Bài giảng Vật liệu gốm sứ - Chương 1: Mở đầu - Huỳnh Ngọc Minh

thuaät...  Theo truyeàn thoáng hình thaønh: ñaát nung, saønh, söù, baùn söù, fajans, malorca...  Theo thaønh phaàn khoaùng chính trong saûn phaåm: goám mulit, goám corund... 4PHÂN LOẠI VẬT LIỆU GỐM SỨ 5CÁC NHÓM SẢN PHẨM GỐM SỨ  Vật liệu từ các hợp chất silicat  Vật liệu từ oxyt tinh khiết  Đơn tinh thể  Các loại nitrid, carbid, borid và silicid  Gốm thủy tinh  Vật liệu điện kỹ thuật (sứ cách điện, bán dẫn, sợi quang dẫn  Lớp phủ gốm tạo thành trong môi trường plasma PHÂN LOẠI CERAMIC THEO CHỨC NĂNG Ñoà noäi thaát PHÂN LOẠI CERAMIC THEO CHỨC NĂNG (TT) 10 VẬT LIỆU SILICAT SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ  Sơ đồ công nghệ cho gốm sứ, và vật liệu chịu lửa bao gồm các công đoạn chính:  Trong sản xuất sứ, còn thêm công đoạn tráng men và trang trí.  Tuøy thuoäc vaøo chuûng loaïi saûn phaåm, coù theå coù coâng ngheä nung saûn phaåm moät laàn hoaëc hai laàn. Neáu keå tôùi nung maøu trang trí treân men, saûn phaåm coù theå phaûi qua löûa laàn thöù ba hoaëc nhieàu hôn. Nung Nguyên liệu Sấy Tạo hình Nghiền, trộn phối liệu 14/12/2021 VẬT LIỆU SILICAT SÔ ÑOÀ QT SAÛN XUAÁT MOÄT SOÁ SAÛN PHAÅM GOÁM THEO CAÙC PP TAÏO HÌNH KHAÙC NHAU Nguyeân lieäu Nghieàn troän Saáy phun Kho boät khoâ EÙp taïo hình Saáy Traùng men Nung Kho phaân loaïi Saûn phaåm H O 2 P h e á p h a åm v a ø ñ a át th a ûi a) Beå huyeàn phuø Bôm Taïo hình H O 2 Loïc eùp Ñaát deûo P h e á p h a åm Ñ a át th a ûi Saáy Traùng men Nung Kho phaân loaïi Saûn phaåm Nguyeân lieäu Maùy nghieàn troän b) UÛ Beå huyeàn phuø Roùt vaøo khuoân Traùng men H O 2 Moäc Saáy Nung Phaân loaïi Saûn phaåm Nguyeân lieäu Maùy nghieàn troän c) (hoà roùt) PP EÙP BAÙN KHOÂ PP EÙP DEÛO PP ÑOÅ ROÙT SƠ ĐỒ QT SẢN XUẤT MỘT SỐ SẢN PHẨM GỐM TỪ CÁC OXIT TINH KHIẾT, CARBID, SILICID  Nguyên liệu sử dụng là các hóa chất tinh khiết, không có nhóm đất sét, cao lanh để tạo dẻo nên phải sử dụng các chất tạo dẻo hữu cơ. Taïo boät oxit carbid, silicid,borid, nitrid Taïo hình Nung keát khoái Saûn phaåm Chaát taïo deûo CHÖÔNG 2: NGUYEÂN LIEÄU NGUYEÂN LIEÄU OÅn ñònh thaønh phaàn vaø tính chaát nguyeân lieäu luoân laø yeâu caàu haøng ñaàu trong saûn xuaát coâng nghieäp. Nguyeân lieäu töï nhieân: söû duïng haàu heát trong caùc vaät lieäu ceramic truyeàn thoáng. Nguyeân lieäu kyõ thuaät: phaàn lôùn ôû daïng oxit kyõ thuaät hoaëc caùc chaát khi phaân huûy vì nhieät taïo caùc oxit. PHAÂN LOAÏI NGUYEÂN LIEÄU THEO ÑAËC TÍNH COÂNG NGHEÄ TAÏO HÌNH 15 Trong coâng ngheä vaät lieäu noùi chung, coâng ngheä goám noùi rieâng, ngoaøi caùc tính chaát phuï thuoäc baûn chaát hoùa hoïc vaø caáu truùc (thaønh phaàn hoùa, thaønh phaàn khoaùng), caùc nguyeân lieäu coøn ñöôïc phaân loaïi theo vai troø cuûa noù trong quaù trình taïo hình. 1. Nhoùm nguyeân lieäu deûo 2. Nhoùm nguyeân lieäu gầy (khoâng deûo) 3. Chaát chaûy PHAÂN LOAÏI NGUYEÂN LIEÄU THEO ÑAËC TÍNH COÂNG NGHEÄ TAÏO HÌNH 16 1- Nhoùm nguyeân lieäu deûo (hoaëc chaát lieân keát): ñieån hình laø nhoùm ñaát seùt, maø tính deûo coù ñöôïc nhôø nhöõng khoaùng coù khaû naêng taïo deûo. 2- Nhoùm nguyeân lieäu gaày (khoâng deûo): ñöôïc ñöa vaøo nhaèm taêng ñoä beàn cô cuûa moäc thoâ, giaûm ñoä co khi saáy vaø nung. Ñieån hình laø caùt quaéc, corund, ñaát seùt nung keát khoái (sa mốt), maûnh goám cuøng loaïi... 