درک مفهوم انبساط حرارتی در لعاب های سرامیکی

استفاده از محاسبات برای مناسب سازی لعاب

ممکن است منطقی به نظر برسد که ما انبساط حرارتی تمام موادی را که در در لعاب خود مورد استفاده قرار داده ایم را محاسبه و سپس جمع کرده و بسته به درصد استفاده آنها در لعاب، انبساط حرارتی لعاب محاسبه شود. اما این روش زیاد صحیح نیست. مشکل محاسبه انبساط لعاب از مواد اولیه، این است که در مورد اولیه، اعداد و ارقام موجود، مربوط به ساختار کریستالی و مینرالوژیکی ماده است (یا شاید بهتر است بنویسیم مربوط به ذرات ماده است) و مربوط به شیمی ماده نمی باشد. یک مثال کلاسیک در این مورد کربن است. گرافیت یک ماده نرم است که به عنوان روانساز به کار می رود و الماس سخت ترین ماده ای است که در جهان وجود دارد. هردور این مواد یک فرمول شیمایی دارند، اما ساختار مینرالوژیکی متفاوت دارند. در صنعت سرامیک مثال کلاسیک پودر سیلیس است. این ماده انبساط حرارتی بسیار زیادی دارد و می توان گفت بیشترین میزان انبساط حرارتی را دارد. سیلیکای فیوز شده (سیلیکایی که ذوب شده باشد و سریعاً قبل از اینکه کریستالیزه شده باشد، سرد شده باشد) میزان انبساط حرارتی بسیار کمی دارد و جزء مواد سرامیکی ای محسوب می شود که کمترین میزان انبساط حرارتی را دارد. [این درحالی است که هردو از SiO2 تشکیل شده اند].

چگونه چنین چیزی ممکن است؟

جواب این است که کوارتز شکل کریستالی دارد و این در حالی است که سیلیکای فیوز شده شیشه است و این درحالی است که ماهیت شیمیایی هردو کاملاً یکسان است. این موارد ذکر شده را می توان تقریباً برای تمام مواد کریستالی دیگر نیز تکرارپذیر دانست. حال به علت اینکه اغلب مواد، مخلوطی از مینرال های مختلف هستند و حتی ممکن است مخلوطی از انواع مختلفی از یک نوع مینرال باشند.

لعاب پخته شده در حقیقت ماهیت شیشه ای دارد و به صورت کریستالی نیست [مگر به صورت دلخواه و برای ایجاد افکت کریستالیزه شود]. بنابراین میزان انبساط آن به صورت تئوریک برابر است با مجموع انبساط اکسیدهایی که آن را تشکیل داده اند. هر ماده ای یک یا چند اکسید را به ترکیب قطعه مورد نظر وارد می کند و حتی ممکن است یک اکسید توسط چند ماده تامین شود [به عنوان مثال SiO2 می تواند توسط سیلیس، فلدسپار و یا ... اضافه شود]. بنابراین محاسبه انبساط لعاب از طریق درصد اکسیدها عملی است (البته می بایست در این مورد احتیاط کرد که بعداً توضیح داده خواهد شد). انبساط هرکدام از اکسیدها (میزان انبساط اکسیدهای سرامیکی، به خصوص انواع معروف آنها، کاملاً شناخته شده و مشخص است) و محاسبه انبساط لعاب از طریق فرمول آن ممکن است.

برای اینکه به نتایج موثرتر و قابل قبول تری برسیم می بایست محدودیت های این روش را بدانیم. نخست اینکه، نمی توان به طور دقیق و درست ضریب انبساط حرارتی را محاسبه نمود. تکنیک های ریاضی مختلفی ایجاد شده است که نتایج خوبی ارائه می کند ولی هنوز یک روش عمومی که در همه جا کاربرد داشته باشد وجود ندارد. به یاد داشته باشید که دیلاتومترها نیز مشکلات مخصوص به خود را دارند و لعاب بر روی یک قطعه ممکن است انبساط حرارتی مشابه برای نمونه آزمایشی را نشان ندهند (در هنگام تنوع نتایج).

