CC BY
103
Майоров Дмитрий Владимирович,
канд. техн. наук, ст. научн. сотр., Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева Кольского научного центра Российской академии наук, 184209, г. Апатиты; р.т. 8(81555)79389. E-mail: mayorov@chemy.kolasc.net.ru
УДК 666.3/7
О. А. Сергиевич, И. А. Алексеенко, Е. А. Артемьев
КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ С ПОВЫШЕННОЙ ИЗНОСОСТОЙКОСТЬЮ ДЛЯ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОЙ И ЛЕГКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Аннотация
На основании обзора литературных данных в области синтеза анортитовых износостойких и самоглазурующихся материалов выбрана область опытных составов и представлена характеристика исходных сырьевых компонентов. Определены физико-химические показатели материалов, установлена взаимосвязь между показателями свойств, температурой обжига и количеством добавки. Изучены фазовый состав, структура синтезированных материалов, установлены технологические параметры получения износостойких самоглазурующихся материалов оптимального состава.
Ключевые слова:
анортитовая керамика, самоглазурование, износостойкость, шероховатость, коэффициент трения.
O. A. Sergievich, I. A. Alekseenko, E. A. Artemiev
CERAMIC MATERIALS WITH INCREASED WEAR-RESISTANCE FOR MACHINE-BUILDINGAND LIGHT INDUSTRY
Abstract
Based on the review of literature data in the field of synthesis of anorthite wear-resistant and self-glazing materials, the range of experimental compositions is selected and the characteristics of the raw feed components are presented. The physicochemical parameters of the materials are determined, and the relationship between the properties, firing temperature and the amount of the additive is established. The phase compositionand structure of synthesized materials, technological parameters of obtaining wear-resistant self-glazing materials of optimum composition are studied.
Keywords:
anorthite ceramics, self-glazing, wear resistance, roughness, coefficient of friction. Введение
Ужесточение требований к структуре и свойствам поверхностных слоев стимулировало развитие новых методов их модификации различными видами технологической обработки. Развитие науки о трении и изнашивании твердых тел показало, что в контакте трущихся тел наблюдается их адаптация за счет протекания гаммы физико-химических процессов, при этом создаются специфические поверхностные структуры, реализующие низкий и стабильный коэффициент трения
при высокой износостойкости [1]. Анализ обзора литературы в области синтеза износостойких керамических материалов показал, что основными сырьевыми компонентами являются оксиды алюминия и стабилизированного циркония [2, 3]. Полученные керамические материалы характеризуются мелкокристаллической плотной структурой и повышенными прочностными показателями (300-550 МПа) при температуре спекания 1500-1700 °С.
Решение проблемы получения износостойких керамических материалов повышенной прочности с относительно низкой температурой обжига при использовании недефицитного сырья возможно, используя анортитовый материал на основе системы Са0-Al20з-Si02. Анортитовая керамика имеет большие перспективы применения и обладает комплексом ценных физико-химических свойств [4, 5].
Для уменьшения коэффициента трения изделия для нитеводителей предлагается покрывать глазурью, но это оказывает существенное влияние на их себестоимость за счет использования дорогостоящих оксидов в составе покрытий и необходимости дополнительных технологических операций по приготовлению и нанесению глазури на изделие. Эффект самоглазурования керамики представлен в работах [6, 7], где в качестве сырьевых компонентов могут быть использованы перлиты, цеолиты и вулканические стекла с добавками щелочесодержащих компонентов, сода, фторид и фосфат натрия.
В этой связи сформулирована основная цель работы, заключающаяся в разработке составов и технологических параметров получения керамических материалов, обладающих высокой прочностью, износостойкостью и способных работать длительное время в условиях истирающих нагрузок.
Материал и методика исследований
В качестве исходных сырьевых материалов использовались глина огнеупорная Веселовского месторождения, песок кварцевый марки ВС-050-1, технический глинозем ГК-2, мел волковысский. Определение общей усадки (1общ, %) опытных образцов производилось согласно ГОСТ 2409-95; плотности, пористости, водопоглощения - по ГОСТ 2409-95; ТКЛР образцов (а, К-1) - по ГОСТ 10978-83; предела прочности при сжатии (ссж, МПа) - по ГОСТ 4071.1. Микротвердость глазурных покрытий измерялась на приборе Wolpert Wilson Instruments. Коэффициент трения (f) - по ГОСТ 27492-87. Шероховатость поверхности (Р) - атомно-силовым микроскопом NT-206 (АСМ).
Рентгенофазовый анализ проводился на установке Brucker (ФРГ) с ионизационной регистрацией рассеянных лучей (излучение CuKa); детектор - счетчик Гейгера. Дифференциально-термический анализ осуществлялся на диреватографе марки ОД-108. Микрозондовый анализ проводился с помощью сканирующего электронного микроскопа JSM-5610 LV с системой химического анализа EDX JED-2201 JEOL.