3- Chaát chaûy: thuoäc veà nhoùm nguyeân lieäu gaày, tuy nhieân vai troø chính cuûa nhoùm vaät lieäu naøy laø taïo pha loûng khi nung, giuùp taêng nhanh quaù trình phaûn öùng vaø keát khoái. Ñieån hình cho nhoùm naøy laø caùc loaïi traøng thaïch kieàm vaø kieàm thoå, sau ñoù laø nhoùm nguyeân lieäu cung caáp: PbO, B 2 O 3 ... vaø caùc oxit kieàm: R 2 O (R: Na + , K + , Li + ) 17 CLAY PRODUCTS -earthenware e.g. plant pot (dirty red brown, very cheap, opaque) -stoneware e.g. coffee mug, plate, bowl (cheap, heavy, opaque) earthenware stoneware porcelain bone china -porcelain e.g. table wares plate, souvenirs (clean, light, translucency) -bone china e.g. table wares, souvenirs (very clean, very expensive, very good translucency, light, mostly ivory colour) 18 Clay (50%) Plasticity formability Feldspar (Flux) (30%) Reduction for vitrification temperature Sand (20%) Increasing strength Must be clean and pure enough for products Additives may be added for improving particular properties RAW MATERIALS for Clay Products CÁC KHOÁNG SÉT VÀ MỘT SỐ TÍNH CHẤT  Đất sét: tên chung chỉ nguyên liệu  -gồm các khoáng Alumo-silicat ngậm nước có cấu trúc lớp với độ phân tán cao,  -khi trộn nước có tính dẻo, (??? Giải thích)  -khi nung kết khối rắn chắc.  Trong đất sét rất nhiều khoáng, gọi chung là các khoáng sét, cung cấp đồng thời SiO2 và Al2O3  Có thể phân loại, gọi tên đất theo khoáng chính có trong thành phần. Giaûi thích tính deûo cuûa ñaát seùt 1- Theo quan ñieåm caáu truùc khoaùng  Ñaát seùt coù tính deûo khi trong thaønh phaàn chöùa nhöõng khoaùng coù tính deûo. Ví duï, khoaùng montmorillonit vaø halloysit coù lôùp nöôùc naèm giöõa caùc lôùp caáu truùc, do ñoù laøm giaûm löïc lieân keát giöõa caùc lôùp caáu truùc. Caùc lôùp caáu truùc coù theå tröôït ñi moät khoaûng nhaát ñònh maø caáu truùc cô baûn khoâng bò phaù vôõ, nhôø vaäy, montmorillonit vaø halloysit coù tính deûo, tính tröông nôû. 2- Theo quan ñieåm kích thöôùc haït  Haït ñaát seùt coù kích thöôùc raát nhoû (ñoä phaân taùn cao), coù theå coù 20  50% khoái löôïng haït beù hôn 1m, ñoù laø kích thöôùc heä keo. Do töông taùc ñaëc bieät trong lieân keát cuûa heä keo ñaát seùt-nöôùc, trong ñoù nöôùc coù khaû naêng taïo lôùp voû moûng khaù beàn quanh haït keo ñaát seùt. Söï tröôït leân nhau giöõa lôùp voû nöôùc naøy taïo cho ñaát seùt tính deûo. Caáu truùc caùc khoaùng seùt  Khoaùng seùt: [SiO 4 ] 4- lieân keát qua caùc -oxy caàu: taïo maïng löôùi phaúng voâ haïn moät hoaëc nhieàu taàng. -oxy khoâng cầu lieân keát vôùi nhoùm Al-OH, trong ñoù ion Al 3+ naèm trong hình phoái trí cuûa nhoùm OH - vaø oxy khoâng taïo caàu (Al 3+ thöôøng coù soá phoái trí VI).  Lôùp caáu truùc qua Al3+ khoâng beàn baèng lieân keát caùc nhoùm cô sôû [SiO 4 ]4-. Cấu trúc một số khoáng sét H O 2 H O 2O O 7,2 10,1 10,0 O 15 Caolinhít Halloysite Muscovite Montmorillonite Lôùp [SiO ] roài tôùi AlO(OH) Lôùp nöôùc trong hallosite 4 4- ÔÛ vò trí cuûa Si coù söï thay theá ñoàng hình cuûa Al 4+ 3+ ÔÛ vò trí cuûa Si coù söï thay theá Al , ngoaøi ra coøn coù caùc Mg trung hoøa ñieän 4+ 3+ 2+ Thaønh phaàn hoùa vaø khoaùng 1 soá loaïi ñaát seùt. Ñaát seùt Thaønh phaàn Khoaùng caolinte Cao lanh Ñaát seùt chòu löûa Ñaát seùt thöôøng Ñaát seùt laøm saønh Ñaát seùt laøm gaïch SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 CaO MgO Na2O + K2O MKN Khoaùng seùt Traøng thaïch Quaéc 46,6 39,5 – – – – – 13,9 100 – – 44  52 34  39 0,3 1,0 0,1 1,0 0,2 1,2 0,1  0,7 0,1  0,5 11  13,5 90  99 0,5  4,0 0,5  6,0 44  56 31  38 0,6  3,0 – – – 0,1  1,5 – 84  98 1  4 1  15 45  60 14  20 0,5  1,2 0,1  1,3 0,1  1,0 0,1  2,0 – 10  15 62  98 1  9 1  35 45  75 15  37 0,7  4,5 – – – 0,1  2,0 – 50  97 1  7 3  47 60  80 5  20 3  15 – 0  18 0  3 3  1 3  5 – – – Hệ đất sét-nước Ñeå taïo hình caùc saûn phaåm goám söù, nguyeân lieäu (tröôøng hôïp nguyeân lieäu chuû yeáu laø ñaát seùt) phaûi troän thaønh hoãn hôïp vôùi nöôùc. Löôïng nöôùc caàn thieát coù quan heä chaët cheõ vôùi phöông phaùp taïo hình.  phöông phaùp taïo hình eùp khoâ (ñoä aåm thöôøng töø 4  8%); hoaëc baùn khoâ (10  18%); ,  phöông phaùp taïo hình deûo (töø 20  25%).  