علم سرامیک

اگر بخواهيم پديده هايي هم چون ترك و خردشدن بدنه هاي سراميكي را درك كنيم مي بايست ميزان انبساط حرارتي را بدانيم و اينكه اين پارامترها چه رابطه اي با شيمي لعاب دارند و راه هاي محاسبه آن چيست. براي اينكه لعاب را بر روي بدنه اعمال نموده و آن را با بدنه هماهنگ كنيم راه هاي زيادي وجود دارد.

تقريباً تمامي بدنه هاي سراميكي پخته شده هنگامي كه حرارت مي بينند منبسط مي شوند و هم چنين به هنگام سردشدن منقبض مي گردند. با توجه به اينكه بدنه هاي رايج و معمول از دو قسمت بدنه و لعاب كه هركدام خصوصياتي جداگانه دارند تشكيل شده است بنابراين مي بايست مشخصه هاي انبساطي آنها مورد بررسي قرار بگيرد. لعاب ها معمولاً بر روي بدنه اتصال داشته و در نتيجه بايد خود را با تغييرات حرارتي بدنه وفق دهد. تنش هايي كه به اين طريق بر روي لعاب ايجاد مي شود قسمتي از اين موضوعي است كه ما آن را "پيوند بين لعاب و بدنه" مي خوانيم.

براي اينكه پيوند موفقي داشته باشيم بايد دو نكته مهم را رعايت كنيم:

الف- مطابقت و سازگاري:

در پيوند بين لعاب و بدنه منحني هاي انبساطي مي بايست سازگاري داشته باشند. بايد اين نكته را در مورد بدنه هاي سراميكي بدانيم كه اين بدنه ها در مقابل فشار مقاوم هستند اما در برابر كشش بسيار ضعيف عمل مي نمايند. اگر لعاب در بدنه در هر زمان تحت كشش قرار بگيرد (به عنوان مثال در نتيجه سرد كردن ناگهاني سطح) تمايل به ايجاد شبكه اي از ترك دارد تا تنش هاي ايجاد شده را آزاد نمايد. به همين علت اگر لعاب تحت مقدار كمي فشار باشد خوب است.

ب- اتصال مستحكم:

در اكثر موارد لايه واكنشي يا سطح مشترك يك اتصال بين بدنه و لعاب برقرار مي كند. هنگامي كه لايه لعاب ذوب مي شود شروع به واكنش با بدنه كرده و در بدنه نفوذ مي نمايد و لايه اي باتركيب مابين لعاب و بدنه تشكيل مي شود. دما، مدت زمان ماندن در دماي نهايي، سرعت سرد كردن، شيمي لعاب و بدنه و اندازه دانه ذرات، همه و همه بر روي ايجاد و توسعه منطقه واسط تاثيرگذارند. در بدنه هاي ارتن ور وجه مشترك زياد نيست، اما در بدنه هايي كه دماي پخت بالاتري دارند، همانند بدنه هاي پرسلاني، ميزان سطح مشترك بيشتر است. لعاب هاي فريت شده با توجه به اينكه فعاليت بيشتري دارند، سطح مشترك بهتري ايجاد مي نمايند.

ترك برداشتن سطحي (ايجاد شبكه ترك ها در سطح لعاب پخته شده) و خرد شدن (پوسته اي شدن در لبه ها و گوشه هاي لعاب پخته شده)  عمده ترين مشكلاتي هستند كه كارشناسان خطوط توليد و آزمايشگاه معمولاً با آن مواجه مي شوند. بسياري از كارخانجات سراميك و حتي سفالگران كه به طور شخصي كار مي كنند به همين دلايل بسياري از محصولات خود را از دست مي دهند و به دلايل بهداشتي و ... محصولاتشان غيرقابل عرضه مي شود و متاسفانه هنوز عده اي اين موضوع را باور نكرده اند.