Результаты и их обсуждение
Для синтеза керамических материалов выбрана система CaO-Al2O3-SiO2 с областью опытных составов в поле кристаллизации анортита, которая представлена на рисунке 1.
В температурном интервале 1200-1225 °С синтезированы образцы белого цвета с плотным черепком; при 1250 °С они начали оплавляться и приобрели желтоватый оттенок. Общая усадка образцов исследуемых составов изменяется в пределах от 8 до 13 %. Изменения показателей физико-химических свойств синтезированных образцов в исследуемом температурном интервале закономерны:
с увеличением температуры обжига значения показателей кажущейся плотности (1671-2511 кг/м3) увеличиваются вследствие повышения степени спекания, а водопоглощения (0,2-21,3 %) и открытой пористости (0,4-35,6 %) уменьшаются. Образец № 4 оплавился, а составы № 1, 7, 9 характеризуются минимальным водопоглощением в связи с тем, что находятся ближе к эвтектической точке на диаграмме состояния.
Рисунок 1. - Диаграмма состояния CaO-Al2O3-SiO2 и исходные составы смесей
На рисунке 2 представлена зависимость ТКЛР опытных образцов составов № 1 и 5 от температуры обжига.
5,6 ~ 5,4
-
ЧО Л
О
5,2
5,0
X '
54,8
§ 4,6 н 4,4 4,2
1175 1200 1225 1250 Температура обжига, °С
Рисунок 2. - Зависимость ТКЛР опытных образцов № 1 и 5 от температуры обжига
В интервале температур 1200-1225 °С наблюдается рост значений ТКЛР. Это объясняется снижением пористости материала и увеличением содержания кристаллических фаз. Однако в дальнейшем наблюдается падение ТКЛР, что может быть обусловлено увеличением жидкой фазы при спекании, растворением в ней кварца, т.е. происходит обогащение стеклофазы кремнеземом, что способствует снижению термического расширения.
Твердость всех образцов составила 7, что соответствует твердости кварца. Образцы, обожженные при 1225 °С, показали высокие показатели механической прочности при сжатии, составляющие от 222,9 до 269,3 МПа. Основными фазами керамической матрицы являются анортит (Са0А1203^Ю2), кристобалит, волластонит (СаО^Ю2) и геленит (3Са0А1203^Ю2), при этом с ростом температуры обжига до 1225 °С интенсивность дифракционных максимумов анортита и кристобалита возрастает.
На основании комплекса проведенных исследований в качестве керамической матрицы был выбран состав № 1 со следующими характеристиками: температура обжига - 1225 °С; огневая усадка - 10 %; кажущаяся плотность - 2240 кг/м3; водопоглощение - 0,2 %; открытая пористость - 0,4 %; ТКЛР - 5,01 10-6 К-1; прочность при сжатии - 269,3 МПа; фазовый состав: анортит, кристобалит, волластонит, геленит.
С целью получения самоглазурующейся поверхности материала в состав керамической массы вводилась щелочная добавка (КаОИ) в количестве 6, 8, 10 %, а синтез материалов производился в температурном интервале 1150-1200 °С. Установлено, что оптимальным являлся образец белого цвета с тонким и равномерным глазурным слоем толщиной 50-100 мкм; количество щелочной добавки составило 8 %. Необходимо отметить, что в изделиях, обожженных при температуре 1175 °С, слегка оплавились края. Для улучшения качества глазурного покрытия дополнительно в состав массы введено 0,2 % буры. В малых количествах борный ангидрид В203 (составляющая буры) выступает в роли плавня, который имеет свойство придавать блестящий вид изделию и повышать твердость, а также значительно понижать предрасположенность стекловидного покрытия к появлению цека. Образцы, синтезированные при температуре свыше 1170 °С, имели глянцевое глазурное покрытие, а образцы, обожженные при 1200 °С, не сохранили форму. Твердость покрытий по Моосу для всех исследованных образцов составила 6,5-7.
Зависимость изменения прочности при сжатии синтезированных образцов от количества щелочной добавки представлена на рисунке 3.
150
к
I 130
гЧ
О
110
Л 2
н ^
8 90
=
I 70
Рисунок 3. - Зависимость прочности при сжатии глазурованных образцов от количества щелочной добавки
Выявлена тенденция к снижению прочности как при увеличении количества самой добавки, так и при возрастании температуры обжига, что обусловлено увеличением содержания стекловидной фазы не только на поверхности, но и по всему объему образцов.
Повышение количества щелочесодержащей добавки от 6 до 10 % резко снижает микротвердость покрытия от 11200 до 6500 МПа в связи с увеличением толщины глазурного слоя и изменением его химического состава. При 10 %-ном содержании добавки качество покрытия более качественное, в то время как образцы с 6 %-ным количеством добавки имели шероховатую и местами непокрытую поверхность.