Khi löôïng nöôùc taêng hôn (35  50%), ñaát seùt bò maát tính deûo, bieán thaønh heä buøn nhaõo hoaëc hôn nöõa (50%  60%), thaønh heä huyeàn phuø ñaát seùt-nöôùc (ñaát seùt laø pha phaân taùn coøn nöôùc laø moâi tröôøng phaân taùn). Huyeàn phuø heä ñaát seùt-nöôùc ñoùng vai troø quan troïng trong vieäc taïo hình caùc saûn phaåm baèng phöông phaùp ñoå roùt.  Ñeå huyeàn phuø oån ñònh, ngöôøi ta coù theå duøng phöông phaùp laøm beàn tónh ñieän hoaëc phöông phaùp haáp phuï polyme. NGUYEÂN LIEÄU CUNG CAÁP SiO 2 - - - xaûy ra töông ñoái nhanh hôn do khoâng coù söï bieán ñoåi maïnh caáu truùc (chæ khaùc nhau veà thoâng soá, kích thöôùc, khoâng khaùc nhau veà kieåu caáu truùc) Khi bieán ñoåi thuø hình, theå tích rieâng bieán ñoåi khaù lôùn daãn ñeán nöùt vôõ saûn phaåm. Cung caáp töø caùt, ñaù thaïch anh, quaéczit,... 26 1025 C o -quaéc -quaéc 573 C o 870 C o -tridimít 163 C o 1470 C o -cistobalit 200 270 C o 1720 C o Noùng chaûy Laøm laïnh nhanh -tridimít -cistobalit Thuûy tinh 117 C o -tridimít TRAØNG THAÏCH  Thaønh phaàn goàm caùc khoaùng alumo-silicat kiềm, kiềm thổ khoâng chöùa nöôùc.  nguyeân lieäu cung caáp ñoàng thôøi SiO 2 , Al 2 O 3 Na 2 O, K 2 O, CaO.  Trong coâng ngheä goám söù, traøng thaïch kieàm laø thaønh phaàn vaät lieäu gaày, khoâng coù tính deûo.  Traøng thaïch luoân ñoùng vai troø chaát chaûy trong moäc vaø men goám söù (laø pha thuûy tinh sau khi nung). 27 NGUYEÂN LIEÄU CUNG CAÁP CaO Ñaù voâi (CaCO 3) laø loaïi ñaù raát phoå bieán trong töï nhieân (CaCO 3 kyõ thuaät coù teân thöông maïi laø boät nheï).  Ñaù voâi laø nguyeân lieäu chuû yeáu cho coâng ngheä saûn xuaát chaát keát dính voâi, xi maêng Pooùclaêng vaø coâng ngheä thuûy tinh. Trong coâng ngheä goám söù, CaO laø thaønh phaàn quan troïng cuûa moät soá xöông goám vaø men.  Taïp chaát laãn trong ñaù voâi thöôøng laø: Al 2 O 3 , SiO 2 , FeO, Fe 2 O 3 laøm cho ñaù coù maøu. Ñaù phaán cuõng laø ñaù voâi, trong thaønh phaàn coù nhieàu haït CaCO 3 voâ ñònh hình vaø do ít taïp chaát neân coù maøu traéng.  Ñaù voâi duøng trong coâng ngheä thöôøng ôû daïng nguyeân lieäu töï nhieân, khoâng laøm giaøu. Ñoâi khi ngöôøi ta duøng caùc nguyeân lieäu töï nhieân nhö voû soø, voû oác tích tuï laâu ngaøy hoaëc ñaù san hoâ laøm nguyeân lieäu cung caáp CaCO 3 . 30 NGUYEÂN LIEÄU CUNG CAÁP CaO Ñaù hoa cöông  Ñaù hoa cöông laø ñaù voâi nguyeân chaát (99  99,5% CaCO 3 ), vôùi caáu truùc tinh theå CaCO 3 nhoû, mòn, khaù beàn vöõng. Ñoä cöùng: 3  4; maät ñoä: 2,7  2,9g/cm3; ñoä beàn neùn: 1000  3000kG/cm2. Tuøy taïp chaát, coù maøu saéc khaùc nhau raát ñeïp. Do ñoù, ñaù hoa cöông coù theå tröïc tieáp duøng laøm vaät lieäu xaây döïng. Dolomit  Coâng thöùc Ca.Mg(CO 3 ) 2 hoaëc CaCO 3 .MgCO 3, laø dung dòch raén cuûa cacbonat canxi vaø magieâ, trong ñoù caùc ion Ca 2+ vaø Mg 2+ theá laãn nhau trong caáu truùc.  Dolomit duøng laøm VLCL trong coâng ngheä luyeän kim, do coù nhieät ñoä noùng chaûy cao. 31 THẠCH CAO (nguyên liệu làm khuôn) CaSO .2H O 4 2 (Ñaù thaïch cao) 180 200 C o CaSO .0,5H O 4 2 (Thaïch cao khan) 220 250 C o CaSO 4 (Thaïch cao cheát) H O 2 (Taïo khuoân) CaSO .nH O (n>2) 4 2 Saáy 45 60 C o CaSO .0,5H O 4 2 H O töø ñaát seùt deûo, huyeàn phuø 2 Khuoân söû duïng(n 2: nöôùc lyù hoïc) 32 Thaïch cao ngaäm nöûa phaân töû nöôùc CaSO 4 .0,5H 2 O (hemihydrat daïng - hoaëc -) coù khaû naêng thuûy hoùa thuaän nghòch, ñoàng thôøi ñoùng raén nhanh taïo vaät lieäu xoáp coù khaû naêng giöõ nöôùc bôûi löïc mao quaûn. Lôïi duïng tính chaát naøy, coù theå duøng thaïch cao laøm khuoân. NHOÙM NGUYEÂN LIEÄU