b/ Sửa hàng mộc
2.2.5.1.Cơ sở lý thuyết
Sản phẩm gốm sứ chỉ được nung đến kết khối, quá trình nung là không thuận nghịch và hầu như không đạt được cân bằng pha (không thực hiện đến cùng).
Hiện tượng kết khối và các quá trình xảy ra đồng thời với nó (phản ứng pha rắn, xuất hiện pha lỏng và tái kết tinh)
Do tính phức tạp và đa dạng của các hiện tượng xảy ra khi nung nên hiện nay vẫn chưa có một định nghĩa thật chính xác danh từ “kết khối” trong công nghệ gốm. Danh từ “kết khối” dùng để biểu thị quá trình của một tập hợp hạt với
liên kết yếu biến thành vật thể rắn có một cường độ cơ học cùng một số tính chất cần thiết khác. Như vậy, quá trình kết khối giữ nguyên hình dạng của vật thể đem nung, tuy nhiên nó làm giảm độ xốp của vật liệu. Cần phân biệt quá trình kết khối và quá trình nóng chảy. Quá trình nóng chảy diễn ra theo nhiều giai đoạn (bột liệu kết khối xuất hiện pha lỏng nóng chảy nóng chảy) . Tuy nhiên sự chuyển hóa giữa các giai đoạn trên khó có thể phân biệt một cách rạch ròi.
Tóm lại, một cách đơn giản ta có thể hiểu kết khối là quá trình giảm bề mặt (bên trong và bên ngoài hay ở chỗ tiếp xúc với nhau) của các phần tử vật chất do xuất hiện hay phát triển mối liên kết giữa các hạt, do sự biến mất của lỗ xốp trong vật liệu để hình thành một khối với thể tích bé nhất. Quá trình giảm bề mặt xảy ra đồng thời với sự xuất hiện hay tăng cường các cầu nối giữa các hạt vật thể dưới tác dụng của áp suất hay nhiệt độ được minh họa bằng hình sau:
Hình 2.2. Quá trình kết khối các hạt tròn Al2O3 khi nung ở nhiệt độ 1750- 18400C (phóng đại 1500 lần)
Trong quá trình kết khối thể tích của hệ giảm dần các lỗ xốp sẽ được lấp đầy và biến thành lỗ xốp kín rồi tách ra. Độ xốp còn lại chừng 10% thì quá trình
kết khối chậm lại song không dừng hẳn. Nếu độ xốp đạt khoảng 8 – 10% thì các hạt không bị ngăn cách bởi các bọt khí nữa mà tiếp xúc với nhau bắt đầu quá trình tái kết tinh. Quá trình này xảy ra song song với quá trình kết khối. Động lực của quá trình tái kết tinh là năng lượng tự do của hệ. Nó sẽ ngừng khi năng lượng tự do triệt tiêu và tăng mạnh đặc biệt khi có mặt chất khoáng hóa, ngược lại các tạp chất ngăn cản sự lớn lên của tinh thể. Khi hiện tượng tái kết tinh xảy ra rất nhanh các tinh thể lớn (nếu duy trì lâu hay tăng nhiệt độ thì thể tích các hạt có thể đạt và vượt kích thước các hạt vật liệu ban đầu khoảng 2 - 3 lần) có thể xuất hiện ứng suất nội làm giảm cường độ cơ học của mẫu.
Quá trình xuất hiện pha lỏng tồn tại trong đại bộ phận gốm khi nung. Các yếu tố của pha lỏng xuất hiện đóng vai trò quan trọng là: góc thấm ướt của pha lỏng và lượng pha lỏng hình thành càng nhiều càng tốt (tuy nhiên không được quá nhiều dễ làm biến dạng sản phẩm), sẽ tạo điều kiện cho quá trình kết khối mãnh liệt hơn.
Các phản ứng hóa học xảy ra khi nung
Quá trình đehydrat hóa là quá trình loại bỏ nước cấu tạo của các khoáng sét mà quá trình sấy trước đó không thể loại bỏ được.
Quá trình biến đổi thù hình xảy ra tại nhiệt độ xác định gọi là nhiệt độ biến đổi thù hình. Biến đổi thù hình phần lớn kèm theo sự biến đổi khối lượng, thể tích. Biến đổi thù hình là hiện tượng phổ biến đối với khoáng của SiO2.
Quá trình phân hủy nhiệt giải phóng ra các cấu tử khí. Khí giải phóng chỉ thoát được ra ngoài khi xương còn xốp, khi xương đã sít đặc sẽ xảy ra hiện tượng ngột khí và làm giảm chất lượng sản phẩm.
Sự tạo thành các khoáng sơ cấp trong phản ứng pha rắn. Phản ứng điển hình là phản ứng tạo thành khoáng volastonit (CaO.SiO2) khi cho CaO tác dụng với SiO2.
Sự tạo thành pha lỏng: Lượng pha lỏng hình thành khi nung phụ thuộc vào thành phần hóa của phối liệu và nhiệt độ nung. Các pha lỏng nóng chảy làm xương sít đặc và cứng hơn, nhất là đối với những sản phẩm xương có cấu trúc xốp.
