Обжиг абразивных изделий

Под термином «обжиг» понимается процесс нагревания изделия до некоторой заданной температуры, выдерживания его при этой температуре в течение определенного промежутка времени с последующим охлаждением до комнатной температуры.

Цель обжига — вызвать желательные физико-химические изменения в материале черепка, которые обусловливают получение определенных, заранее заданных свойств.

Режим обжига характеризуется: скоростью подъема температуры; конечной температурой обжига; длительностью выдержки при конечной температуре; средой (составом газов), в которой происходит обжиг; давлением (отрицательным или положительным) в печи. Режим охлаждения изделий после их обжига характеризуется только скоростью падения температуры.

Режим обжига должен быть выбран в соответствии с намеченной целью и помимо обеспечения прочности черепка исключать образование брака в изделиях в виде трешин, выпучивания, деформации и т. п.

Весь режим обжига по времени делится на три главных периода: нагревание от комнатной температуры до максимальной температуры обжига, выдержка при этой температуре и охлаждение от температуры обжига до комнатной 1187|.

К этому основному делению можно добавить, что бывает полезно первый и третий периоды — нагрев и охлаждение — разбить каждый на две части, одна из которых захватывает область низких температур, при которых изделие можно рассматривать как твердое хрупкое тело, другая — область более высоких температур, при которых изделие теряет свою хрупкость и приобретает некоторую пластичность, до максимальной температуры обжига, при которой заканчиваются все физико-химические процессы. Это деление удобно применять при рассмотрении физико-механических напряжений, возникающих в изделиях при обжиге.

Возможны и другие основания для подразделения на отдельные периоды. Так, например, можно делить обжиг на периоды, при которых имеют место только физические изменения, и периоды, в течение которых в черепке наблюдаются химические изменения в результате взаимодействия компонентов связки с абразивным материалом.

Следует отметить, что резкого деления на указанные периоды практически не существует как потому, что изделие в различных своих частях в большинстве случаев имеет различную температуру, так и потому, что те или иные изменения свойств абразивного черепка происходят постепенно, и очень трудно точно установить температуру, при которой круг из хрупкого состояния переходит в пластичное состояние.

Скорость подъема температуры при обжиге абразивных кругов зависит прежде всего от выбранного способа их постановки на печные вагонетки, определяюшего равномерность нагревания (омывание горячими газами) изделия. При одностороннем нагревании, во избежание значительного перепада температур между периферией кругов и их центральной частью, скорость подъема температур устанавливают сравнительно небольшой, а выдержку при конечной температуре довольно значительной. Как скорость подъема температуры, так и длительность выдержки зависят от размеров изделия, в частности от диаметра кругов: чем больше диаметр кругов, тем меньше скорость подъема температуры и продолжительнее выдержка.

Длительность обжига зависит также от теплопроводности изделий. Изделия из карбида кремния могут быть обожжены по более короткому режиму, чем изделия из электрокорунда, так как теплопроводность карбид-кремниевых изделий значительно выше электрокорундовых. Мелкозернистые изделия, особенно содержащие большие количества связки, о чем уже указывалось, требуют удлиненного режима обжига.

При двухстороннем обогреве изделий (с пропуском газов через отверстие кругов) длительность обжига значительно меньше, так как в этом случае приходится нагревать меньшие объемы — наиболее холодная часть находится не в центре круга, а в точке полуразности диаметров круга и отверстия.

Наиболее коротким может быть обжиг при условии, когда изделие в виде круга нагревается одинаково со всех сторон, как в направлении, перпендикулярном плоскости круга, так и по окружности. Скорость подъема температуры, исходя из указанных зависимостей (размеры, способ постановки, обогрев), различна и колеблется от 5 до 150 °C в час и более. Также различно и время выдержки при конечной температуре, которое колеблется от 1 и примерно до 20−24 ч. Конечная температура обжига, как уже говорилось, зависит от свойств и особенностей связки и может находиться в пределах 1000−1300 °С.

Важное значение для правильного ведения процесса имеет также газовая среда (состав газов) в туннеле печи или камере. Среда, в которой происходит обжиг, начиная с температуры около 850 °C и выше, создается преимущественно окислительная, особенно при обжиге изделий из карбида кремния, с учетом того, что последний частично подвергается разложению.

Состав газов при таком обжиге должен быть примерно такой: 6−10% 0₂ и 5—И % С0₂ по объему. Удовлетворительной средой при обжиге электрокорундовых изделий следует считать состав газов (в верхней половине туннельной печи) при 1000 °C таким: 14% СО-, 19 % (СО-, + О-,), а при 1200−1250 °С таким: 18−19% СО, и 12−14% (С0₂ +‘0₂).

Давление газа в верхней части туннельной печи положительное (около 0,7 мм вод. ст. и несколько ниже), а в нижней части, в зоне подогрева, — отрицательное. В печах периодического действия давление, замеряемое на поду, положительное, колеблющееся от 0 до 2,0 мм вод. ст.

Режим охлаждения — заданное снижение температуры в единицу времени зависит от размеров охлаждаемых изделий. Так как охлаждение кругов происходит главным образом с периферии, то чем больше размеры (диаметр) кругов, тем меньше должна быть скорость падения температуры.

В туннельных печах средняя скорость охлаждения значительно выше (иногда почти вдвое и даже более), чем в периодических.

В начале охлаждения, когда изделия находятся еще в размягченном состоянии, скорость падения температуры может быть относительно большая. С момента начала затвердевания до полного затвердевания всей массы изделия скорость охлаждения, во избежание образования напряжений в изделиях, значительно сокращается. При достижении сравнительно низких температур осуществляется более интенсивное принудительное охлаждение с помощью вентиляционных устройств, отсасывающих горячий воздух из печного пространства или нагнетающих в печь холодный воздух.

Температура 40—50 °С в камере печи периодического действия, где охлаждаются изделия, считается вполне допустимой для разгрузки изделий в помещении цеха, температура которого не ниже +5 °С.