CC BY
18
УДК 666.3.015.4:666.3.022.2
Антонов Д.А., Павлов С.С., Макаров Н.А.
ИЗНОСОСТОЙКАЯ КЕРАМИКА НА ОСНОВЕ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ С МОДИФИЦИРУЮЩЕЙ ДОБАВКОЙ ЭВТЕКТИЧЕСКОГО СОСТАВА
Антонов Дмитрий Андреевич, студент 1 курса магистратуры кафедры керамики и огнеупоров факультета технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов, email: dimantonoff@gmail.com; Павлов Степан Сергеевич, студент 3 курса кафедры керамики и огнеупоров факультета технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов;
Макаров Николай Александрович, д.т.н., профессор кафедры химической технологии керамики и огнеупоров; Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Разработаны керамические мелющие тела на основе оксида алюминия с пониженной температурой спекания 1500-1550 °С; высокой износостойкостью и размолоспособностью превосходящей используемый уралит; средней плотностью 3,63 г/см3; закрытой пористостью, не превышающей 3 % об; характеризующиеся средним пределом прочности при трехточечном изгибе 360 МПа Установлены внешние и внутренние факторы влияющие на износостойкость керамики.
Ключевые слова: оксид алюминия, эвтектические добавки, спекание, керамические мелющие тела, износостойкость, размолоспособность.
WEAR-RESISTANT CERAMICS BASED ON ALUMINUM OXIDE WITH A MODIFYING ADDITIVE OF EUTECTIC COMPOSITION
Antonov D.A., Pavlov S.S., Makarov N.A.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
Ceramic grinding bodies based on aluminum oxide with a reduced sintering temperature of 1500-1550 ° C have been developed. Ceramic have a high wear-resistance and grindability superior to the uralite; average density of 3.63 g/cm3; internal porosity of 3%; average flexural strength 360 MPa. External and internal factors affecting the wear resistance of ceramics are established.
Key words: aluminum oxide, eutectic additives, sintering, ceramic grinding bodies, wear-resistance, grindability.
Введение
Корундовая керамика широко применяется во многих областях техники благодаря совокупности ценных физико-технических свойств. Корундовые материалы обладают мелкокристаллической структурой, пределом прочности при изгибе 300-800 МПа, хорошими электроизоляционными
свойствами, высокой теплопроводностью, радиационной и химической стойкостью. Такая керамика обладает высокой износостойкостью и может использоваться при температурах до 17501850 °С. Однако большинство корундовых материалов имеет высокую температуру спекания, которая находится на уровне 1750 - 1800 °С, что приводит к износу печного оборудования и увеличению энергозатрат.[1-3]
В целом необходимо отметить, что износостойкость керамики определяется двумя группами факторов, которые могут быть классифицированы на внутренние и внешние. К внешним факторам относят характеристики технологического процесса, конструктивные
особенности помольных агрегатов форму и размеры мелющих тел. Внутренние факторы включают структуру, состав и свойства керамики. Первостепенное влияние на износостойкость однотипных материалов, по-видимому, оказывают структура и фазовый состав материала [4].
Целью данного исследования является разработка износостойких керамических материалов с температурой спекания не превышающей 1550 °С. Для снижения температуры спекания керамического материала существует три основных способа: увеличение дисперсности порошка, внесение дефектов в кристаллическую решетку и введение модифицирующих добавок. Применение
модификаторов эвтектических составов за счет образования жидкости в ходе обжига позволяет снизить температуру спекания до уровня1350 - 1500 °С. При этом обеспечивается кристаллизация расплава в процессе охлаждения, что способствует получению плотных мелкокристаллических материалов.
Экспериментальная часть
Основным компонентом для изготовления материала является глинозем марки ГН-1, содержащий до 95% а-Л120з. В качестве акцессорных примесей в связанном состоянии содержатся оксиды железа, кремния, кальция и щелочноземельных металлов. Количество примесей - 1-2 %. Для синтезирования модифицирующей добавки использовались: оксид цинка ^пО), каолин, основной минерал которого - каолинит (АЬ0з-28Ю2-2Н20), тальк (3Mg0•4Si02•H20), бентонит и доломит CaMg(CO3)2.
Исследования проводили на образцах в виде балочек размером 40х6х4 мм, цилиндров 0 = 24, Ь = 24 мм, и дисков 0 = 25, h = 5 мм. Все изделия формовали методом одноосного двустороннего полусухого прессования при давлении 100 Мпа. Обжиг образцов производили в воздушной среде.
Исследование закономерностей спекания материала проводили в интервале температур 1350 -1550 °С. При этом анализировали линейную усадку в обжиге, среднюю плотность, открытую пористость и предел прочности образцов при трехточечном изгибе.