اگر لعاب انبساط بيشتري نسبت به بدنه داشته باشد، اين به اين معني است كه انقباض بيشتري نيز در هنگام سرمايش خواهد داشت. اين موضوع باعث مي شود كه لعاب تحت كشش قرار گرفته، كشيده شده و در نتيجه به هنگام سورت سايز كاشي تغيير مي كند (لعاب با اندازه 6 تبديل به سايز 5 مي شود). [عموماً سراميك ها مقاومت كششي كمي دارند] اگر تمايل داريد كه لعاب هايي با ترك هاي ساختگي ايجاد نماييد، مي توانيد لايه نازكي از نفلين سيانت را كه با آب مخلوط كرده ايد بر روي كاشي اعمال كنيد و پس از ‌آن در مخروط 10، بدنه را پخت كنيد. كشش هم چنين مي تواند براثر اين موضوع  باشد كه يك لعابِ خوب، به دليل جذب رطوبت و انبساط بدنه تحت تاثير كشش قرار بگيرد (پديده انبساط رطوبتي). آب جذب شده با قليايي ها و قليايي هاي خاكي موجود در بدنه پخته شده كه واكنش نكرده اند و در بدنه باقي مانده اند، واكنش مي كند. فرض مي شود كه بدنه رسي زجاجي بوده و مواد اضافه شونده اي براي جلوگيري از اين عيب به بدنه افزوده مي شود.

پوسته اي شدن برعكس است (لعاب با اندازه 6 تبديل به سايز 7 مي شود) به طوري كه مناطقي از لعاب نمي تواند بر روي بدنه باقي بماند و در نتيجه ورآمده و به صورت پوسته اي از سطح بدنه پخته شده جدا مي شود. اگر مي خواهيد كه طرح هاي زيبايي را از اين طريق ايجاد نماييد، بايد بدنه اي متشكل از بالكلي و سيليكا با نسبت 50:50 تهيه نموده و لعابي با ميزان فلدسپار كم بر روي آن اعمال كرده و در مخروط 10 پخت نماييد.

تصورات غلط زيادي براي حل مشكلات مربوط به ترك وجود دارد به طوري كه عده اي سعي دارند به جاي اينكه به دلايل واقعي يعني عدم هماهنگي انبساط بپردازند به  موارد غير اصولي توجه نمايند. خيلي مشكل نيست كه اتصال لعاب - بدنه اي تهيه كنيم كه در طي مرحله سردكردن در كوره انقباض كمي از خود نشان دهد. محدوده مناسب اتصال براي ما مقداري است كه اطمينان بيابيم لعاب، به هنگام سرمايش و گرمايش و  در طول سال هايي كه مورد استفاده قرار مي گيرد تحت مقدار مناسبي از فشار قرار دارد. لعاب مي بايست داراي سيستمي باشد كه مقداري فشار بر لعاب وارد نمايد كه به همراه لايه هاي مياني توانايي نگهداري لعاب در طول مدت زمان زياد مورد استفاده را داشته باشد. بنابراين تنش فشاري، عاملي كمك كننده براي پايداري پيوند بين لعاب و بدنه، هنگامي كه در زمان مصرف تحت تاثير حرارت قرار مي گيرد، محسوب مي شود.

روش هاي مناسب سازي لعاب ها (جهت اتصال مناسب لعاب و بدنه)

ديلاتومتري

اگر از ابزاري هم چون ديلاتومتر استفاده مي نماييد، مي توانيد در مورد پديده انبساط حرارتي ديد وسيع تري داشته باشيد. اين ابزار، وسيله اي استاندارد براي اندازه گيري ضريب انبساط حرارتي نمونه هاي كوچك از دماي اتاق تا دماي مورد نظر براي لعاب و يا براي بدنه است. اين وسيله متشكل از يك كوره كوچك است كه در آن يك ميله كوچك ساخته شده از بدنه و يا لعاب حرارت مي بيند. ميله در درون يك لوله ديرگداز به همراه يك ميله حساس به مقدار حركت قرار داده شده است. (نمونه دستگاه هاي جديد با نور ليزر كار مي كند). تغييرات طول با توجه به ميزان ثابت افزايش دما از دماي اتاق تا دماي نرم شوندگي لعاب ثبت شده و به شكل منحني ديلاتومتري نشان داده مي شود.

