (MgO.Al 2 O 3 )

 - Spinel loại hai (2ZnO.TiO 2 )

 - Zircon (ZrO 2 SiO 2 )

CÁC PHƯƠNG PHÁP TRÁNG MEN

02/07/24 MEN 36

GIA CÔNG MEN

MEN SỐNG

Các nguyên liệu men được cho vào máy nghiền bi ướt, cho đến khi đạt <

0,5% sót sàng 10.000 lổ/cm 2

Bể chứa men được khấy liên tục, tránh men bị lắng.

Điều chỉnh huyền phù men có độ ẩm,

độ nhớt thích hợp khi tráng men

Nguyên liệu men Nghiền bi ướt

Sàng khử từ

Bể khuấy

Tráng men

02/07/24 MEN 37

GIA CÔNG MEN

MEN FRIT

Với các men dễ

chảy, trong nguyên

liệu men thường có

thành phần:

Tan trong nứơc.

Có tính độc.

Men phải được nấu

chảy trước với các

02/07/24 MEN 38

TRÁNG MEN

Đưa huyền phù men bám lên bề mặt vật liệu

gọi là tráng men Do tính hút nước của xương, một lớp bột men sẽ bám lên bề mặt xương.

Trước khi tráng men:

Khi tráng men:

men Đây là yếu tố ảnh hưởng đến chiều dầy lớp men tráng bám lên bề mặt sản phẩm.

02/07/24 MEN 40

TRÁNG MEN

xối men

02/07/24 MEN 41

TRÁNG MEN

nhúng men

TRÁNG MEN

nhúng men

02/07/24 MEN 43

TRÁNG MEN

phun men

02/07/24 MEN 44

TRÁNG MEN

chấm men

CHÖÔNG 7:

NUNG

CƠ SỞ HÓA LÝ QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘ CAO

Kết khối (sintering) ?

là quá trình các hạt vật liệu rời tự liên kết với nhau thành khối rắn chắc

 Các dấu hiệu đánh giá kết khối là sự co rút, giảm thể

tích, thay đổi độ hút nước, tăng trọng lượng riêng và tăng độ bền cơ của vật liệu sau khi gia nhiệt

Có 2 cơ chế kết khối:

Kết khối thuần túy (không có mặt pha lỏng và cũng hoàn toàn không có biến đổi hóa học) là quá trình kết khối

của các sản phẩm gốm từ oxit tinh khiết như: Al 2 O 3 kết khối, ZrO 2 kết khối, MgO kết khối

Kết khối có mặt pha lỏng và những biến đổi hóa lý phức tạp: quá trình kết khối các sản phẩm sứ (porcelain)

SEM của Al2O3 kết khối

Còn các lỗ xốp

Nhiều hạt m t ranh gi i phân chia pha tạo thành hạt ất ranh giới phân chia pha tạo thành hạt ới phân chia pha tạo thành hạt lớn

Các lỗ rỗng là các điểm lan truyền vết nứt

Quá trình kết khối có mặt pha lỏng

Biến đổi pha khi nung đất sét100

 200 o C: giai đoạn sấy Các dạng nước liên kết lý học tách khỏi phối liệu Sản phẩm co ngót mạnh.

200  400 o C: cháy hết các chất hữu cơ có thể lẫn trong đất sét (0,04  14%).).Than lẫn trong gạch cháy.

573 o C: biến đổi thù hình -quắc thành quắc thành -quắc thành quắc

500-600 0 C: Mất nước các khoáng sét

Al2O3.2SiO2.2H2O → Al2O3.2SiO2 + 2H2O (Caolinhit) (Mêtacaolinhit)

700  900 o C: phân hủy cacbonat canxi (CaCO3) và dolomit (MgCa)CO3 Pha khí CO2 bay hơi, pha rắn còn lại rất hoạt hóa, có khả năng phản ứng với các khoáng của đất sét

Gạch kết khối nhờ pha lỏng xuất hiện (850  900 o C) nếu nguyên liệu chứa nhiều tạp chất dễ chảy, nhất là FeO, Fe2O3 và tràng thạch.

900  1050 o C: Hình thành mulit nguyên sinh

3(Al2O3.2SiO2) → 3Al2O3.2SiO2 + SiO2

Thành phần khoáng của gạch gồm các khoáng chính trong hệ SiO2-quắc thành Al2O3 một số khoáng hệ CaO-quắc thành Al2O3-quắc thành SiO2

sứ với chế độ thích hợp, từ nhiệt độ thường cho tới nhiệt độ cao nhất (nhiệt độ nung) và sau đó làm nguội trong môi trường nung cần thiết

 Nhờ nung, vật liệu kết khối rắn chắc, không bị biến dạng và có những tính chất cần thiết khác phù hợp yêu cầu sử dụng.

