درک مفهوم انبساط حرارتی در لعاب های سرامیکی (بخش 1)
ساعت ۸:٤٤ ‎ق.ظ روز ۱۳٩۱/٢/٢۳   کلمات کلیدی:

اگر بخواهیم پدیده هایی هم چون ترک و خردشدن بدنه های سرامیکی را درک کنیم می بایست میزان انبساط حرارتی را بدانیم و اینکه این پارامترها چه رابطه ای با شیمی لعاب دارند و راه های محاسبه آن چیست. برای اینکه لعاب را بر روی بدنه اعمال نموده و آن را با بدنه هماهنگ کنیم راه های زیادی وجود دارد.

تقریباً تمامی بدنه های سرامیکی پخته شده هنگامی که حرارت می بینند منبسط می شوند و هم چنین به هنگام سردشدن منقبض می گردند. با توجه به اینکه بدنه های رایج و معمول از دو قسمت بدنه و لعاب که هرکدام خصوصیاتی جداگانه دارند تشکیل شده است بنابراین می بایست مشخصه های انبساطی آنها مورد بررسی قرار بگیرد. لعاب ها معمولاً بر روی بدنه اتصال داشته و در نتیجه باید خود را با تغییرات حرارتی بدنه وفق دهد. تنش هایی که به این طریق بر روی لعاب ایجاد می شود قسمتی از این موضوعی است که ما آن را "پیوند بین لعاب و بدنه" می خوانیم.

برای اینکه پیوند موفقی داشته باشیم باید دو نکته مهم را رعایت کنیم:

الف- مطابقت و سازگاری:

در پیوند بین لعاب و بدنه منحنی های انبساطی می بایست سازگاری داشته باشند. باید این نکته را در مورد بدنه های سرامیکی بدانیم که این بدنه ها در مقابل فشار مقاوم هستند اما در برابر کشش بسیار ضعیف عمل می نمایند. اگر لعاب در بدنه در هر زمان تحت کشش قرار بگیرد (به عنوان مثال در نتیجه سرد کردن ناگهانی سطح) تمایل به ایجاد شبکه ای از ترک دارد تا تنش های ایجاد شده را آزاد نماید. به همین علت اگر لعاب تحت مقدار کمی فشار باشد خوب است.

ب- اتصال مستحکم:

در اکثر موارد لایه واکنشی یا سطح مشترک یک اتصال بین بدنه و لعاب برقرار می کند. هنگامی که لایه لعاب ذوب می شود شروع به واکنش با بدنه کرده و در بدنه نفوذ می نماید و لایه ای باترکیب مابین لعاب و بدنه تشکیل می شود. دما، مدت زمان ماندن در دمای نهایی، سرعت سرد کردن، شیمی لعاب و بدنه و اندازه دانه ذرات، همه و همه بر روی ایجاد و توسعه منطقه واسط تاثیرگذارند. در بدنه های ارتن ور وجه مشترک زیاد نیست، اما در بدنه هایی که دمای پخت بالاتری دارند، همانند بدنه های پرسلانی، میزان سطح مشترک بیشتر است. لعاب های فریت شده با توجه به اینکه فعالیت بیشتری دارند، سطح مشترک بهتری ایجاد می نمایند.

ترک برداشتن سطحی (ایجاد شبکه ترک ها در سطح لعاب پخته شده) و خرد شدن (پوسته ای شدن در لبه ها و گوشه های لعاب پخته شده)  عمده ترین مشکلاتی هستند که کارشناسان خطوط تولید و آزمایشگاه معمولاً با آن مواجه می شوند. بسیاری از کارخانجات سرامیک و حتی سفالگران که به طور شخصی کار می کنند به همین دلایل بسیاری از محصولات خود را از دست می دهند و به دلایل بهداشتی و ... محصولاتشان غیرقابل عرضه می شود و متاسفانه هنوز عده ای این موضوع را باور نکرده اند.

