CC BY
41Бедина В. И., м.н.с., Евтушенко Е. И., д-р техн. наук, проф., Морева И. Ю., канд. техн. наук, доц., Скиба А. А., аспирант
Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова
ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ МАЛОУСАДОЧНЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ
КОМПОЗИТОВ*
Данная работа посвящена получению и исследованию керамических композиционных материалов с низкой усадкой. В качестве матрицы использованы искусственные керамические вяжущие фарфорового состава. Разработана технология получения наполнителя из пластичных масс методом микрогранулирования, определен оптимальный гранулометрический состав наполнителя. Полученный керамический композит обладает повышенными физико-механическими характеристиками.
Ключевые слова: керамический композит, матрица, искусственные керамические вяжущие, наполнитель, шамот, гранулометрический состав, усадка, прочность._
Традиционно для производства керамических изделий методом шликерного литья применяют многокомпонентные массы на основе глинистых композиций. Эта технология позволяет получать изделия достаточно сложной формы. Однако фарфоро-фаянсовые массы характеризуются весьма высокими усадочными характеристиками, достигающими 10-15% [1]. В результате, в материале происходит накопление излишних напряжений, которые ведут к деформации изделий в процессе их термической обработки, образованию трещин. Поэтому получение малоусадочных материалов особенно при изготовлении крупногабаритных изделий и изделий технической керамики является актуальной задачей, для решения которой необходимо выявление основных закономерностей формирования плотных малопористых структур.
Данная работа посвящена получению и исследованию керамических композиционных материалов. В качестве матрицы предлагается использовать искусственные керамические вяжущие (ИКВ). Данная технология предусматривает использование термической активации сырья (получение керамического прекурсора) с последующим мокрым помолом до получения литьевой суспензии высокой плотности [2, 3]. При этом фазовые и структурные изменения, проходящие в материале при термоактивации, позволяют нивелировать колебания химического и минералогического состава компонентов массы, снизить требования к сырьевым материалам. Установлена возможность получения ИКВ на основе двухкомпонентных сырьевых масс [4]. Получаемые вяжущие суспензии обладает качественно лучшими характеристиками, например, по сравнению с традиционно используемым шликером (ООО «ОСМиБТ», г. Старый Оскол): более высокой плотностью, низкой влажностью
при сохранении текучести (табл. 1). В получаемой суспензии формируется оптимальное количество нанодисперсного модифицирующего компонента (до 4 мас.%), который не только определяет вяжущие свойства суспензии, но и обеспечивает снижение температуры спекания и начала синтеза основных кристаллических фаз керамических композитов, достижение необходимых физико-механических и функциональных характеристик готовых изделий. Материал матрицы после обжига характеризуется улучшенными физико-механическими показателями (см. табл. 2). В частности, общая усадка снижается более чем в 2 раза.
Еще более снизить усадочные явления можно путем введения в матрицу дисперсного наполнителя. Для производства фарфоро-фаянсовых изделий методом литья наиболее целесообразно применение специально приготовленного шамота.
Разработана технология получения шамотного наполнителя из пластичных масс [5] , включающая приготовление сырьевой смеси, микрогранулирование и обжиг при температурах 1150-1200оС. Гранулометрический состав полученного наполнителя: содержание фракции 200-250 мкм составляет 15-20 %, 60-200 мкм -65%, менее 60 мкм - не более 15%. Водопогло-щение шамотных гранул, обожженных при температуре 1150оС, составило 3,9%, при 1200оС -3,7%. Исследования структуры и формы зерен показали, что полученный шамотный наполнитель представлен плотными окатанными гранулами (рис. 1).
По данным рентгенофазового анализа (рис. 2.), после термообработки в полученном материале присутствует значительное количество стеклофазы, о чем свидетельствует наличие интенсивного гало. Кристаллическая фаза полу-
ченного шамотного наполнителя представлена кварцем (<1/п, А - 4,301; 3,363; 1,705) и муллитом (с[/п. А - 5,438; 3,408; 2,549, 2,214), с ростом
температуры обжига содержание последнего растет, а кварца снижается.
Рисунок. 1. Гранулы шамотного наполнителя: 1 - после формования; 2 - обожженные при температуре 1150 °С
Рисунок. 2. Рентгенограмма шамотного наполнителя, обожженного при 1150 оС
Наполнитель вводили в ИКВ в количестве 30 и 40%. Введение наполнителя в ИКВ существенно не изменяет реологические свойства литьевой системы: снижается эффективная вязкость, характер течения остается тиксотропным.
Установлено, что направленное регулирование дисперсного состава литьевой суспензии
путем введения наполнителя обеспечивает снижение влажности шликера, увеличение скорости набора массы в 1,5 раза (рис. 3). Равномерное распределение частиц наполнителя по всему объему матрицы способствует повышению прочности отливок.
