7.2.1. Bản chất và phân loại
Gốm là vật liệu nhân tạo có sớm nhất trong lịch sử loài người. Khởi đầu khái niệm gốm được dùng để chỉ vật liệu chế tạo từ đất sét, cao lanh (gốm đất nung). Về sau, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, khái niệm này được mở rộng và bao gồm thêm đồ sứ, các vật liệu trên cơ sở ôxyt (ví dụ gốm Al2O3) và các chất vô cơ không phải là ôxyt (ví dụ SiC). Khái niệm gốm có liên quan đến hai nội dung: phương pháp công nghệ và đặc điểm tổ chức.
Phương pháp công nghệ gốm điển hình là phương pháp thiêu kết bột (như
hợp kim bột): khi tạo hình nguyên liệu dạng bột có liên kết tạm thời, sau đó được nung lên nhiệt độ cao để liên kết khối.
294
Tổ chức điển hình của gốm là đa pha. Nói đa pha vì hai pha chính tạo nên gốm là pha tinh thể và pha vô định hình, trong đó pha vô định hình phân bố xen giữa các vùng pha tinh thể và gắn kết chúng lại với nhau. Tỷ lệ giữa hai pha này trong các sản phẩm sẽ khác nhau, ví dụ tỷ lệ pha vô định hình trong gạch ngói là 20 ữ 40%, trong sứ - 50 ữ 65%, gốm Al2O3 - < 1%. Ngoài hai pha chính ra trong gốm luôn luôn có lỗ xốp (trong gạch: 10 ữ 50%, gốm nhẹ: > 40%, sứ: < 5%) mà tỷ lệ, hình dạng, kích thước và sự phân bố có ảnh hưởng rõ rệt đến các tính chất như
độ bền cơ học, độ dẫn nhiệt, khả năng hút nước. Ví dụ môđun đàn hồi E giảm đi theo sự tăng lên của thể tích rỗ xốp P theo biểu thức
E = E0 (1 - 1,9P + 0,9P2) trong đó E0 là môđun đàn hồi của gốm đặc, không lỗ xốp.
Theo thành phần hóa học có thể có các loại gốm sau: gốm silicat, gốm
ôxyt, gốm không phải ôxyt và gốm chịu lửa.
7.2.2. Gèm silicat
Gốm silicat còn gọi là gốm truyền thống là loại chế tạo từ các vật liệu silicat thiên nhiên độ sạch thấp, chủ yếu từ đất sét và cao lanh để tạo nên các sản phẩm gốm xây dựng (gạch, ngói, ống dẫn, sứ vệ sinh...), gốm gia dụng (ấm chén, bát đĩa) và gốm công nghiệp (cách điện, bền hóa, nhiệt).
Đất sét là silicat nhôm gồm có Al2O3, SiO2 và nước ngậm. Tính chất của nó biến đổi rộng phụ thuộc vào lượng tạp chất mà chủ yếu là các ôxyt (Fe, Ba, Ca, Na, K...) và một ít chất hữu cơ. Cấu trúc tinh thể của đất sét tương đối phức tạp song có đặc trưng quan trọng là có cấu trúc tầng nên khi có nước các phân tử nước
điền kín các tầng này và tạo ra lớp màng mỏng bao quanh các hạt đất sét làm cho các hạt này dễ dịch chuyển với nhau, tạo ra độ dẻo cao cho hỗn hợp đất sét - nước.
Cao lanh (kaolinite) là khoáng phổ biến nhất của đất sét có công thức Al2(Si2O5)(OH)4 hay Al2O3.2SiO2.2H2O. Ngoài đất sét, cao lanh còn dùng các nguyên liệu phụ như thạch anh SiO2 làm chất độn, tràng thạch KAlSi3O8 làm trợ dung. Ví dụ một sứ điển hình chứa 50% đất sét (cao lanh), 25% thạch anh, 25%
tràng thạch.
Quy trình sản xuất gốm silicat như sau.
- Gia công, tuyển chọn nguyên liệu: quặng thô được nghiền mịn, sàng để có được độ hạt yêu cầu. Do nguyên liệu thô thường chứa nhiều FeO, Fe2O3 nên khi cần thiết (khi cần màu trắng) phải qua tuyển từ khử ôxyt triệt để (< 1%).
- Cân, trộn phối liệu.
- Nhào luyện phối liệu (đưa thêm nước vào với lượng khác nhau để tạo độ
dẻo thích hợp).
