CC BY
20
УДК 666.3.017
Павлов С.С., Макаров Н.А.
ИЗНОСОСТОЙКАЯ КЕРАМИКА НА ОСНОВЕ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ МОДИФИЦИРОВАННАЯ ЭВТЕКТИЧЕСКИМИ ДОБАВКАМИ
Павлов Степан Сергеевич, студент 1 курса магистратуры факультета ТНВиВМ; e-mail: stepanpahome@gmail.com
Макаров Николай Александрович, д.т.н., профессор кафедры Химической технологии керамики и огнеупоров. Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия.
В данной статье рассматривается использование корундовых мелющих тел, модифицированных эвтектической добавкой CaO-ZnO-Al2O3-SiO2. Произведено их сравнение с мелющими телами марки Alubit (Eвропейский Союз), путем интенсивного измельчения. Рассмотрена микроструктура, а также кинетика измельчения образцов. Установлено, что максимальная удельная поверхность при помоле электроплавленного корунда наблюдалась при его измельчении мелющими телами Ш-4.
Ключевые слова: эвтектические добавки, измельчение, микроструктура, спекание.
WEAR RESISTANT CERAMIC BASED ON ALUMINA MODIFIED WITH EUTECTIC ADDITIVES
Pavlov Stepan Sergeevich, Makarov Nikolay Aleksandrovich
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
This article discusses the use of corundum grinding media modified with the eutectic CaO-ZnO-Al2O3-SiO2 additive. They were compared with grinding media of the brand Alubit (European Union), by intensive grinding. The microstructure as well as the kinetics of sample grinding are considered. It was found that the maximum specific surface during grinding of electrofused corundum was observed when grinding it with grinding media Ш-4. Keywords: eutectic additives, grinding, microstructure, sintering.
Керамические материалы на основе корунда хорошо зарекомендовали себя на рынке конструкционных материалов. Перспективность данной керамики обусловливается высокой износостойкостью, термостойкостью и
электроизоляционными свойствами. Материалы, изготовленные их корундовой керамики, могут использоваться в качестве изоляторов и транзисторов, а также футеровок и мелющих тел, благодаря высокому уровню механических свойств. Такая керамика обладает пределом прочности при изгибе 300 - 800 МПа. Керамика на основе корунда обладает высокой термостойкостью и может использоваться при температурах 1750 - 1850 °С. Однако высокая температура спекания корундовых материалов, 1700 - 1800 °С, приводит к большим энергозатратам, а также износу печного оборудования.
Следует отметить, что износостойкость керамики определяется таким факторами как внутренние и внешние. К внутренним факторам относят структуру и свойства керамики. Внешние факторы характеризуют технологический процесс, а также конструкционные особенности помольных агрегатов, размер и форму мелющих тел. Важнейшее влияние на износостойкость данных материалов оказывает фазовый состав и микроструктура.
Основной целью данной работы является исследование износостойкости материала на основе корунда с температурой спекания не выше 1550 °С. Снизить температуру спекания можно с помощью трех основных способов: введение
модифицирующих добавок, увеличение
дисперсности порошка и внесение дефектов в кристаллическую решетку [1, 2].
В данной работе были изготовлены корундовые мелющие тела с эвтектической добавкой в системе CaO-ZnO-Al2O3-SiO2. В качестве исходного сырья использовали глинозем марки ГН-1, с содержанием корунда 95%, а также четырехкомпонентную эвтектическую добавку. Количество примесей в глиноземе- 1-2 %. Примеси в связанном состоянии содержат оксиды кремния, железа и кальция, а также щелочноземельных металлов. Синтез
модифицированной добавки проводили при смешении таких компонентов как оксид цинка (2?1С), тальк (3МдО ■ 4БЮ2 ■ Н2 О), каолин, основной минерал которого - каолинит ■ 25 Ю2 ■ 2Н20),
бентонит и доломит ( СаМд(С03)2 )• ® работе использовали мелющие тела двух различных составов - Ш-4 и Ш-5. Рассмотрено влияние эвтектической добавки на структурные свойства полученного материала.
В качестве временной технологической связки был использован поливиниловый спирт (ПВС) со следующими характеристиками: молекулярная масса - 55000-60000 у.е.; температура стеклования - 358 °С; интервал разложения - 200-600 °С.
Важнейшей задачей было снижение температуры спекания до 1450-1550 °С, при этом сохраняя высокие физико-механические свойства материала. Введенная четырехкомпонентная добавка позволила снизить температуру спекания на 200 °С, за счет образования жидкой фазы при нагревании [3,
4]. Дальнейшее охлаждение заготовки позволило получить плотный мелкокристаллический материал.
Исследование микроструктуры и
износостойкости проводили на образцах в виде цилиндров 0 = 24 мм, Ь = 24 мм и балочек размером 40x6x4 мм. В качестве связующего добавлялся 5% поливиниловый спирт. Изделия были сформованы одноосным двусторонним полусухим прессованием с давлением 100 МПа, после чего производили обжиг в воздушной среде. Образцы обжигали на воздухе по следующему режиму: 100 °С/час до 1200 °С, далее до максимальной температуры со скоростью 40 °С/час. Выдержка составляла 3 часа. Охлаждение производили вместе с печью. Полученный материал обладал относительной плотностью 98% при температуре обжига 1450 °С.