 Thành phần pha trước và sau khi nung có thể thay đổi một phần hoặc thay đổi hoàn toàn (ở trạng thái rắn hoặc có pha lỏng); hoặc cũng có thể không thay đổi (quá trình kết khối thuần túy).

53

Chế độ nung

bao gồm các khái niệm: nhiệt độ nung, tốc độ nung, thời gian nung và môi trường nung.

Một chế độ nung bao gồm các quá trình:

1 - Nâng nhiệt độ với tốc độ cần thiết

2 - Thời gian lưu đủ lớn ở nhiệt độ cao

3 - Quá trình giảm nhiệt độ với tốc độ cần thiết

môi trường nung phù hợp theo yêu cầu của từng loại sản phẩm trong mỗi giai đoạn.

54

Chế độ nung

Nhiệt độ nung là nhiệt độ cao nhất cần thiết cho quá trình phản ứng và kết khối đạt mức cần thiết mà sản phẩm

không bị biến dạng ngoài mong muốn

Nhiệt độ nung các sản phẩm gốm thường trong khoảng:

950  1150oC: gốm thô như gạch, ngói xây dựng, một số loại gốm vệ sinh, gạch ốp lát

1200  1250oC: bán sứ, sứ dân dụng

1280  1350oC: sứ mềm, sammot

1400  1450oC: sứ cứng, sứ điện, sứ kỹ thuật cao cấp

1500  17000C: gốm từ oxit tinh khiết như corund, zircon, VLCL cao cấp nhiệt độ tương đối cao, yêu cầu lò có kết cấu riêng

55

Chế độ nung

Nâng nhiệt độ: Ứng suất nhiệt do tăng nhiệt độ cần không vượt quá giới hạn bền của mộc

(ứng suất nhiệt  = E.T Trong đó  là hệ số dãn nở nhiệt,

E là môđun đàn hồi và T là chênh lệch nhiệt độ).

Trong giai đoạn này đồng thời cũng xảy ra các quá trình hóa lý như khử nước hóa học, phân hủy muối cácbonat, biến đổi thù hình, có thể xuất hiện pha lỏng làm biến đổi thể tích riêng, gây ứng suất cơ, hạn chế tốc độ tăng nhiệt độ

Thời gian lưu ở nhiệt độ cao: quá trình phản ứng và kết khối chủ yếu diễn ra ở nhiệt độ cao Thời gian lưu do động học phản ứng quyết định và điều kiện kết cấu lò

Giảm nhiệt độ: tốc độ làm lạnh cũng bị giới hạn bởi sự tạo ứng suất nhiệt nhưng lúc này sản phẩm đã kết khối, có độ bền cơ cao nên không dễ bị phá hủy như ở giai đoạn trước

56

Chế độ nung

Thời gian nung (hoặc chu kỳ nung): là toàn bộ thời gian cần thiết của một chu trình nung, kể từ lúc bắt đầu nâng nhiệt độ cho tới khi lấy được thành phẩm Thời gian nung rất khác nhau, từ một vài giờ tới hàng chục giờ, thậm chí nhiều ngày

Tùy thuộc thời gian biến đổi hóa lý cần thiết trong phối liệu, độ bền cơ của vật nung, độ bền của lò nung, kết cấu lò ), không thể nung quá nhanh được

 Môi trường nung: tùy yêu cầu kỹ thuật cụ thể, môi trường khí trong lò cần duy trì ở chế độ oxy hóa (dư không khí), môi

trường khử (thiếu không khí) hoặc trung tính (cháy vừa hết) Ngoài ra, còn có thể có những yêu cầu đặc biệt khác như nung trong môi trường khí nitơ, nung chân không, hoặc khí trơ

57

Cách xác định chế độ nung

59 Nhiệt độ nung có thể xác định bằng DTA, KHVi nhiệt… và

luôn phải kết hợp với thực nghiệm.