اگر لعاب انبساط بیشتری نسبت به بدنه داشته باشد، این به این معنی است که انقباض بیشتری نیز در هنگام سرمایش خواهد داشت. این موضوع باعث می شود که لعاب تحت کشش قرار گرفته، کشیده شده و در نتیجه به هنگام سورت سایز کاشی تغییر می کند (لعاب با اندازه 6 تبدیل به سایز 5 می شود). [عموماً سرامیک ها مقاومت کششی کمی دارند] اگر تمایل دارید که لعاب هایی با ترک های ساختگی ایجاد نمایید، می توانید لایه نازکی از نفلین سیانت را که با آب مخلوط کرده اید بر روی کاشی اعمال کنید و پس از ‌آن در مخروط 10، بدنه را پخت کنید. کشش هم چنین می تواند براثر این موضوع  باشد که یک لعابِ خوب، به دلیل جذب رطوبت و انبساط بدنه تحت تاثیر کشش قرار بگیرد (پدیده انبساط رطوبتی). آب جذب شده با قلیایی ها و قلیایی های خاکی موجود در بدنه پخته شده که واکنش نکرده اند و در بدنه باقی مانده اند، واکنش می کند. فرض می شود که بدنه رسی زجاجی بوده و مواد اضافه شونده ای برای جلوگیری از این عیب به بدنه افزوده می شود.

پوسته ای شدن برعکس است (لعاب با اندازه 6 تبدیل به سایز 7 می شود) به طوری که مناطقی از لعاب نمی تواند بر روی بدنه باقی بماند و در نتیجه ورآمده و به صورت پوسته ای از سطح بدنه پخته شده جدا می شود. اگر می خواهید که طرح های زیبایی را از این طریق ایجاد نمایید، باید بدنه ای متشکل از بالکلی و سیلیکا با نسبت 50:50 تهیه نموده و لعابی با میزان فلدسپار کم بر روی آن اعمال کرده و در مخروط 10 پخت نمایید.

تصورات غلط زیادی برای حل مشکلات مربوط به ترک وجود دارد به طوری که عده ای سعی دارند به جای اینکه به دلایل واقعی یعنی عدم هماهنگی انبساط بپردازند به  موارد غیر اصولی توجه نمایند. خیلی مشکل نیست که اتصال لعاب - بدنه ای تهیه کنیم که در طی مرحله سردکردن در کوره انقباض کمی از خود نشان دهد. محدوده مناسب اتصال برای ما مقداری است که اطمینان بیابیم لعاب، به هنگام سرمایش و گرمایش و  در طول سال هایی که مورد استفاده قرار می گیرد تحت مقدار مناسبی از فشار قرار دارد. لعاب می بایست دارای سیستمی باشد که مقداری فشار بر لعاب وارد نماید که به همراه لایه های میانی توانایی نگهداری لعاب در طول مدت زمان زیاد مورد استفاده را داشته باشد. بنابراین تنش فشاری، عاملی کمک کننده برای پایداری پیوند بین لعاب و بدنه، هنگامی که در زمان مصرف تحت تاثیر حرارت قرار می گیرد، محسوب می شود.

 

روش های مناسب سازی لعاب ها (جهت اتصال مناسب لعاب و بدنه)

دیلاتومتری

اگر از ابزاری هم چون دیلاتومتر استفاده می نمایید، می توانید در مورد پدیده انبساط حرارتی دید وسیع تری داشته باشید. این ابزار، وسیله ای استاندارد برای اندازه گیری ضریب انبساط حرارتی نمونه های کوچک از دمای اتاق تا دمای مورد نظر برای لعاب و یا برای بدنه است. این وسیله متشکل از یک کوره کوچک است که در آن یک میله کوچک ساخته شده از بدنه و یا لعاب حرارت می بیند. میله در درون یک لوله دیرگداز به همراه یک میله حساس به مقدار حرکت قرار داده شده است. (نمونه دستگاه های جدید با نور لیزر کار می کند). تغییرات طول با توجه به میزان ثابت افزایش دما از دمای اتاق تا دمای نرم شوندگی لعاب ثبت شده و به شکل منحنی دیلاتومتری نشان داده می شود.

منحنی افزایش دمای دیلاتومتری را به صورت معکوس درنظر بگیرید: در سرمایش، شیشه ذوب شده در نقطه نرم شوندگی تبدیل به جامد می شود. از اینجاست که بدنه قابلیت انتقال تنش ها را به شیشه به دست می آورد. مجموع انبساط حرارتی براساس درصد افزایش طول میله در همین دما محاسبه می شود. به دلیل اینکه لعاب ها دماهای پخت متفاوتی دارند، استاندارد مفید و سودمندی تهیه شده است: مجموع انبساط را بر عدد درجه دماهایی که برای تولید محصول گرفته می شود تقسیم کنید (در هنگامی که منحنی اغلب به صورت خطی است این محدوده قابل قبول است). به این ترتیب می توان تغییرات طول را برحسب دما (درجه سانتیگراد) محاسبه نمود. برای نمونه های سرامیکی محدوده دسیمال (6-10) مورد استفاده قرار می گیرد. به این ترتیب انبساط 7 در حقیقت 6-10 × 7 (برحسب اینچ بر درجه سانتیگراد و یا سانتیمتر بر درجه سانتیگراد به صورت اختیاری).