KYÕ THUAÄT 33 Al 2 O 3 : thöôøng laø daïng -Al 2 O 3 . ÔÛ nhieät ñoä cao 1100 1200oC: -Al 2 O 3 chuyeån thaønh -Al 2 O 3 . -Al 2 O 3 hình thaønh ôû 1200 o C coù daïng boät xoáp. ÔÛ nhieät ñoä cao hôn (> 1450 o C) seõ xaûy ra quaù trình keát khoái. Caùc saûn phaåm keát khoái töø corund, vì vaäy phaûi nung ôû nhieät ñoä cao hôn nhieät ñoä taïo thaønh -Al 2 O 3 raát nhieàu (thöôøng 1450  1600oC). Trong töï nhieân -Al 2 O 3 toàn taïi khoâng nhieàu ôû daïng corund. ÔÛ daïng ñôn tinh theå trong töï nhieân, corund laø caùc daïng ñaù quyù vôùi teân thöông maïi laø ñaù rubi (hoàng ngoïc) vaø safir (lam ngoïc), vôùi maøu saéc raát ñeïp do taïp chaát saét, croâm vaø titan taïo neân. Corund raát oån ñònh, cho tôùi nhieät ñoä noùng chaûy (2054  6 o C), khoâng bò bieán ñoåi thuø hình, nhöõng bieán ñoåi theå tích khoâng xaûy ra vaø nhôø ñoù, quaù trình nung luyeän thuaän lôïi hôn raát nhieàu. NHOÙM NGUYEÂN LIEÄU KYÕ THUAÄT 34 TiO 2: Titan coù theå taïo nhieàu hôïp chaát vôùi oxy. Trong soá ñoù, coù yù nghóa nhaát vôùi kyõ thuaät laø TiO2. Haàu heát TiO2 thöông maïi ñöôïc duøng laøm boät maøu (pigment) traéng. Trong coâng ngheä silicat, oxit titan ñöôïc duøng laøm caùc loaïi men traùng kim loaïi vaø goám söù, trong thaønh phaàn moät soá thuûy tinh ñaëc bieät, chaát taïo maàm keát tinh cho goám thuûy tinh vaø laø nguyeân lieäu ñeå laøm goám titan (cermet) hoaëc boät maøu. NHOÙM NGUYEÂN LIEÄU KYÕ THUAÄT 35 ZrO 2: Boät oxit zircon mòn laøm boät maøi, men kim loaïi, chaát taïo ñuïc trong men goám söù, laø thaønh phaàn cuûa caùc thuûy tinh beàn hoùa. Daïng keát khoái duøng laøm bi nghieàn, VLCL cao caáp (haøm löôïng ZrO2 coù theå: 20, 33, 42, 45%, ngoaøi ra laø SiO2 vaø Al2O3)... Caàn chuù yù, khoâng laãn loän khoaùng zircon vaø oxit zircon. Khoaùng zircon coù coâng thöùc hoùa laø ZrSiO4, trong ñoù 67,1%ZrO2, 32,9% SiO2 (theo lyù thuyeát). Tinh theå daïng töù dieän, maät ñoä trong khoaûng 3,9 4,8g.cm-3. Khoaùng zircon coù heä soá daõn nôû nhieät raát thaáp ( = 35.10-7 trong khoaûng 20 1200oC), laø chaát coù ñoä beàn hoùa cao, ñaëc bieät vôùi caùc taùc nhaân hoùa hoïc vaø chaát noùng chaûy. Khoâng tan trong caùc axit, tröø axit HF. Silicat zircon chuû yeáu duøng trong lónh vöïc vaät lieäu chòu löûa cao caáp do raát beàn hoùa vaø beàn nhieät (gaïch chòu löûa cho loø naáu thuûy tinh, pheãu roùt trong coâng ngheä luyeän kim, vaät lieäu beàn hoùa...). Chaát taïo ñuïc cho men goám söù hieän nay coù thaønh phaàn chuû yeáu laø ZrSiO4. NHOÙM NGUYEÂN LIEÄU KYÕ THUAÄT 36 B 2 O 3: Oxit bor laø thaønh phaàn cuûa moät soá thuûy tinh vaø men, coù taùc duïng taêng ñoä beàn hoùa vaø ñoä beàn nhieät. Ñaây laø oxit coù khaû naêng taïo thuûy tinh toát, B2O3 thöôøng ôû traïng thaùi thuûy tinh trong caùc saûn phaåm, raát haùo nöôùc, ngay caû khi ôû traïng thaùi thuûy tinh. Ví duï: B2O3 (thuûy tinh ) + H2O 2HBO2 B2O3 thöông maïi coù ñoä tinh khieát 99%, phaûi baûo quaûn trong bình khoâ raùo vì raát deã huùt aåm. Nguyeân lieäu raát ít khi ôû daïng oxit maø thöôøng ôû daïng axit boric H3BO3 hoaëc borax Na2B4O7.10H2O. NHOÙM NGUYEÂN LIEÄU KYÕ THUAÄT 37 NGUYEÂN LIEÄU CUNG CAÁP OXIT KIEÀM (R 2 O) Nguyeân lieäu cung caáp Na 2 O: sunfat natri Na 2 SO 4 , soña Na 2 CO 3 hoaëc nitrat natri NaNO 3 vaø muoái aên clorua natri NaCl. Nguyeân lieäu cung caáp K 2 O chuû yeáu laø: K 2 CO 3 (poâtas), vaø hoaëc KNO 3 (selit kali). K 2 O duøng trong sx caùc thuûy tinh bao bì cao caáp, phaleâ, thuûy tinh maøu, thuûy tinh quang hoïc vaø kyõ thuaät. Nguyeân lieäu cung caáp Li 2 O laø Li 2 CO 3 hoaëc ôû daïng caùc khoaùng töï nhieân vaø caùc traøng thaïch liti. Oxit liti Li 2 O laøm giaûm maïnh nhieät ñoä chaûy. Li 2 CO 3 taùc