روش افزودنی محاسبه انبساط، رایج بوده و کاملاً قابل انجام است. هم چنین تفاوت بین انبساط های اکسیدها آنقدر زیاد است که قطعآً محاسبات جهت دار خواهد بود. با این وجود به یاد داشته باشید که: محاسبات نسبی بوده و مقدار انبساط حرارتی به دست آمده قطعی نمی باشد. اما سئوالی در اینجا مطرح می گردد این است که آیا این نتایج همان اعدادی هستند که ما به آنها نیاز داریم؟ یعنی اگر لعابی دارای ترک بود، می بایست ضریب انبساط حرارتی آن را کاهش دهیم. آیا ما به اعداد قطعی نیاز داریم تا ضریب انبساط حرارتی لعاب و رس را نمایش دهیم؟ پاسخ این سئوال منفی است و به همین دلیل انبساط حرارتی محاسبه شده کاملاً موثر عمل می کند و اکسیدهایی که موجب کاهش و یا افزایش آن می شوند کاملاً شناخته شده اند. این حالت مشابه این موضوع است که شما با وسیله نقلیه ای رانندگی می کنید که کیلومتر شمار آن خراب است و شما سرعت خود را براساس رفت و آمدهای اطراف خود مورد سنجش قرار دهید. دختر بچه ها معمولاً زیر سرعت مجاز و پسرهای نوجوان تمایل به رانندگی بیشتر از سرعت مجاز دارند. راه های مختلف نیز نشابه بدنه های مختلف رسی است.

حالا یک سئوال دیگر: شما برای حل مشکل ترک می بایست انبساط را به چه میزان تعدیل کنید؟ اگر لعاب شما خیلی زود و بعد از اینکه از کوره پخت بیرون آمد ترک خورد، نشانگر وجود مشکلات بزرگ و نه سطحی در لعاب است. بنابراین اگر میزان انبساط لعاب ترک خورده در این شرایط 5/7 است باید سعی کنید که آن را به 7 برسانید. بعد از آزمایش تنش، حالا می توانید آن را کاهش و یا افزایش دهید.

 

 

اهداف انبساط محاسبه شده برای بدنه های رسی

افرادی که مدت زیادی با بدنه های رسی کار کرده باشند می توانند متوجه شوند که آیا بدنه و یا لعاب جدیدی که می خواهند مورد مصرف قرار دهند، ترک می خورد یا نه. به یاد داشته باشید که به هرحال محاسبات نسبی بوده و به شرایط سیستم بستگی دارد به طوری که لعاب مات دولومیتی ممکن است نیاز به محاسبه انبساط 7 برای مچ شدن بر روی بدنه داشته باشد و این در حالی است در این حالت بلور Zinc Lithia به مقدار زیاد ایجاد نمی شود.

یک مثال برای لعاب ابریشمی مات که در مخروط 10 پخت می شود برای درک بیشتر مفهوم آورده می شود:

 

ماده اولیه

مقدار

Cluster Feldspar

33.0

Dolomite

23.0

EPK Kaolin

22.0

Silica

22.0

 

آنالیز فرمولی و درصدی:

درصد

فرمول

اکسید

33/8

41/0

CaO

90/5

41/0

MgO

97/3

12/0

K2O

16/1

05/0

Na2O

23/0

0

Fe2O3

09/0

0

TiO2

05/0

0

P2O5

25/16

44/0

Al2O3

02/64

98/2

SiO2

Cost/Kg = 0.23 و Ratio= 6.70 و Expan=6.45

 

شرکتی که از این نوع لعاب استفاده می کند آن را برای استفاده در بدنه های قهوه ای رنگ حاوی آهن که در محیط احیایی و مخروط 10 مناسب ارزیابی کرده است. این لعاب نه تنها ترک نمی خورد بلکه می تواند استحکام بدنه را نیز افزایش دهد. این موضوع اهمیت دارد به دلیل اینکه این قبیل بدنه ها معمولاً از نظر استحکام ضعیف عمل می کنند. (مشخصه بدنه های حاوی آهن معمولاً رنگ های گرم آنهاست و معمولاً زجاجی شدن در این بدنه ها کم است). اگر لعاب بر روی بدنه مچ نباشد می تواند استحکام را کاهش دهد اما اگر لعاب بر روی بدنه بهخوبی جفت و جور شود می تواند استحکام را افزایش دهد. محصولات تولیدی این کارخانه نسبت به محصولات مشابه که از بدنه های رسی محکم تر استفاده می کردند ولی لعاب آن بدنه ها به خوبی بر روی بدنه جفت و جور نمی شد، بادوام تر است.

اگر لعابی خوب عمل نمود، انبساط محاسبه شده هر لعاب دیگری که در آن از همان مواد و یا مواد مشابه استفاده شده است می تواند مورد مقایسه قرار گرفته تا بتوان نتیجه گیری قابل قبولی در این مورد انجام شود.