.о
I-
о о
£
п к 00
1.5
и с
£ о
о
0.5
—1— —,
50 100
Градиент скорости сдвига, с-1
л и
г
п а о
га * х
и
(5 о а о
о
150
0.180 0.160 0.140 0.120 0.100 0.080 0.060 0.040
с к
£ к V
Ч
О
5 6 7 8 Время, мин
9 10 11
Рисунок. 3. Реологические характеристики (а) и скорость набора массы (б) исследуемых суспензий: 1 - ИКВ; 2 - ИКВ с 30% наполнителя; 3 - ИКВ с 40% наполнителя
2
1
0
0
Таблица 1
Материал Текучесть через 30 с., сек. Влажность шликера, % Плотность шликера, кг/м3
Традиционный шликер 9 40,2 1740
ИКВ 33 19,4 2020
ИКВ с 30%
наполнителя, полученного при1150°С 185 14,5 2110
ИКВ с 40%
наполнителя, полученного при1150°С - 12,3 2170
ИКВ с 30%
наполнителя, полученного при 1200°С 175 14,3 2140
ИКВ с 40%
наполнителя, полученного при 1200°С - 12,8 2180
Установлено, что введение наполнителя в массу позволяет получить материал с улучшенными физико-механическими характеристиками (табл. 2). При температуре 1200°С образцы имеют низкие значения водопоглощения (не более 1%), характерные для фарфоровых изделий. Отмечено, что с увеличением температуры об-
жига вводимого наполнителя водопоглощение изделий увеличивается. Оптимальной температурой предварительного обжига для шамота является 1150°С. Вероятно, это связано с тем, что после термообработки при этой температуре (1150°С) в материале наполнителя еще сохраняется способность к структурным преобразованиям при конечной термообработке композита (1200°С). Это в свою очередь обеспечивает релаксацию напряжений на границе «наполнитель - керамическая матрица».
Модифицирование литьевой массы шамотным наполнителем позволяет снизить линейную усадку изделий на 30%. При этом с увеличением содержания наполнителя в массе наблюдается рост прочности при сжатии.
Наилучшие результаты достигаются (см. табл. 2) при использовании искусственных вяжущих с добавлением 30-40% шамотного наполнителя, синтезированного при температуре 1150°С. Полученный композиционный материал характеризуется водопоглощением - 0,60,7%, общей усадкой - около 5% и прочностью при сжатии более 140 МПа. В результате полученный композит по физико-механическим характеристикам в 1,5-2 раза опережает не только материалы на основе ИКВ без наполнителя, но и показатели прочности фарфоро-фаянсовых изделий, получаемых по традиционным технологиям.
Таблица2
Физико-механические характеристики образцов, обожженных при температуре 1200 °С
Материал Усадка, % Водопогло-щение, % Плотность, кг/м3 Прочность при сжатии, МПа
воздушная огневая
Традиционный шликер 4,0 11,8 0,3 2300 97
ИКВ 0,5 6,5 0,7 2370 110
ИКВ с 30% наполнителя (1150°С) 0,4 4,5 0,7 2340 140
ИКВ с 40% наполнителя (1150°С) 0,2 5,2 0,6 2390 160
ИКВ с 30% наполнителя (1200°С) 0,4 4,4 1,0 2330 130
ИКВ с 40% наполнителя (1200°С) 0,2 4,6 0,8 2350 150
По данным рентгенофазового анализа (рис. 4), кристаллическая фаза матрицы на основе ИКВ представлена кварцем ^/п, А - 4,291; 3,363; 2,290; 2,134; 1,822), муллитом (<!/п, А -5,438; 2,508; 2,243) и кристобалитом (<!/п, А -4,095; 2,880). Введение шамотного наполнителя
сокращает интенсивность кристаллизации кри-стобалита и кварца. Наблюдается более интенсивное образование муллита, что, вероятно, и обеспечивает более высокую прочность получаемых композиционных материалов.
1 - ИКВ; 2 - ИКВ с 30% наполнителя; 3 - ИКВ с 40% наполнителя
Таким образом, использование наполнителей в фарфоро-фаянсовых литьевых системах на основе предложенных искусственных керамических вяжущих позволяет дополнительно регулировать реотехнологические свойства суспензий, управлять процессами формования и получать изделия с низкой огневой усадкой.
*Исследования проведены в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы» ГК № 14.740.11.0482.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Мороз И.И. Технология фарфоро-фаянсовых изделий / И.И. Мороз. - М.: Стройи-здат, 1984. - 331 с.
2. Евтушенко Е.И. Активационные процессы и совершенствование подготовки сырья в технологии керамики / Е.И. Евтушенко, О.К. Сыса, И.Ю. Морева, В.И. Бедина, А.И. Бредихина, А. А. Скиба // Стекло и керамика, 2009. - №1. - С. 15-16.
3. Пат. 2392248 Российская Федерация, МПК7 С 04 В 33/24, С 04 В 33/28. Способ приготовления керамического шликера / Е. И. Евтушенко, И.Ю. Морева, В.И. Бедина, В.А. Дорога-
нов, А. А. Скиба; заявитель и патентообладатель Белгор. гос. технол. ун-т. - №2009112223/03 ; заявл. 02.04.2009 ; опубл. 20.06.2010, Бюл. №17. - 4 с.
4. Евтушенко Е.И. Фарфоро-фаянсовые изделия на основе двухкомпонентных связующих / Е.И. Евтушенко, И.Ю. Морева, В.И. Бедина, Т.А. Рыбина // Материалы II семинара-совещания ученых, преподавателей, ведущих специалистов и молодых исследователей «Керамика и огнеупоры: перспективные решения и нанотехнологии». - Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г.Шухова, 2009. - С. 255-258.
5. Бедина В.И. Эффективные наполнители для производства изделий тонкой керамики / В.И. Бедина, О.С. Кебикова // Материалы II семинара-совещания ученых, преподавателей, ведущих специалистов и молодых исследователей «Керамика и огнеупоры: перспективные решения и нанотехнологии». - Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г.Шухова, 2009. - С. 138-141.