Исследуемый образец, содержащий 7 % щелочного раствора, 0,2 % буры и обожженный при температуре 1170 °С имеет следующие показатели свойств: прочность при сжатии - 102,7 МПа, микротвердость - 10500 МПа, был выбран в качестве оптимального. Микроструктура образцов керамической матрицы и с самоглазурующейся поверхностью исследовалась с помощью сканирующего электронного микроскопа и представлена на рисунке 4.
Рисунок 4. - Электронные снимки образцов: а) керамической матрицы, обожженной при температуре 1225 °С; б) образца, обожженного при 1170 °С и содержащего 7 % щелочной добавки
и 0,2 % буры
Определено, что структура керамической матрицы неоднородная; представлена зернами различной формы, предположительно анортита. Структура образца с самоглазурующейся поверхностью более однородная и ровная, однако имеются небольшие включения зерен.
Коэффициент трения по стали для образца оптимального состава, синтезированного при температуре 1170 °С и содержащего 7 % щелочной добавки и 0,2 % буры, составил 0,24 по сравнению со стеклом (0,40). Средние значения основных характеристических показателей образцов оптимального состава приведены в таблице.
Таблица. - Характеристика оптимального состава
Свойства и параметры Величина показателя
Количество и вид добавки, % (сверх 100 %) 20 %-ный водный раствор NaOH - 7; бура - 0,2
Давление прессования, МПа 40
Температура сушки, °С 125
Температура обжига, °С 1170
Кажущаяся плотность матрицы, кг/м3 2240
Открытая пористость матрицы, % 0,4
Прочность при сжатии, МПа 102,7
Микротвердость, МПа 10800
Среднее отклонение профиля, нм 3,2
Коэффициент трения 0,24
Фазовый состав Анортит, кристобалит, волластонит, натриевый анортит
Выводы
Таким образом, разработан состав износостойких керамических материалов с самоглазурующейся поверхностью и рациональные технологические параметры их получения, которые могут быть рекомендованы для изготовления установочных изделий (нитеводители для волокна, фильеры для протяжки различных нитей из расплава, стальной и алюминиевой проволоки, фрикционные кольца, диски и др.).
Благодарности
Выражается признательность научному руководителю к.т.н., доценту кафедры технологии стекла и керамики Евгении Михайловне Дятловой за помощь в проведении исследований и подготовке статьи.
Литература
1. Белый А.В. Структура и методы формирования износостойких поверхностных слоев / А.В. Белый, Г.Д. Карпенко, Н.К. Мышкин. М.:Машиностроение, 1991. 208 с.
2. Современная оксидная керамика и области ее применения / Е.С. Лукин, Н.А. Попова, Н.А. Макаров [и др.] // Конструкции из композиционных материалов. 2007. № 1. С. 3-13.
3. Алисин В.В. Влияние химического состава и условий синтеза наноструктурированных кристаллов частично стабилизированного диоксида циркония на трибологические характеристики / В.В. Алисин, М.А. Борик, А.В. Кулебякин, Е.Е. Ломонова // Керамика и композиционные материалы: доклады VI Всероссийской научной конференции, 25-28 июня 2007 г. Сыктывкар. С. 349-350.
4. Тихоненко В.В. Упрочняющие технологии формирования износостойких поверхностных слоев / В.В. Тихоненко, А.М. Шкилько // Фiзична iнженерiя поверхш. 2011. Т. 9. № 3. С. 237-243.
5. Головин Е.П. Электрофизические характеристики анортитовой керамики, синтезированной из огнеупорной глины и каолина / Е.П. Головин, Б.А. Кухтин, Н.В. Федоров, Д.В. Пирогов // Тезисы VIII Всероссийской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Химия и химическая технология в XXI веке», 14-15 мая 2007 г. Томск. С. 20-21.
6. Меркин А.П. Производство самоглазурующихся керамических плиток / А.П. Меркин, Н.А. Николаенко, М.А. Шенкао // Стекло и керамика. 1991. № 3. С. 11-12.
7. Меркин А.П. Самоглазурующиеся керамические плитки на основе кислых вулканических стекол / А.П. Меркин, В.И. Наназшвили // Стекло и керамика. 1987. № 12. С. 18-19.
Сведения об авторах
Сергиевич Ольга Александровна,
научный сотрудник кафедры технологии стекла и керамики (ТСиК) БГТУ, е-mail: topochka.83@mail.ru
Алексеенко Игорь Александрович,
аспирант кафедры физической и коллоидной химии БГТУ Артемьев Евгений Александрович,
студент кафедры ТСиК БГТУ
Дятлова Евгения Михайловна,
к.т.н., доцент, доцент кафедры ТСиК БГТУ, e-mail: keramika@belstu.by