duïng maïnh vôùi platin, caàn chuù yù khi söû duïng. Nguyeân lieäu chöùa liti ñöôïc söû duïng nhieàu trong coâng ngheä saûn xuaát goám thuûy tinh, thuûy tinh kyõ thuaät aùnh saùng, duïng cuï ño chính xaùc, duïng cuï naáu aên... NHOÙM NGUYEÂN LIEÄU KYÕ THUAÄT 38 PbO: ñöôïc ñöa vaøo phoái lieäu baèng oxit chì PbO (chì traéng), hoaëc minimum Pb 3 O 4 (chì ñoû). PbO deã taïo thuûy tinh, chieát suaát cao, deã chaûy laùng ñeàu trong phaïm vi nung roäng; laø nguyeân lieäu phoå bieán cho caùc loaïi: men, frit, thuûy tinh quang hoïc, pha leâ chì... PbO aên moøn raát maïnh, vì vaäy naáu thuûy tinh chöùa chì caàn VLCL coù chaát löôïng raát cao. Khi söû duïng caàn heát söùc chuù yù tôùi vaán ñeà moâi tröôøng, vì Pb vaø PbO ñoäc, deã nhieãm vaøo cô theå (do hoâ haáp, tieâu hoùa, tieáp xuùc qua da). Nhieàu quoác gia ñaõ caám söû duïng PbO laøm men. CHÖÔNG 3: GIA COÂNG NGUYEÂN LIEÄU VAØ CHUAÅN BÒ PHOÁI LIEÄU TAÏO HÌNH 1. GIA CÔNG CƠ HỌC NGUYÊN LIỆU  Khi sử dụng nguyên liệu tự nhiên, cần có khâu khai thác và chế biến, làm giàu nguyên liệu:  Phân loại sơ bộ đất sét và cao lanh theo màu sắc để loại bỏ các tạp chất không cần thiết (sp gốm thô có thể dùng luôn nguyên liệu tự nhiên, sản phẩm gốm có xương trắng mịn cần đất sét và cao lanh có trắng, thành phần ổn định, rất ít tạp chất gây màu (Fe2O3, TiO2).  Làm giàu và ổn định nguyên liệu: bằng cách lắng, lọc, phân ly điện từ, sau đó lọc ép, sấy nghiền, xác định thành phần và đóng bao để sử dụng. 40 1. GIA COÂNG CÔ HOÏC NGUYEÂN LIEÄU 41 Quaù trình nghieàn taêng möùc hoaït hoùa beà maët haït vaät lieäu vaø laøm ñoàng nhaát phoái lieäu do keát hôïp troän nghieàn ñoàng thôøi trong maùy nghieàn. Tröø ñaát seùt coù ñoä mòn töï nhieân ñaûm baûo yeâu caàu (quaù trình nghieàn coù taùc duïng troän, traùnh söï keát tuï laïi), caùc nguyeân lieäu töï nhieân khaùc, nhaát thieát phaûi nghieàn mòn tôùi côõ haït caàn thieát. Traøng thaïch noùi chung coù theå coù côõ haït thoâ hôn caùt do vai troø laø chaát chaûy. Phaûi tieán haønh nghieàn theo nhieàu giai ñoaïn: nghieàn thoâ, nghieàn nhoû, vaø nghieàn mòn. Caùc maùy nghieàn mòn trong coâng ngheä goám söù thöôøng coù luoân chöùc naêng troän ñeàu phoái lieäu. Caùc yeáu toá aûnh höôûng ñeán quaù trình nghieàn ??? Sô ñoà nguyeân lyù caùc thieát bò ñaäp nghieàn nguyeân lieäu. Source: From Principles of Ceramics Processing, Second Edition, by J.S. Reed, p. 314, Figs. 17- 1 and 17-2. Copyright © 1995 John Wiley & Sons, Inc. Reprinted by permission. Ball mill grinding: Source: From Modern Ceramic Engineering, by D.W. Richerson, p. 387, Fig. 9-3. Copyright © 1992 Marcel Dekker, Inc.) SÔ ÑOÀ CAÁU TAÏO MAÙY ÑAÄP HAØM Maùy nghieàn bi Máy nghiền bi Ñoä mòn caàn thieát cho nguyeân lieäu sau khi nghieàn thöôøng ñöôïc xaùc ñònh baèng löôïng soùt saøng (%). Löôïng soùt saøng thoâng thöôøng ñoái vôùi phoái lieäu moäc laø 3- 5%, phoái lieäu men laø 0-2% saøng 10.000 loã/cm2 Hoà sau khi ra khoûi maùy nghieàn bi seõ ñöôïc saøng, khöû töø, uû. Quaù trình phoái lieäu 45 Phoái lieäu laø coâng ñoaïn taïo hoãn hôïp nguyeân lieäu coù thaønh phaàn caàn thieát, toaøn khoái trôû neân ñoàng nhaát, beà maët haït vaät lieäu tieáp xuùc vôùi nhau nhieàu nhaát. Phoái lieäu caàn coù nhieàu côõ haït, khoâng chæ ñôn giaûn laø caøng beù caøng toát, maø laø beà maët tieáp xuùc giöõa caùc haït vaät lieäu caøng lôùn caøng toát. 2. CHUAÅN BÒ PHOÁI LIEÄU TAÏO HÌNH 46 Phoái lieäu thöôøng coù ñoä aåm raát cao vaø raát khaùc nhau, tuøy thuoäc vaøo phöông phaùp taïo hình khaùc nhau (4 18% khi eùp khoâ hoaëc baùn khoâ, 25 30% vôùi taïo hình deûo vaø tröôøng hôïp laø huyeàn phuø ñoå roùt, löôïng nöôùc coù theå 40 60%). Ñeå phoái lieäu coù ñoä