Электрофарфоровые массы на основе алгуйского талька Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО

ИНСТИТУТА им. С. М. КИРОВА

Том 151 1%6

ЭЛЕКТРОФАРФОРОВЫЕ МАССЫ НА ОСНОВЕ АЛГУЙСКОГО ТАЛЬКА

П. Г. УСОВ, Г. Н. ПОПОВА

(Представлена научным семинаром кафедры технологии силикатов)

Электроизоляционные 'керамические материалы, содержащие в своем шихтовом составе в качестве основного компонента тальк благодаря высоким механическим и диэлектрическим свойствам получают все большее применение в электро- и радиотехнике.

Среди всех видов тальковой керамики наибольшее распространение получили стеатитовые массы, содержащие в своем составе 60— 80% талька и применяемые для изготовления как малогабаритных установочных деталей, так и крупных антенных изоляторов различной конфигурации. Исходным сырьем для производства этих изделий являются высококачественные тальки с добавкой пластичных огнеупорных глин и плавней.

Нами исследовались стеатитовые массы на основе маложелезистого талька недавно открытого Алгуйского месторождения. Целью исследования явилось изучение зависимости технологических и технических характеристик стеатитовых масс от вида и количества вводимых в их состав плавней. Одновременно ставилась задача выбора оптимальных составов, которые могли бы быть рекомендованы для производства стеатитовых электроизоляционных изделий. В качестве исходных материалов для синтеза опытных масс использовались следующие виды сырья: тальк Алгуйского месторождения, природный и обогащенный, глина Часов-ярская; обогащенный трехкратной магнитной сепарацией нефелин Горячегорского месторождения Красноярского края и полевой шпат. Данные химического анализа исходных материалов -приведены в табл. 1.

Алгуйский тальк вводился в состав масс в сыром виде, а также после предварительного обжига на температуру 1300—1320°. Сырой и обожженный тальк, а также полевой шпат и нефелин подвергались предварительному тонкому измельчению в шаровой мельнице до полного прохождения через сито 10000 отв/см2. Опытные массы готовились весовой дозировкой и перемешивались в присутствии воды в шаровой мельнице с кремневой галькой. Образцы формовались полусухим 'прессованием на ручном гидравлическом прессе при давлении 750 кг/см2. Все обжиговые характеристики и механическая прочность при сжатии определялись на образцах — цилиндриках с диаметром, равным высоте = 14,5 мм. Белизна определялась на дисках диаметром 2,5 см. Конфигурация и размеры образцов для электрических испытаний отвечали требованиям ГОСТ 5458—50 на материалы «керамические высокочастотные». Обжиг опытных образцов проведен в ла-

бораторкой силитовой печи на температуры от 1100 до 1330°С с интервалом 50—20° и выдержкой при конечной температуре 2 часа. Все время обжига составляло 6—9 часов.

Таблица 1

Название материалов

Тальк алгуй-ский, природный . .

Тальк алгуй-ский обогащенный

Глина Часов - ярская

Полевой шпат . . .

Нефелин го-

рячегорский

Химический состав, в

Но О ппп ЭЮа ТЮ2 А12 03 Ре2 03 СаО Л^О К20 Ыао О Сумма

0,20

0,25 2,46

0.33

4,18

4,45 6,80 0,18 5,91

68,00

63,00 50,76 68,58 44,46

,16

0,03

0,78

0,89 32,38 17,98 29,86

0,02

0,06 1,11 0,32 0.61

0,39

0,14 0,84 0,95 7,21

26,97

31,53 0,63

0,27

8,27

1,06

3,19 10,39

100,54

100,32 96,14 99,47 100,13

Было исследовано четыре серии опытных стеатитовых масс, состав которых приведен в табл. 2*.

Таблица 2

Шихтовой состав опытных масс, в весовых %

Номера масс Массы 1 серии 2 Массы сери и 3 Массы серии Массы 4 серии

Исходные материалы 1 2 3 4 5 6 7 8 9 2а 5а

I. Тальк природный сырой 20 20 23 20 20 20 20 20 20 — —

2. Тальк природный, обожженный па 1300—1320° 55 50 45 55 50 45 50 50 50 _ _

3. Тальк обогащенный сырой 20 20

4. Тальк обогащенный, обожженный на 1300—1320° — — _ — — _ __ ___ 50 50

5. Глина Часов-ярская 2Э 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20

6. Полевой шпат 5 10 15 — — — 7,5 5,0 2,5 10 -

7. Нефелин — — — 5 10 15 2,5 5,0 7,0 — 10

Массы первой серии (1, 2, 3) предназначались для изучения влияния содержания полевого шпата в них на их технологические свойства.