Оценку закономерностей спекания материала проводили при температурах 1450 - 1550 °С. Был произведен анализ линейной усадки в обжиге, предела прочности при трехточечном изгибе, средней плотности, открытой и закрытой пористости. Полученные данные показали, что с повышением температуры обжига наблюдается рост линейной усадки, составляющий 21,5 % при 1550 °С. При этой температуре наблюдается отсутствие открытой пористости. Определения средней плотности дали следующие результаты: для Ш-5 -3,55 г/см3; Ш-4 - 3,57 г/см3. Результаты определения механических свойств показали, что наиболее прочным материалом является керамика состава Ш-4, предел прочности которой при трехточечном изгибе составил - 486 МПа. У материала Ш-5 этот показатель ниже, он составил 477 МПа.
Анализ микроструктуры показал, что матрица слагается из зерен корунда, изометрической и короткопризматической формы (рис. 1).
Рис. 1. Фотография микроструктуры образца Ш-4.
Увеличение 3000х
Размер кристаллов лежит в пределах - 4 - 15 мкм, с преобладающим размером - 4 - 6 мкм. Было отмечено, что добавка образует сетчатую структуру по периферии кристаллов корунда. Объемное содержание составляющей, связывающей зерна
корунда, лежит в пределах 8 - 9 %. Состав связки представлен стекловидной фазой. Содержание стекловидной фазы составляет 1 - 1,5 %. Аморфная стекловидная фаза однородна по составу, имеет показатель преломления п = 1,530 - 1,545. Материал обладает закрытой межкристаллической
пористостью, распределенной в объеме в виде округлых скоплений 8 - 12 мкм. Количество пор - до 2,0 %.
Оценку установления уровня истираемости полученного материала проводили модельным экспериментом по измельчению кварцевого песка и электроплавильного корунда в шаровых мельницах. Каждые 10 ч. от начала испытания производился контроль намола шаров по потере их массы. Помимо этого, оценивали удельную поверхность полученного материала. Динамику измельчения воспроизводили на мелющих телах нашего производства - Ш-4 И Ш-5, а также иностранном аналоге А1иЬй, при помоле кварцевого песка и электрокорунда.
Из данных, которые были получены следует, что скорость истирания разработанного материала и А1иЬк практически одинаковы и равны 36 ■ 10_3 %/ч. и 35,5 ■ 1(Г3 %/ч.
Изменение удельной поверхности кварцевого песка и электроплавленного корунда показан на рис. 2 и 3. Рост удельной поверхности с наиюольшей скоростью происходит в во временном интервале 050 ч. После 50 ч. помола наблюдается меньшее возрастание скорости. Прирост скорости удельной поверхности незначителен для обоих материалов. Анализ измельчения кварцевого песка показал, что максимальная удельная поверхность наблюдается при измельчении мелющими телами А1иЬк ( ~9400 см2/г ). При помоле электроплавленного корунда, максимальная удельная поверхность наблюдалась при измельчении мелющими телами состава Ш-4 (-7100 см2};).
Рис. 2. Динамика измельчения кварцевого песка мелющими телами Ш-4, Ш-5 и А1иЪк
Рис. 3. Динамика измельчения электроплавленного корунда мелющими телами Ш-4, Ш-5 и Alubit
Таким образом, был разработан материал с температурой спекания 1450 - 1550 °C, средней плотностью 3,57 г/см3 и закрытой пористостью ~ 2,0 %. Определение механических свойств на трехточечный изгиб показало, что наиболее прочным материалом является керамика состава Ш-4, с
пределом прочности при изгибе 486 МПа. Анализ кинетики измельчения электроплавленного корунда показал, что материал состава Ш-4 не уступает иностранному аналогу Alubit.
Литература
1. Акиншин Д.В., Солощев А.В., Вартанян М.А., Макаров Н.А. Изучение кинетики спекания корундовой керамики с добавкой эвтектического состава // Успехи в химии и химической технологии. 2017. Т. 31. № 1 (182). С. 91-93.
2. Евтеев А.А., Макаров Н.А. Закономерности спекания корундовой керамики, модифицированной эвтектическими добавками // Успехи в химии и химической технологии. 2009. Т. 23. № 7 (100). С. 53-58.
3. Макаров Н.А., Евтеев А.А., Лемешев Д.О., Житнюк С.В. Расчет оптимальных режимов обжига керамики на основе оксидов циркония и алюминия // Стекло и керамика. 2014. №8. С. 15-21.
4. Макаров Н.А., Евтеев А.А., Лемешев Д.О. Особенности спекания керамики в системе оксид алюминия - диоксид циркония с добавками эвтектических составов // Техника и технология силикатов. 2013. №4. С. 2-8.