همانگونه که توضیح دادیم، یک لعاب ایده آل می بایست ضریب انبساط، کمتری نسبت به بدنه داشته باشد تا لعاب مقداری تحت تنش فشاری قرار بگیرد و بنابراین متخصصین می بایست متغیرهای منحنی دیلاتومتری را طوری درنظر بگیرند که مسیر منحنی لعاب کمی پایین تر از بدنه باشد. اما سئوال این است که چه میزان پاین تر از بدنه؟ این مقدار بستگی به نوع لعاب لعاب و بدنه ای دارد که در شرکت های مختلف مورد مصرف قرار می گیرد تا لعاب مناسبی تولید شود.

نکته جالب توجه این است که اگرچه دیلاتومتری یک دید ترسیمی از تاریخچه انبساط حرارتی لعاب و بدنه ارائه می نماید، اما متخصصین هنوز به دنبال راه حلی برای درک بهتر رابطه بین منحنی بدنه و لعاب می گردند. اما این کار را چگونه انجام می دهند؟

 

روش های دیگر آزمایش

 آنها می بایست قطعات را تحت تنش های حرارتی زیاد و آزمایش های مکانیکی قرار دهند تا بتوانند به راه حلی برای کاهش ترک برسند. متخصصین به مرور زمان و براثر تجربه و ثبت نتایج آزمون های مختلف به دانشی در مورد نسبت بین لعاب و بدنه دست یافتند اما پس از اینکه دستگاه دیلاتومتری عرضه شد، به وسیله منحنی دیلاتومتری و بدون نیاز به انجام آزمون های دیگر این کار صورت می گرفت.

تست های صنعتی مربوط به مناسب سازی لعاب برای اعمال بر روی بدنه آنقدرها هم پیچیده نیست. آزمایش اسید [برای بررسی مقاومت شیمیایی] [و هم چنین اتوکلاو و شوک حرارتی] برای بررسی نقش تنش در پیوند بین لعاب و بدنه  تا چه حد معتبر است؟ به عنوان مثال، نمونه های چندتایی از بدنه های لعابدار به طور مکرر در معرض بخار در اتمسفر و فشارهای بالا، حرارت دیدن در هوا و یا آب جوش و سپس سرد کردن سریع در آب سرد قرار می گیرند. بنابراین لازم است که استانداردی برای این منظور درنظر گرفته شود به طوری که مطمئن شویم قطعات، به صورت کامل در هرسیکل حرارت دیده اند و سرد شده اند و نتایج به طور صحیح ثبت شده اند. متخصصین می بایست این قابلیت را داشته باشند که نتایج آزمون ها را به نتایج مورد نظر در سیستم مربوط سازند. در بدنه های با جذب آب [بالا]، بسیار مهم است که بدانیم انبساط بدنه همراه با جذب آب اتفاق می افتد. در آزمایش بالا فاکتور مهم قرار گرفتن به مدت زمان طولانی در معرض گرما و هم چنین سردشدن تمام و کمال قطعه است. (حتی عده ای قطعات را در فریزر و در زیر دمای یخ زدگی آب قرار می دهند). عده ای استاندارد را به صورت سیکل پنج دقیقه ای آب سرد – آب گرم  قرار داده اند.

آزمایش دوم اندازه گیری استحکام پخت است. برای این کار یک نمونه میله ای از نمونه لعاب زده و پخته شده و سپس در دستگاهی که نیروی شکسته شدن قطعه را محاسبه می کند شکسته می شود. سپس میانگین استحکام بدنه های لعابدار با بدنه های بدون لعاب مورد مقایسه قرار می گیرد. در این روش شما می توانید استحکام تغییر یافته براثر تغییر فرمولاسیون و تغییر انبساط لعاب را مقایسه نمایید. باید قطعه مورد نظر استحکام بالایی داشته باشد و لعاب نیز تحت تنش فشاری خیلی زیادی قرار نگیرد. در این حالت شما ممکن است در بیرون کوره به استحکام های بالایی دست پیدا نمایید، اما ممکن است پس از مدت زمان طولانی مصرف شرایط به کلی تغییر کند.