Chỉ số dùng để đánh giá chất lượng nung (xác định mức kết

khối) tùy thuộc vào mục đích sử dụng sản phẩm sau khi

nung, thường là độ co, độ xốp, độ hút nước và đôi khi là độ

bền cơ hoặc cũng có thể dùng các chỉ số khác Mỗi chỉ số dùng

đánh giá chất lượng nung có ưu nhược điểm riêng

đ o ä t ơ ùi s ư ï k e át k h o ái c u ûa s ư ù

Ngoài ra còn phải giải quyết vấn

đề thời gian lưu ở nhiệt độ cao là

bao lâu để sản phẩm có độ kết

khối cần thiết và men vừa đủ độ

láng đều, bóng đẹp trên bề mặt

sản phẩm, mà không vượt quá

nhiệt độ cho phép

 Phối liệu nghiền mịn có khả năng giảm nhiệt nung, do

đó tiết kiệm nhiên liệu.

 Mật độ hạt:

 Độ sít đặt của hạt càng cao, kết khối càng tốt.

 Sản phẩm tạo hình bằng phương phép ép có mật độ

cao nhất, có kết khối tốt.

02/07/24 LỊ NUNG G M SỐM SỨ Ứ 62

NUNG

các yếu tố ảnh hưởng

 Thành phần khống, hĩa: là yếu tố chủ yếu quyết định

 Năng suất cao

 Tận dụng chiều cao lị tối đa.

02/07/24 LỊ NUNG G M SỐM SỨ Ứ 64

LÒ LIÊN TỤC

(Nguyên tắc làm việc)

LÒ NUNG

68 Các lò gián đoạn là không thể thay thế trong công nghệ gốm

sứ, do những đặc điểm sau:

- Chúng cho phép nung các sản phẩm đơn chiếc với những kích cỡ rất khác nhau, phù hợp với mọi trình độ công nghệ

- Quan trọng hơn, theo đặc trưng sản phẩm Các sản phẩm gốm hoặc do mộc thô không bền sau khi sấy hoặc do có pha lỏng khi nung ở nhiệt độ cao, không cho phép dịch chuyển vật nung trong quá trình nung

Các lò hiện đại có lớp cách nhiệt dạng bông và sợi rất hoàn hảo Chất cách nhiệt dạng bông có hệ số dẫn nhiệt rất thấp so với các vật liệu khác, lò có kết cấu rất kín và rất bền nhiệt

cho phép tiết kiệm nhiên liệu và rút ngắn thời gian nung

Nhược điểm của lò tunel là phân bố nhiệt độ theo thiết diện ngang lò không đều, khi di chuyển không đều sản phẩm sứ dễ biến dạng

Trong những lò tunel “con lăn” (roller) hiện đại, chiều cao của lò giảm đáng kể, tạo sự phân bố nhiệt độ đồng đều hơn rất nhiều

CHƯƠNG 9:

MỘT SỐ SẢN PHẨM GỐM SỨ CỤ

THỂ

Đường cong nung gạch xây dựng

0 200 400 600 800 1000

chiều dài lò

Đóng gói

Tạo hình Khuấy - Ủ

Sửa Nung lại

Để đông cứng Khuôn cái Hoàn chỉnh khuôn mẫu Sản xuất thử

Sấy 45 – 50 0

C Tháo khuôn

Khuôn tạo hình

Cân Nước - thạch cao

Đường cong nung sứ vệ sinh

Quy trình sản xuất gạch ốp

lát

ĐƯỜNG CONG NUNG GẠCH ỐP LÁT

Glass ceramics crowns and bridges Acrylic teeth Porcelain teeth

•Various types of artificial

bones , bone auxiliary material (HIP implant) and teeth have been developed and put into

practical use

• Apatite hydroxide,

alumina and zirconia,

these products take the advantage of the new ceramic's strength and capability with the human

body

Porcelain and metals

crowns and bridges

HIP JOINT

BIOCERAMICS

Ceramics in Distributed Energy

Applications

Dave Stinton

Oak Ridge National Laboratory

Bill Ellingson Argonne

National Laboratory

82

Si3N4 bearings are used in DE applications

Sử dụng ceramic trong các động cơ kiểu

pittông có khả năng cải thiện các tính chất và giảm giá thành

• Thành phần Zirconia được

sử dụng làm xi lanh nhiên liệu của động cơ Cummins

• Si 3 N 4 cam roller followers are used in Detroit Diesel Corporation (DDC) engines

• Si 3 N 4 valves are being developed for reciprocating

84

Xi lanh nhiên liệu chiu áp suất cao bằng

Zirconia ceramics trong động cơ diesel làm giảm tổn thất và tăng độ tin cậy

•Excellent wear and

TiAl Valves

Original Steel Valves

Exhaust

86

Si3N4 components are being developed to

increase turbine inlet temperatures and to increase efficiency to near 40%

87