- Tạo hình sản phẩm theo ba cách tùy thuộc độ ẩm:
+ phương pháp bán khô với phối liệu có độ ẩm 8 ữ 12% được đầm nén
trong khuôn,
+ phương pháp dẻo với phối liệu có độ ẩm 12 ữ 25%, tính dẻo cao được tạo dáng bằng tay hay dụng cụ, máy chuyên dùng,
+ phương pháp đúc rót với phối liệu có lượng nước cao, phối liệu có dạng hồ được rót vào khuôn thạch cao, khuôn sẽ hút nước để lại sản phẩm mộc.
- Sấy. Ban đầu các hạt đất sét được bọc bởi nước, khi sấy hơi nước bay đi làm khoảng trống giữa các hạt giảm đi gây ra co và rỗng.
- Nung đến 900 ữ 1400oC hay cao hơn tùy thuộc vào thành phần, cơ tính yêu cầu, sản phẩm (gốm xây dựng, gạch ở 900oC, sứ: 1400oC, gốm cao alumin
295
295
1600oC). Trong quá trình nung mật độ của gốm tăng lên (do giảm lỗ xốp) và cơ
tính được cải thiện. Khi gốm được nung đến nhiệt độ cao có xảy ra một số phản ứng trong đó đáng quan tâm nhất là sự thủy tinh hóa: sự hình thành dần dần thủy tinh lỏng, chảy vào điền kín các lỗ hổng và sản phẩm được co thêm. Khi nguội, pha nóng chảy đông đặc lại tạo ra nền liên kết làm bền, chắc sản phẩm.
Gốm có loại tráng men và không tráng men. Lớp men có thể được nung chảy cùng một lần với sản phẩm hoặc nung lại lần thứ hai.
Theo đặc điểm kết cấu của xương gốm, người ta phân biệt hai loại thô và tinh. Gốm thô có cấu trúc xương tạo bởi các hạt vật liệu rắn có kích thước lớn và không đồng đều (ví dụ gạch ngói, gạch chịu lửa). Gốm tinh được tạo bởi các hạt mịn và đồng đều (ví dụ sứ, gốm, corindon Al2O3).
7.2.3. Gốm ôxyt
Gốm ôxyt là gốm có thành phần hóa học là một đơn ôxyt (Al2O3 hoặc TiO2) hoặc một ôxyt phức xác định (ví dụ MgO.Al2O3, BaO.TiO2), như vậy trong thành phần không có SiO2.
Khác với gốm silicat, gốm ôxyt có độ tinh khiết hóa học cao hơn hẳn (tỷ lệ tạp chất rất thấp) và tỷ lệ pha tinh thể cũng cao hơn hẳn (tỷ lệ pha vô định hình rất thấp) để làm vật liệu kỹ thuật có độ bền nhiệt và độ bền cơ học rất cao, có các tính chất điện và từ đặc biệt. Có thể chia thành ba nhóm nhỏ.
a.Gốm ôxyt trên cơ sở các ôxyt có nhiệt độ nóng chảy cao
Với các ôxyt có nhiệt độ chảy cao tiêu biểu là Al2O3 (2050oC), MgO (2850oC), ZrO2 (2500 ữ 2600oC), MgO.Al2O3 (2135oC) bằng công nghệ gốm tinh (với độ tinh khiết > 98%), thiêu kết ở nhiệt độ cao với tổ chức tinh mịn và hầu như
toàn bộ là tổ chức một pha. Chúng bao gồm các loại sau.
Gốm corindon (Al2O3 ở dạng thù hình α) với nhiệt độ sử dụng khoảng 1900oC được dùng làm chén, nồi nấu kim loại với độ cứng HB 2000 được dùng làm vật liệu cắt, hạt mài, thậm chí cấy ghép vào xương.
Gốm pericla (MgO) với nhiệt độ sử dụng cao tới 2400oC và có tính kiềm (badơ) được dùng làm nồi nấu chảy kim loại bền với muối clorit và fluorit nóng chảy.
Gốm ziêcona (ZrO2) với nhiệt độ sử dụng cao (2300oC), gi∙n nở nhiệt ít, 20.10-7/oK, và gốm spinel (MgO.Al2O3) được dùng vào các mục đích đặc biệt ở nhiệt độ cao.
b.Gốm trên cơ sở TiO2
Gốm trên cơ sở TiO2 có các tính chất đặc biệt (điện môi, sắt từ, áp điện)
được sử dụng rộng r∙i trong kỹ thuật điện và điện tử. Có thể chỉ là đơn ôxyt như
gốm rutil (TiO2) hay có pha thêm các ôxyt khác để điều chỉnh các tính chất điện tõ.
c.Gốm trên cơ sở Fe2O3 và ôxyt kim loại nặng
Gốm trên cơ sở Fe2O3 và các ôxyt kim loại nặng khác thuộc nhóm Fe tạo ra các vật liệu bán dẫn và vật liệu từ.