Массы второй серии (4, 5, 6), в которые в ¡качестве плавней был введен нефелин в тех же количествах, что и полевой шпат в массы I серии, предназначались для исследования влияния этой замены на их свойства.

В массах третьей серии (7, 8, 9) был использован комбинированный плавень с различным соотношением полевого шпата и нефелина. Общее количество плавня в этих массах сохранялось одинаковым, равным 10%. Две последние массы 2а и 5а но составу соответствовали

*) Примечание: При выборе ориентировочных составов опытных масс учтены результаты исследований стеатитовых масс на основе онотского талька с щелочноземельными плавнями, проведенных ранее ГИЭКИ [1].

массам 2 и 5 с той лишь разницей, что алгуйский природный тальк, содержащий значительное .количество кварца, был заменен в них тальком, обогащенным флотацией и почти полностью соответствующим по своему химическому составу (табл. 2) составу талькового минерала. Количество плавней в массах первой и второй серий варьировалось за счет количества обожженного талька. Тальк сырой и глина во все опытные массы вводились в одинаковых количествах. Керамические свойства исследуемых масс приведены в табл. 3.

Как видно из таблицы, 1все массы спекаются в интервале температур 1200—1300°С. Увеличение содержания полевого шпата в массах первой серии от 5 до 10% снижает температуру спекания с 40 до 50°, но увеличивает при этом усадку изделий -при обжиге и несколько снижает их прочностные характеристики. Дальнейшее повышение количества полевого шпата в массах совершенно не целесообразно, так как не улучшая их технологических свойств, оно приводит к еще большему снижению прочности при сжатии образцов из этих масс, вызывая, очевидно, значительное увеличение количества стеклофазы. Из масс второй серии лучшие технологические характеристики зафиксированы у массы пятой с 10% нефелина. Интервал спекания ее достаточно широкий— 50°. Масса четвертая этой серии, имея очень узкий интервал спекания, при температуре 1280° не спекалась; при температуре 1300° образцы из нее деформировались. Увеличение содержания нефелина до 15% ухудшило обжиговые характеристики массы, сузив интервал спекания, снизив прочность при сжатии обожженных образцов и увеличив их усадку.

Частичная замена полевого шпата нефелином (массы 7, 8, 9) отрицательно сказалась на всех технологических характеристиках. Из трех масс этой серии при температуре 1280° спеклась лишь одна, девятая масса, с отношением полевого шпата к нефелину 1 : 3, но водо-поглощение ее оставалось значительным — 0,051 %, интервал спекания очень узкий, меньше 20°, прочность при сжатии спеченных образцов меньше 2000 кг/см2.

Массы 2а и 5а, содержащие обогащенный тальк, спекаются при более высокой температуре по сравнению с аналогичными массами второй и пятой с необогащенным тальком. Образцы из массы 2а имели значительно более высокую прочность по сравнению со второй массой; у массы 5а никаких преимуществ перед аналогичной ей массой 5 не зафиксировано. Недостатком обеих масс на основе обогащенного талька является очень узкий интервал спекания (около 20°), что затруднит работу с ними при производстве крупногабаритных изделий. Таким образом, из одиннадцати исследованных масс наиболее благоприятными технологическими характеристиками обладают массы 1, 2, 5. Учитывая, что у нас в стране есть опыт по обжигу стеатитовых изделий с узким (10—15°) интервалом спекания, к числу масс, выбранных для более детального исследования, решено отнести и массу 2а. Характер спекания четырех выбранных масс отражен на рисунках 1, 2. Как видно из рис. 1, усадка для всех масс имеет довольно близкие значения. Наибольшую усадку имеет масса с 10% полевого шпата, наименьшую — 10% нефелина. Для всех масс усадка продолжает нарастать даже и после значительного перегрева образцов (30—50°) относительно температуры спекания, что свидетельствует о продолжающемся уплотнении их. Это подтверждается и ростом объемного веса (рис. 2) с перегревом. Исключение составляет только масса 2а, у которой с перегревом выше температуры спекания на 30° наблюдается рост образцов и снижение объемного веса, хотя на водопоглощении это не отражается (рис. 2),

О)

о

Таблица 3

Сравнительная таблица керамических свойств опытных масс

Номера 1 серия с

масс ссрия 3 серия 4 серия

Показатели 2

свойств ^^^^ 1 3 4 5 6 7 8 9 2а 5а

1. Температура спека- 1280 не 1280 не 1280 не

ния в °С....... 130Э 1250 1250 спеклась 1200 1200 спеклась спеклась 1280 1300 1250