Quá trình kết tinh thứ cấp (tái kết tinh) diễn ra khi lưu khá lâu ở nhiệt độ kết khối, khi đó từ pha lỏng nóng chảy quá bão hòa kết tinh ra các tinh thể.
Các giai đoạn của quá trình nung
Giai đoạn đốt nóng đến nhiệt độ nung cao nhất
Đây là một giai đoạn rất phức tạp khi nung sản phẩm. Nhiệm vụ chủ yếu của giai đoạn là đốt nóng sản phẩm đến một nhiệt độ cao nhất cần thiết và đồng thời tránh hư hỏng sản phẩm. Nguy cơ hư hỏng sản phẩm chủ yếu là biến đổi thể tích của sản phẩm khi đốt nóng, trong một số trường hợp là do quá trình chuyển khối quá mạnh.
Tốc độ nâng nhiệt trong các dải nhiệt độ riêng biệt của giai đoạn đốt nóng có thể bị hạn chế do các yếu tố sau đây:
- Tách nước lý học còn lại sau khi sấy không có liên quan đến biến đổi thể tích của sản phẩm. Tuy nhiên, nếu tốc độ đốt nóng quá nhanh nước tách ra sẽ làm tăng áp suất hơi tại những vùng nằm sâu trong sản phẩm.
- Tách nước hóa học của các khoáng sét, tỏa khí khi phân hủy một số tạp nguyên liệu, cháy hợp chất hữu cơ thường kéo dài trong một khoảng nhiệt độ rộng.
- Ứng suất cơ học xuất hiện trong vật liệu nung do giãn nở nhiệt có quan hệ trực tiếp với tốc độ đốt nóng.
- Ứng suất cơ học xuất hiện do sản phẩm co khi kết khối là ứng suất kéo và ngược chiều với ứng suất cơ học gây nên bởi giãn nở nhiệt.
Giai đoạn 2: nhiệt độ nung cuối cùng và thời gian lưu nhiệt
Chọn nhiệt độ nung cuối cùng và thời gian lưu nhiệt một cách hợp lý chủ yếu là để đạt một mức độ kết khối nhất định nhằm thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm. Ở nhiều trường hợp có thể thay đổi quan hệ giữa nhiệt độ nung và thời gian lưu nhiệt miễn là các tính chất kỹ thuật của sản phẩm tương tự nhau. Để hoàn thiện kết khối, nhiệt độ nung là yếu tố hiệu quả hơn thời gian lưu nhiệt. Như vậy, nếu hạ thấp nhiệt độ nung trong giới hạn cho phép thì cần phải kéo dài thời gian lưu nhiệt độ.
Sự thay đổi khoảng nhiệt độ nung còn phụ thuộc vào sự kết khối pha lỏng tức là phụ thuộc vào lượng pha lỏng và độ nhớt của nó.
Chọn chế độ lưu nhiệt ở nhiệt độ nung cuối cùng phụ thuộc không những vào đặc tính lý – hóa của vật liệu mà còn vào hình dạng và kích thước của sản phẩm nhằm làm tăng độ đồng đều nhiệt độ bên trong của vật thể. Thời gian lưu nhiệt để tăng độ đồng đều nhiệt độ trong vật thể tỷ lệ với bình phương chiều dày của nó. Đối với các lò gián đoạn, chọn thời gian lưu nhiệt còn phụ thuộc vào trường nhiệt độ của thể tích lò.
Giai đoạn làm nguội
Đối với các vật liệu gốm kết khối pha rắn, giai đoạn làm nguội không bị ràng buộc bởi các quá trình lý – hóa đặc biệt nào ngoài ứng suất nhiệt xuất hiện thông thường.
Khi làm nguội sản phẩm kết khối pha lỏng có xảy ra quá trình đóng rắn pha lỏng để chuyển sang trạng thái thủy tinh. Quá trình này đặc trưng cho chất nóng chảy lỏng giàu SiO2 trong vật liệu gốm sứ. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Trong giai đoạn làm nguội ban đầu, nghĩa là vào thời gian trước lúc kết thúc đóng rắn hoặc kết tinh của pha lỏng, vật liệu còn có khả năng biến dạng dẻo và biến đổi thù hình của một số khoáng có mặt trong nhiều sản phẩm gốm sứ (thạch anh, cristobalit…), kèm theo hiệu ứng thay đổi thể tích.
Ngoài ứng suất tạm thời xuất hiện do chênh lệch nhiệt độ ở vùng ngoài và vùng bên trong sản phẩm, trong vật liệu làm nguội còn có thể xuất hiện các ứng suất dư khá lớn tại các tiểu vùng. Sự hình thành các ứng suất dư chủ yếu do sự chênh lệch hệ số giãn nở nhiệt giữa các loại tinh thể khác nhau hoặc giữa các tinh thể và pha thủy tinh hoặc do sự giãn nở nhiệt dị hướng của các tinh thể cùng loại được phân bố lộn xộn trong vật liệu.