MeO.Fe2O3 (trong đó Me có thể là Mn, Zn, Ni, Mg, Co, Cu, Cd, Ti...) được gọi là ferit từ hay đơn giản là ferit, thuộc loại vật liệu từ mềm, được dùng rất nhiều trong kỹ thuật điện tần số cao do có điện trở rất lớn (103 ữ 1012 Ω.cm) nên dòng fucô sinh ra rất nhỏ, tổn thất điện rất nhỏ. Một ứng dụng quan trọng của nó là làm dẫn từ ghép vào vòng cảm ứng khi nung nóng bằng dòng điện cảm ứng có tần số cao khi tôi, hàn, nấu chảy và các mục đích khác.
296
d.Gạch chịu lửa
Vật liệu chịu lửa (refractories) là loại vật liệu để xây lắp các lò (luyện kim, thủy tinh, hơi, nung kim loại, nhiệt luyện...) và thiết bị công nghiệp làm việc ở nhiệt độ cao. Theo quy ước chung một vật liệu được coi là vật liệu chịu lửa khi nó có độ chịu lửa lớn hơn 1520oC, tức nhiệt độ tại đó khối vật liệu hình chóp với kích thước quy định bị đánh gục. Vật liệu chịu lửa trên thị trường có thể ở nhiều dạng nhưng gạch là loại quan trọng và phổ biến hơn cả, được sản xuất theo công nghệ gốm thô. Đây là điểm phân biệt quan trọng với các gốm ôxyt kể trên trong khi về thành phần có thể giống nhau. Sau đây phân biệt các loại gạch chịu lửa điển hình.
Đinat (silica) với thành phần > 93% SiO2 dược sản xuất bằng phương pháp thiêu kết bột. Gạch đinat có tính axit với nhiệt độ làm việc cao (> 1550oC) dùng để xây lò coke, vòm lò thủy tinh, các vùng nung trong lò tuynen, một số lò luyện kim.
Samôt là gốm thô Al2O3 - SiO2 với nguyên liệu chính là đất sét, cao lanh.
Theo thành phần hóa học có samôt thường (30 ữ 40% Al2O3) - trung tính và samôt bán axit (chỉ chứa 20 ữ 30% Al2O3). Với độ chịu lửa tương đối tốt (~ 1400oC) tùy từng loại chúng được dùng trong lò nung clinke, khí hóa, hơi và một số lò luyện kim.
Cao alumin cũng thuộc hệ Al2O3 - SiO2 như samôt nhưng với hàm lượng Al2O3 cao hơn (45 ữ 95%) nên độ chịu lửa cao hơn (≥ 1600oC), được sử dụng khi có yêu cầu cao về độ chịu lửa mà samôt không đáp ứng nổi.
Gạch kiềm tính là hệ gạch chịu lửa có MgO với các thành phần khác nhau:
pericla hay manhêzit (MgO), pericla - crômit hay crôm - manhêzit (Cr2O3 - MgO),
đôlômit (MgO - CaO)..., chúng rất bền với xỉ kiềm là yêu cầu rất quan trọng với luyện thép và một số kim loại để có thể tạo ra xỉ kiềm (CaO), khử tạp chất có hại và cũng được dùng trong một số lò khác.
Như vậy về công dụng các gạch chịu lửa không có sự khác nhau lớn về độ chịu lửa mà chủ yếu là ở môi trường làm việc (axit, kiềm hay trung tính).
e.Vật liệu chịu lửa khác
Đó là loại không sản xuất theo phương pháp gốm mà dùng cách nấu chảy hay vẫn dùng cách thiêu kết bột như gốm nhưng nguyên liệu không phải là ôxyt.
Sản xuất theo cách nấu chảy ôxyt (trong lò điện hồ quang) được gốm thô,
độ xít chặt cao với tỷ lệ pha vô định hình thấp, có rỗ khí lớn và phân bố không đều gồm corindon (92 ữ 98% Al2O3), corindon mulit (80%Al2O3, 20% SiO2)...
Với grafit và cacbit silic (SiC) có nhiệt độ nóng chảy cao 2300 ữ 2500oC cũng có thể tạo nên vật liệu chịu lửa (bằng phương pháp thiêu kết bột) có những ứng dụng nhất định.