منحني افزايش دماي ديلاتومتري را به صورت معكوس درنظر بگيريد: در سرمايش، شيشه ذوب شده در نقطه نرم شوندگي تبديل به جامد مي شود. از اينجاست كه بدنه قابليت انتقال تنش ها را به شيشه به دست مي آورد. مجموع انبساط حرارتي براساس درصد افزايش طول ميله در همين دما محاسبه مي شود. به دليل اينكه لعاب ها دماهاي پخت متفاوتي دارند، استاندارد مفيد و سودمندي تهيه شده است: مجموع انبساط را بر عدد درجه دماهايي كه براي توليد محصول گرفته مي شود تقسيم كنيد (در هنگامي كه منحني اغلب به صورت خطي است اين محدوده قابل قبول است). به اين ترتيب مي توان تغييرات طول را برحسب دما (درجه سانتيگراد) محاسبه نمود. براي نمونه هاي سراميكي محدوده دسيمال (^6-10) مورد استفاده قرار مي گيرد. به اين ترتيب انبساط 7 در حقيقت ^6-10 × 7 (برحسب اينچ بر درجه سانتيگراد و يا سانتيمتر بر درجه سانتيگراد به صورت اختياري).

همانگونه كه توضيح داديم، يك لعاب ايده آل مي بايست ضريب انبساط، كمتري نسبت به بدنه داشته باشد تا لعاب مقداري تحت تنش فشاري قرار بگيرد و بنابراين متخصصين مي بايست متغيرهاي منحني ديلاتومتري را طوري درنظر بگيرند كه مسير منحني لعاب كمي پايين تر از بدنه باشد. اما سئوال اين است كه چه ميزان پاين تر از بدنه؟ اين مقدار بستگي به نوع لعاب لعاب و بدنه اي دارد كه در شركت هاي مختلف مورد مصرف قرار مي گيرد تا لعاب مناسبي توليد شود.

نكته جالب توجه اين است كه اگرچه ديلاتومتري يك ديد ترسيمي از تاريخچه انبساط حرارتي لعاب و بدنه ارائه مي نمايد، اما متخصصين هنوز به دنبال راه حلي براي درك بهتر رابطه بين منحني بدنه و لعاب مي گردند. اما اين كار را چگونه انجام مي دهند؟

روش هاي ديگر آزمايش

 آنها مي بايست قطعات را تحت تنش هاي حرارتي زياد و آزمايش هاي مكانيكي قرار دهند تا بتوانند به راه حلي براي كاهش ترك برسند. متخصصين به مرور زمان و براثر تجربه و ثبت نتايج آزمون هاي مختلف به دانشي در مورد نسبت بين لعاب و بدنه دست يافتند اما پس از اينكه دستگاه ديلاتومتري عرضه شد، به وسيله منحني ديلاتومتري و بدون نياز به انجام آزمون هاي ديگر اين كار صورت مي گرفت.

تست هاي صنعتي مربوط به مناسب سازي لعاب براي اعمال بر روي بدنه آنقدرها هم پيچيده نيست. آزمايش اسيد [براي بررسي مقاومت شيميايي] [و هم چنين اتوكلاو و شوك حرارتي] براي بررسي نقش تنش در پيوند بين لعاب و بدنه  تا چه حد معتبر است؟ به عنوان مثال، نمونه هاي چندتايي از بدنه هاي لعابدار به طور مكرر در معرض بخار در اتمسفر و فشارهاي بالا، حرارت ديدن در هوا و يا آب جوش و سپس سرد كردن سريع در آب سرد قرار مي گيرند. بنابراين لازم است كه استانداردي براي اين منظور درنظر گرفته شود به طوري كه مطمئن شويم قطعات، به صورت كامل در هرسيكل حرارت ديده اند و سرد شده اند و نتايج به طور صحيح ثبت شده اند. متخصصين مي بايست اين قابليت را داشته باشند كه نتايج آزمون ها را به نتايج مورد نظر در سيستم مربوط سازند. در بدنه هاي با جذب آب [بالا]، بسيار مهم است كه بدانيم انبساط بدنه همراه با جذب آب اتفاق مي افتد. در آزمايش بالا فاكتور مهم قرار گرفتن به مدت زمان طولاني در معرض گرما و هم چنين سردشدن تمام و كمال قطعه است. (حتي عده اي قطعات را در فريزر و در زير دماي يخ زدگي آب قرار مي دهند). عده اي استاندارد را به صورت سيكل پنج دقيقه اي آب سرد – آب گرم  قرار داده اند.