اگرچه متخصصین کارخانجاتی که مجهز به دیلاتومتری هستند، می توانند بین آزمون های تنش حرارتی، استحکام برای هماهنگی و اتصال مناسب لعاب بر روی بدنه و انبساط اندازه گیری شده واقعی ارتباط برقرار کنند و اعداد محاسبه شده را به دست آورند. اما این روش با جود اینکه کاملاً دقیق نیست اما انعطاف پذیری بیشتری داشته و می توان پیش بینی نمود که محصولات بدون اینکه نیاز به پخت نمونه ها داشته باشد و اندازه گیری شوند، چه خصوصیاتی خواهند داشت.

انبساط چگونه محاسبه می شود؟

نشان داده شده است که انبساط حرارتی اغلب یک خصوصیت افزاینده است. این به این معنی است که دانستن میزان انبساط اکسیدهای تشکیل دهنده لعاب می تواند این امکان را فراهم سازد که بتوانیم انبساط لعاب را با یک محاسبه ساده تعیین نماییم. معادله انبساط لعاب های محاسبه شده (G) برابر است با:

G=Ea × Pa + Eb × Pb + Ec × Pc etc

که در این فرمول a، b و c اکسیدهای مورد استفاده در لعاب  E میزان انبساط اجزاء و P نیز درصد هر اکسید در لعاب است. به عنوان مثال اگر لعابی شامل 50 درصد اکسید  aبا انبساط 5 و 50 درصد اکسید b با انبساط 10 باشد میزان انبساط از رابطه زیر محاسبه می شود:

0.50 × 5) + (0.50 × 10) = 7.5)

به یاد داشته باشید که این روش، یک روش تقریبی برای محاسبه لعاب است به طوری که فاکتورهای دیگر به خصوص برهم کنش بین ترکیب های اکسیدهای مختلف نیز تاثیرگذار است. مشکلی که در اینجا وجود دارد این است که میزان انبساط حرارتی که از منابع مختلف برای مواد گزارش می شود نیز می تواند متفاوت باشد و یا ممکن است واحد آن متفاوت باشد، براساس فرمول مولی باشد و یا آنالیز درصدی. بنابراین تهیه میانگین از داده ها نیز ممکن است با مشکل مواجه شود. به طور نسبی می توان اینطور نتیجه گیری کرد که در حدود 90 درصد در لعاب ها Na2O و K2O موجب افزایش انبساط حرارتی، CaO متعادل کننده و MgO، Al2O3،  SiO2وB2O3 ضریب انبساط را کاهش می دهند. البته بی قاعدگی هایی نیز وجود دارند و می بایست شکل های انبساط محاسبه شده با  مقدار انبساط فیزیکی مورد مقایسه قرار بگیرد. معمولاً این بی قاعدگی ها به هنگام استفاده از فریت و مخصوصاً فریت های حاوی بور و لیتیم با میزان بالا اتفاق می افتد.

صنایع شیشه های هنری و سازندگان فریت

برای هنرمندان شیشه گر نیز موضوع انبساط حرارتی اهمیت زیادی دارد، زیرا آنها می خواهند قطعات خود را که معمولاً ضخیم نیز هستند را در مدت زمان چند دقیقه به جای سرد کردن در چند ساعت، سرد کنند. شیشه های مورد استفاده آنان معمولاً در چندین رنگ و هم چنین فرمول های شیمیایی متفاوت به یکدیگر متصل  می شوند. بنابراین می بایست هنگامی که سرد می شوند ضریب انبساط مناسب و هماهنگی داشته باشند تا ترک نخورد. به عنوان مثال در شیشه های سودا یا کربنات سدیم میزان انبساط 7-10×90 است. تنش ها معمولاً براثر سرد و گرم کردن نمونه ها بر روی قطعه ایجاد می شود و در نتیجه قطعه مورد نظر ترک می خورد.

معمولاً هنگامی که از شرکتی فریت خریداری می کنید می بایست اعداد مربوط به انبساط را نیز بگیرید. ممکن است این محاسبات به وسیله دیلاتومتر و یا محاسبه تهیه شده باشد. شرکت Ferro محاسبات خود را برحسب درجه سانتیگراد بیان می کند و به صورت  COE×10-6 نمایش می دهد. پس از اینکه انبساط حرارتی لعاب و یا فریت در آزمایشگاه محاسبه شد، انبساط حرارتی در دمای بین 0 تا 450 درجه سانتیگراد و با استفاده از سرعت گرمایش سه درجه سانتیگراد بر دقیقه مدنظر قرار می گیرد.

 از نظراتتون متشکرم

 

فیروز رضائی ; ٢:٢٤ ‎ب.ظ ; ۱۳٩٠/۱/۳۱