aåm caàn thieát taïo hình, coù theå duøng nhöõng phöông phaùp taùch nöôùc khaùc nhau. Trong saûn xuaát thuû coâng, vaãn chæ laø quaù trình saáy töï nhieân. Trong coâng nghieäp, phoå bieán laø loïc eùp khung - baûn hoaëc saáy phun. maùy loïc eùp khung baûn Ñaây laø phöông phaùp thích hôïp cho quaù trình taïo hình deûo. Ñaát moäc sau khi eùp loïc khoâng söû duïng ngay ñöôïc, do khoâng ñoàng nhaát (veà ñoä aåm, öùng suaát cô hoïc...). Tröôùc khi taïo hình, caàn moät coâng ñoaïn nöõa laø laøm ñoàng nhaát khoái ñaát deûo (trong maùy luyeäân Lento) vaø uû (ít nhaát 7-10 ngaøy). H O 2 3 2 1 5 4 1- huyeàn phuø 2- tuùi loïc vaûi 3- taám gang 4- khe thoaùt H O 2 5- ñaát seùt Phöông phaùp saáy phun hoaëc saáy taïo buïi ly taâm Huyeàn phuø Khí aåm Ñaát seùt khoâ Khí noùng Huyeàn phuø Ñaát seùt khoâ Motô Khí noùng Khí aåm a) b) Nhieät ñoä saáy trong thieát bò khoaûng 450  500oC. Do doøng xoaùy trong xyclon, ñaát taïo thaønh nhöõng vieân nhoû hình caàu khoaûng 1  10mm, thoaùt khoûi maùy vôùi ñoä aåm ñaït yeâu caàu coâng ngheä. Ñaát saáy xong ñöôïc chuyeån vaøo trong caùc xyclon chöùa. Vieân ñaát coù daïng caàu vaø ñoä beàn cô ñuû lôùn, deã chuyeån vaøo maùy eùp vaø phaân boá löïc eùp ñeàu. Nhôø kyõ thuaät saáy phun, coù theå eùp nhöõng vieân gaïch phaúng, ñeàu, kích thöôùc khaù lôùn. Máy sấy phun Caùc thoâng soá cuûa maùy saáy phun Sacmi ATM 36 + Löôïng boác hôi aåm toái ña : 3600 l/h + Toång coâng suaát ñoäng cô : 108 kW + Khoái löôïng : 41000 kg + Nhieät naêng : 3.000.000 kcal/h + Coâng suaát ñoäng cô quaït : 5.5 kW + Nhieät ñoä khoâng khí noùng : 500 – 620 oC CHÖÔNG 4: TẠO HÌNH TAÏO HÌNH 51 Caùc phöông phaùp taïo hình vaät lieäu ceramic cô baûn: 1- Taïo hình tröôùc khi nung (caùc saûn phaåm goám, söù) : baùn thaønh phaåm ñöôïc taïo hình töø nguyeân lieäu daïng boät, saáy, roài ñem nung taïo ñoä beàn caàn thieát cho saûn phaåm. Ñaây laø quaù trình ñaëc tröng vôùi. 2- Taïo hình sau khi nung (Caùc saûn phaåm VLCL ñuùc roùt, raêng söù, goám thuûy tinh) : quaù trình taïo hình ñöôïc thöïc hieän khi thuûy tinh noùng ñang giaûm daàn nhieät ñoä vaø ñoä nhôùt (nhieät ñoä taïo hình töông ñoái cao 900 1100oC, thuûy tinh ôû traïng thaùi bieán meàm). 3- Taïo hình kieåu ñuùc beâ toâng: hoãn hôïp chaûy ñöôïc ñoå vaøo khuoân, saûn phaåm ñöôïc taùch khoûi khuoân sau quaù trình ñoùng raén. Ñaây laø quaù trình taïo hình ñaëc tröng cho caùc saûn phaåm xi maêng nhöng cuõng ñöôïc duøng taïo hình saûn phaåm goám ñaëc bieät, chaát keát dính thöôøng duøng laø chaát höõu cô. TAÏO HÌNH (caùc sp goám söù) 52 1- Taïo hình töø huyeàn phuø ñoå roùt - Töø huyeàn phuø 40 50% nöôùc (vaøo khuoân coù loã xoáp, nhö thaïch cao hoaëc chaát deûo...). - Töø hoãn hôïp vôùi chaát keát dính nhieät deûo (vaøo khuoân kim loaïi): ñoå roùt noùng vôùi aùp suaát 0,4 0,6MPa; hoaëc phun vôùi aùp suaát 20 80MPa. 2- Taïo hình deûo vôùi ñoä aåm 25 30% nöôùc hoaëc chaát taïo deûo höõu cô - Ñuøn (hoaëc neùn) treân maùy, aùp suaát 1,5 3MPa - Xoay (23 27% nöôùc): xoay tay hoaëc xoay maùy. 3- EÙp - Töø hoãn hôïp boät khoâ hoaëc hôi aåm (4 15% nöôùc), nhieàu tröôøng hôïp vôùi chaát taïo deûo höõu cô suaát 20 200MPa, hoaëc coù theå tôùi 500MPa khi eùp thuûy tónh. - Töø buøn deûo (15 25% nöôùc; 3 15MPa) - EÙp noùng - Thoåi eùp hoaëc eùp rung - Taïo hình baèng soùng aùp suaát Caét goït baùn saûn phaåm (maøi, phay, tieän): do caùc goám raát doøn vaø cöùng, neân caùc phöông phaùp naøy ít duøng. TẠO HÌNH CÁC SP GỐM SỨ 14/12/2021 TẠO HÌNH 53 Cần đáp ứng yêu cầu: Hình dạng và tính chất đặc trưng của sản phẩm. Tính chất kỹ thuật của phối liệu. Năng suất và giá thành, thị hiếu người tiêu dùng. 14/12/2021 TẠO HÌNH 54 CÁC PHƯƠNG PHÁP TẠO HÌNH  Phương pháp ép: cho sản phẩm phẳng, yêu cầu kích thước chính xác.  