2. Водопоглощение,

В °/о......... 0,021 0,009 0,000 3,040 0,021 0,035 2,56 1,61 0,051 0,000 0,024

3. Объемный вес, г/см3 2,28 2,31 2,33 2,23 2,24 2,28 2,20 2,22 2,21 2,34 2,32

3. Интервал спека-

ния, °С........ 40 50 50 <20 50 <30 <20 <20 20 <20 <20

5. Усадка по диамет-

ру, И ........ 4,20 4,80 5,60 3,52 3,52 3,62 3,52 3,52 3,52 4,92 4,92

6. Усадка по высо-

те, в % ....... 5,55 7,05 7,36 4,86 4,92 6,25 4,86 4,82 4,30 6,05 6,8

7. Прочность при сжа-

тии, кг/см2.....• 2310 1980 2160 2100 2357 2040 1870 1765 1870 3150 2140

8. Белизна...... 91 91 90 90 91 90 90 90 90 90 90

Qo ¡5

S4

I

I3

es

^ 2

i

0

/ / \ f N 4 \ ? < ✓

/ L- r; I i A \

} К' У i / / * <<l y /i 1. /4

о""" / / 3 / i / jf J JT/ _A / г

Г/

£ j^S i » \ /У

Y

Н00 //50 IР00 '250 /300 '350 Iемпературо обжига , °С

Рис. 1. Зависимость усадки опытных масс от температуры обжига

1— усадка по диаметру массы 1;

2—то же массы 2; 3—то же массы 5; 4 — то же массы 2 а; 5 — усадка по высоте массы 1; 6 — то же массы 2; 7 — то же массы 5; 8 — то же массы 2 а.

//00 U5Q /200 /250 /300 /550 Температура обжиза. Т

Рис. 2. Зависимость водопоглощения и объемного веса опытных масс от температуры обжига 1 — водопогло-щение массы 1; 2 — то же массы 2; 3—то же массы 5; 4 — то же массы 2 а; 5 — объемный вес массы 1; 6 — то же массы 2; 7 — то же массы 5; 8 — то же массы 2 а.

очевидно, благодаря значительному остекловыванию поверхности образцов. У массы 2 наблюдается лишь очень незначительное увеличение высоты при перегреве на 50° выше температуры спекания; по диаметру образцы уменьшаются; объемный вес возрастает. Под микроскопом в шлифах изучаемых керамических материалов фиксируется тонкозернистая масса, сложенная зернами метасиликата магния размером 1—2 микрона и стеклом. Суммарный показатель преломления этих агрегатов пср 1,603 + 0,005. Более крупные зерна силиката магния, размером 5—7 микрон имеют пср — 1,656, что близко соответствует клиноэнстатиту. Встречаются зерна кварца, составляющие около 1%, и единичные зерна п— 1,529, что приблизительно соответствует кордиериту. Поры изометричной, реже правильной формы, размером 0,01—0,05 мм составляют 3—5% всей площади шлифов. Диэлектрические свойства изучаемых материалов характеризуются следующими величинами: диэлектрическая проницаемость е — 4,6 — 5,3; тангенс угла диэлектрических потерь в нормальных условиях —60—100 * 104; удельное объемное сопротивление— 1013—10й ом *см;

кв

электрическая прочность Е — 28 — 36 -.

мм

Выводы

1. Оптимальными массами для производства стеатитового электрофарфора на основе алгуйского талька со щелочным плавнем являются массы, содержащие в своем шихтовом составе 20% Часовярскон глины; 20% сырого природного или обогащенного алгуйского талька; 50—55% алгуйского талька (¡природного или обогащенного), обожженного при температуре 1300—1320°; 5—10% полевого шпата или 10% нефелина.

2. Указанные стеатитовые электроизоляционные массы значительно превосходят обычный электрофарфор по диэлектрическим свойствам., не уступая ему по прочности.

Следовательно, дешевый алгуйский тальк, очевидно, может заменить традиционное, зачастую дорогостоящее глиноземистое сырье в производстве электрофарфора и улучшить качество выпускаемой продукции.

ЛИТЕРАТУРА

1. В. Г. А в е т и к о в, Г. В. Белинская, Э. И. 3 и н ь к о. Исследование свойств пластичных стеатитовых масс для производства изоляторов. Труды Государственного исследовательского электрокерамического института, вып. 1, Госэнергоиз-дат, М —Л, 92—108, 1956.