Из полученных данных следует, что с повышением температуры обжига наблюдается закономерный рост линейной усадки, составляющей 21,5% при 1550 °С. При данной температуре наблюдается отсутсвие открытой пористости. Средняя плотность разработанного материала 3,63 г/см3. Результаты определения механических свойств показали, что материал обладает пределом прочности при трехточечном изгибе 360 МПа.
Матрица разработанной керамики,
представленная на рис. 1, слагается из зерен корунда, форма которых изменяется от изометрической до короткопризматической, преобладающий размер зерен - 4 6 мкм. Добавки образуют сетчатую структуру по периферии кристаллов корунда. Объемное содержание связки, цементирующей зерна корунда, составляет 8 9 %. Фазовый состав цементирующей связки представлен кристаллическими и аморфной стекловидной фазами. Содержание стекловидной фазы составляет 1 ^ 1,5 %. Фазы связки кристаллизуются с размером зерен - 1 ^ 2 мкм, в кубической сингонии. Аморфная стекловидная фаза однородна по составу, показатель преломления п = 1,530 1,545. Материал обладает закрытой межкристаллической пористостью, распределенной в объеме материала в виде округлых скоплений размером 8 ^ 12 мкм. Количество пор не превышает 2,0 % об.
Рис. 1. Фотографии микроструктуры Ш-4.
Увеличение снимка 3000x
Для оценки размолоспособности и установления уровня истираемости разработанной керамики проводились модельные эксперименты по измельчению кварцевого песка и
электроплавленного корунда в шаровых мельницах. Намол шаров контролировали по потере их массы через каждые 10 ч от начала испытаний, одновременно оценивали удельную поверхность измельчаемого материала. В качестве материала сравнения используется промышленно применяемая керамика «А1иЬй-90» производства Италии.
Из полученных данных следует, что скорости истирания разработанного материала и А1иЬк-90 практически одинаковы и составляют 36 10-3 %/ч и 35,5-10-3 %/ч соответственно.
Изменение удельной поверхности с течением времени в модельном эксперименте по измельчению кварцевого песка и электроплавленного корунда показаны на рис.2 и рис.3. В интервале времени 0 -50 ч наблюдается рост удельной поверхности с наибольшей скоростью. После 50 ч помола удельная поверхность возрастает с меньшей скоростью. Скорости прироста удельной поверхности для обоих материалов различаются незначительно.
Максимальной удельной поверхности при измельчении кварцевого песка (~9400 см2/г) удается достичь при использовании мелющих тел, изготовленных из материала А1иЬк-90. В эксперименте с измельчением электрокорунда достижение максимальной удельной поверхности (~7200 см2/г) возможно при использовании мелющих тел из разработанного материала. При измельчении одним видом мелющих тел кварцевого песка и электроплавленного корунда удельная поверхность, достигнутая на кварцевом песке, больше поверхности, полученной на электроплавленном корунде за 200 ч помола.
10000 1
9000 -
8000 -
1_
7000 -
о
g 6000 -
с
с_ о 5000 -
сс
с
с
4000 -
ä
§ 3000 -
я
2000 -
1000 -
0 -
Бремя помолал
• Ш4 ■ Alubit-90
Рис.2 Динамика измельчения кварцевого песка
Время помопал
♦ Ш-4 ■ Alubit-90
Рис.3. Динамика измельчения электрокорунда
Выводы
Разработаны керамический материал с температурой спекания 1550 °С, средней плотностью 3,63 г/см3; закрытой пористостью ~ 2 %; характеризующиеся средним пределом прочности при трехточечном изгибе
360 МПа. Проведен анализ истираемости и размолоспособности разработанного материала в модельных экспериментах по измельчению кварцевого песка и электроплавленного корунда. Доказано, что разработанный материал не уступает зарубежному аналогу. Полученные данные свидетельствуют о том, что данный материал соответствует всем необходимым требованиям и с успехом может быть применен в качестве футеровочных элементов помольных агрегатов и мелющих тел.
Список литературы
1. Лукин Е.С., Андрианов Н.Т., Мамаева Н.Б. и др. О проблемах получения оксидной керамики с регулируемой структурой // Огнеупоры. 1993. № 5. С. 11 - 15.
2. Лукин Е.С., Попова Н.А., Здвижкова Н.И. Прочная керамика на основе оксида алюминия и диоксида циркония // Стекло и керамика. 1993. № 910. С. 25 - 30.
3. Павлушкин Н.М. Спеченый корунд. М.: Стройиздат, 1961. 210 с.
4. Балкевич В.Л. Техническая керамика. М.: Стройиздат, 1984. 256 с.