Phương pháp dẻo:  xoay bàn tua trong khuôn thạch cao cho sản phẩm thành mõng, không đều, dạng tròn xoay như chén, dĩa, tô..  ép dẻo, tiện dẻo cho sản phẩm hình dạng phức tạp.  Phương pháp rót:  Rót hồ cho sản phẩm rỗng, thành mỏng, miệng nhỏ như ấm trà, bình hoa  Rót hồ đặc cho sản phẩm đặc.  Các phương pháp tạo hình dựa trên tính chất phối liệu:  Phối liệu kém dẻo: dùng phương pháp ép.  Phối liệu có độ dẻo vừa: dùng đổ rót, ép dẻo hoặc tiện dẻo.  Phối liệu có độ dẻo cao: xoay bàn tua, ép dẻo, tiện dẻo. 14/12/2021 TẠO HÌNH 55 TẠO HÌNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP RÓT CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỔ RÓT  Phương pháp rót hồ thừa: dùng tạo hình các sản phẩm rỗng, hình dáng phức tạp. Thành phẩmRót hồ thừaĐổ đầy hồ Phöông phaùp taïo hình ñoå roùt (Source: From Modern Ceramic Engineering, by D.W. Richerson, p. 462, Fig. 10-34. Copyright © 1992 Marcel Dekker. Reprinted by permission.) 14/12/2021 TẠO HÌNH 57 TẠO HÌNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP RÓT CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỔ RÓT  Hồ được đổ đầy vào khuôn trống.  Sau một thời gian, hồ bám vào khuôn một lớp dầy.  Phần hồ thừa được tháo ra ngoài.  Nước trong lớp mộc một phần bị hút vào khuôn, một phần bốc hơi.  Mộc khô, co rút, tách ra khỏi khuôn.  2/. Rót đặc.  Hồ đựơc rót vào khuôn, chứa luôn trong khuôn, không trút hồ thừa. Đổ hồ vào khuôn Khuôn hấp thu nước sản phẩm mộc 14/12/2021 TẠO HÌNH 58 TẠO HÌNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP RÓT CƠ SỞ LÝ THUYẾT  Thích hợp với sản phẩm rỗng, mỏng, hình dạng phức tạp, có miệng nhỏ hơn đáy hoặc thân.  Nhược điểm là độ ẩm cao, co nhiều, kích thước kém chính xác, mặt bằng rộng, nhiều khuôn  Hệ huyền phù đất sét-H2O có tính chảy khi hàm lượng nước khoảng 40 – 50%.  Để hồ có tính chảy tốt, đồng thời lượng nước giảm còn 30 – 35% cần phải dùng thêm chất điện giải, nhằm mục đích làm giảm độ nhớt của hồ: 1. TAÏO HÌNH ÑOÅ ROÙT  Saûn phaåm taïo hình baèng phöông phaùp ñoå roùt muoán ñaït chaát löôïng cao rieâng veà hoà phaûi ñaït caùc yeâu caàu sau: (ngoaøi yeâu caàu chaát löôïng thaïch cao vaø khuoân). Löôïng nöôùc ít ñeå giaûm thôøi gian ñoå roùt vaø thôøi gian saáy ngaén Ñoä löu ñoäng cuûa hoà cao töùc laø ñoä nhôùt nhoû ñeå vieäc vaän chuyeån trong ñöôøng oáng deã daøng vaø ñaûm baûo chaûy vaøo nhöõng vò trí phöùc taïp cuûa khuoân Hoà phaûi beàn, ít bò laéng, khoâng bò saùnh, ñoä nhôùt cuûa hoà oån ñònh Toác ñoä baùm khuoân toát Löôïng chaát ñieän giaûi ít nhaát Deã thaùo khuoân, ít khuyeát taät taïo hình, maät ñoä saûn phaåm ñeàu, beà maët nhaün. 59 14/12/2021 TẠO HÌNH 62 TẠO HÌNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP DẺO  Cơ sở phương pháp này là dựa vào tính dẻo của phối liệu.  Phương pháp tạo hình dẻo bao gồm:  vuốt bằng tay trên bệ quay,  gắn ráp trong khuôn thạch cao,  xoay trên máy bàn tua.  Ép dẻo, đùn dẻo, tiện dẻo  Yêu cầu cơ bản của phối liệu tạo hình dẻo là:  có độ ẩm từ 23 – 27%,  độ dẻo và độ đồng nhất cao,  Cỡ hạt mịn.  Khi tạo hình dẻo trong khuôn thạch cao, yêu cầu của khuôn:  có độ bền cao, không mòn,  độ xốp từ 33 – 35%, độ ẩm từ 4 – 6%,  bề mặt khuôn phải nhẵn, láng. TẠO HÌNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP DẺO XOAY TAY 14/12/2021 TẠO HÌNH 63 Là phương pháp tạo hình dẻo cổ điển bằng tay trên bàn xoay, độ ẩm phối liệu 23-27% Xoay tay đòi hỏi tay nghề cao, kinh nghiệm. Ít dùng trong công nghiệp, phổ biến trong gốm mỹ nghệ, thủ công. 14/12/2021 TẠO HÌNH 64 TẠO HÌNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP DẺO XOAY BÀN TUA  Dùng tạo hình các sản phẩm lòng rỗng, thành mỏng, dạng tròn xoay, đáy nhỏ, miệng rộng như: chén, bát, tô, đĩa  Đặt khuôn thạch cao 1 vào bệ khuôn 2 có chuyển động quay tròn. Dao bản tạo hình 3. 