7.5. Ситаллы (стеклокристаллические материалы)

Ситаллы получаются на основе неорганических стекол путем их полной или частичной управляемой кристаллизации. Термин «ситаллы» образован из слов: стекло и кристаллы. За рубежом их называют стеклокерамикой, пирокерамами. По структуре и техно­логии получения ситаллы занимают промежуточное положение между обычным стеклом и керамикой. От неорганических стекол они отличаются кристаллическим строением, а от керамических материалов — более мелкозернистой и однородной микрокристаллической структурой.

В состав стекла, применяемого для получения ситаллов, входят окислы Li₂O, A1₂O₃, SiO₂, MgO, CaO и др.; кроме того, добавляются катализаторы кристаллизации (нуклеаторы). К числу последних относятся соли светочувствительных металлов Au, Ag, Сu. В зависи­мости от способа получения ситаллы делятся на фотоситаллы и термоситаллы.

Фотоситаллы получают из стекол литиевой системы с нуклеаторами — коллоидными красителями.

Термоситаллы получаются из стекол, систем MgO—А1₂О₃—SiO₂, CaO—А1₂О₃—SiO₂ и других с добавкой ТiO₂, FeS и т. п. нуклеаторов.

По внешнему виду ситаллы могут быть непрозрачными и прозрачными (количество стеклофазы до 40%).

Причина ценных свойств ситаллов заключается в их исключительной мелкозернистости, почти идеальной поликристаллической структуре. Свойства ситалла изотропны.

Максимальная температура размягчения Т_разм = 1250…1350° С. Ударная вяз­кость ситаллов выше, чем у стекла, однако они относятся к хруп­ким материалам. Твердость приближается к твердости закаленной стали. Они весьма износостойки. По теплопроводности ситаллы в результате повышенной плотности превосходят стекла. Стеклокристаллические материалы обладают высокой химической устойчивостью к кислотам и щелочам, не окисляются даже при высоких температу­рах. Они газонепроницаемы и обладают нулевым водопоглощением.

Применение ситаллов. Из пирокерама делают подшипники, которые могут работать при нагрузках, составляющих более 50% нагрузки подшипников из нержавеющей стали при температуре 540…816° С без смазки. Из ситаллов можно изготовлять детали для двигателей внутреннего сгорания (поршни, детали выхлопа, муфты сцепления). Ситаллы используются в качестве жаростойких покрытий для защиты сталей, сплавов и тугоплавких металлов от действия высоких температур. Они используются для изготовления точных калибров и осно­ваний металлорежущих станков.

7.6. Керамические материалы

Керамика — неорганический материал, получаемый из отфор­мованных минеральных масс в процессе высокотемпературного обжига. В результате обжига (1200…2500° С) формируется струк­тура материала (спекание) и изделие приобретает необходимые физико-механические свойства.

Созданы новые виды керамики — так называемая «техническая керамика», включающая искусственно синтезированные керамические материалы различного химического и фазового состава. Основными компонентами технической керамики являются окислы и бескислородные соедине­ния металлов. Любой керамический материал является многофазной системой. В керамике могут присутствовать кристаллическая, стекловидная и газовая фазы.

Рассмотрим примеры.

В качестве высокоогнеупорного и конструкционного материала представляет интерес керамика на основе чистых окислов. В про­изводстве окисной керамики используются в основном следующие окислы: А1₂О₃ (корунд), ZrO₂, MgO, CaO, BeO, ThO₂, UO₂. Температура плавле­ния чистых окислов превышает 2000 °С, поэтому их относят к классу высокоогнеупоров.

Керамика из А1₂О₃ (корундовая) обладает высокой прочностью, которая сохраняется при высоких температурах, химически стойка, отличный диэлектрик. Термическая стойкость корунда невысокая. Изделия из него широко применяются во многих областях техники: резцы, используемые при больших скоростях резания, калибры, фильеры для протяжки стальной проволоки, детали высокотемпера­турных печей, подшипники печных рольган­гов, детали насосов, свечи зажигания в дви­гателях внутреннего сгорания.

Нитрид бора (белый графит) с гексагональной структурой гра­фита используется в качестве диэлектрика и как огнестойкая смазка. При давлении 70 кГ/см² и температуре 1360° С нитрид бора пре­вращается в эльбор (кубическая модификация), имеющий цвет от красного до черного, и плотность 3,45 г/см³, эльбор обладает высо­кой твердостью и выдерживает нагревание до температуры 2000° С.