14/12/2021 TẠO HÌNH 65 TẠO HÌNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP DẺO XOAY BÀN TUA  Phương pháp này có ưu điểm: Năng suất cao  dễ thao tác  Vốn đầu tư thấp Giá thành hạ  Nhưng có nhược điểm:  Lực nén yếu  độ ẩm tạo hình phải cao  Sản phẩm dễ biến dạng  Để khắc phục, thường dùng máy ép lăn hai bệ hai đầu nén. TẠO HÌNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP DẺO XOAY BÀN TUA Máy ép lăn 1 đầu ép Máy ép lăn 2 đầu ép TẠO HÌNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP DẺO ĐÙN DẺO: nguyên lý 14/12/2021 TẠO HÌNH 67 14/12/2021 TẠO HÌNH 68 TẠO HÌNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP DẺO ĐÙN DẺO  Thường dùng máy ép lento trong sản xuất gạch xây dựng. 1 2 3 4 1-thân máy 2-trục vít 3-đầu nén 4- đầu tạo hình TẠO HÌNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP DẺO ĐÙN DẺO  Đầu tạo hình gạch ngói: 14/12/2021 TẠO HÌNH 70 TẠO HÌNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP DẺO ép dẻo trong khuôn  Thường dùng tạo hình các sản phẩm có kích thước lớn như chậu hoa, lu, khạp.  Phối liệu được cắt thành các tấm mỏng có chiều dầy theo yêu cầu.  Đắp vào bề mặt khuôn, miết đều. 14/12/2021 TẠO HÌNH 71 TẠO HÌNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP DẺO TiỆN DẺO  Dùng cho các sản phẩm có kích thước, yêu cầu độ chính xác cao, như các mặt hàng sứ điện.  Chuẩn bị phôi đặc, có độ ẩm 16–18%  Cắt gọt, tiện phôi bằng dao dây theo hình dạng và kích thước yêu cầu trên các máy tiện quay tròn  Gắn ráp các chi tiết, làm láng bề mặt bằng mút ẩm. 14/12/2021 TẠO HÌNH 72 TẠO HÌNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP ÉP nguyên tắc  ưu điểm: Hình dạng, kích thước sản phẩm chính xác.  Có thể dùng cho phối liệu có độ dẻo kém. Rút ngắn chu trình sản xuất  Nhược điểm: chuẩn bị bột ép phức tạp.  Nguyên tắc của ép: dưới tác dụng của lực ép có áp suất cao, các hạt bột ép sít đặc và giữ được hình dạng của khuôn ép. TẠO HÌNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP ÉP nguyên tắc 14/12/2021 TẠO HÌNH 73 TẠO HÌNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP ÉP nguyên tắc  Phụ thuộc vào độ ẩm bột ép có:  Ép khô: khi độ ẩm ≤ 3%,  Ép bán khô: khi độ ẩm 4 ÷ 9%,  Ép dẻo: khi độ ẩm 10 ÷15%  Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm:  Thành phần hạt, cấp hạt, độ ẩm của bột ép.  chế độ ép 1 phía hay 2 phía,  áp lực ép. 14/12/2021 TẠO HÌNH 74 Ép một phía Ép hai phía 14/12/2021 TẠO HÌNH 75 TẠO HÌNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP ÉP ép đẳng áp thủy tĩnh (đẳng tĩnh: isostatic-pressing)  Phương pháp ép có áp lực đồng đều nhất  Nguyên lý của phương pháp này là “ lực truyền đồng đều theo mọi phương trong môi trường chất lỏng”.  Bột ép được cho vào khuôn cao su, và được ép các phía bởi chất lỏng dưới áp lực cao đồng đều ở mọi vị trí . Figure 11.12 Schematic illustration of hot isostatic pressing. The pressure and temperature variation vs. time are shown in the diagram. Source: Preprinted with permission from R.M. German, Powder Metallurgy Science. Princeton, NJ; Metal Powder Industries Federation, 1984. •Common condition: 100MPa at 1100oC: 100% density, good metallurgical bonding, good mechanical properties •Relatively expensive  superalloy components Hot isostatic pressing: compaction + sintering 14/12/2021 TẠO HÌNH 79 TẠO HÌNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP ÉP máy ép Máy ép thủy lực Máy ép thủ công Clip: quy trình sx bình sành sứ  ..\..\CERAMIC\FILM\SX gom su.flv