Научная статья на тему 'Влияние добавки некондиционных металлических порошков на свойства керамики из легкоплавких глин'

Влияние добавки некондиционных металлических порошков на свойства керамики из легкоплавких глин Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
247
72
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ПОРОШКИ / ЛЕГКОПЛАВКАЯ ГЛИНА / КЕРАМИКА / ОБЖИГ / ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ / ВОДОПОГЛОЩЕНИЕ / ПЛОТНОСТЬ / METAL POWDERS / FUSIBLE CLAY / CERAMICS / BURNING / MECHANICAL CHARACTERISTICS / WATER ABSORPTION / DENSITY

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Терешин С. А., Коробков А. М.

Исследовано влияние некондиционных металлических порошков на физико-механические характеристики керамики из легкоплавкой глины. Установлено, что в зависимости от количества добавки металлического порошка и температуры обжига опытных образцов, увеличиваются прочностные характери-стики в 1,5-2,5 раза, повышается плотность в 1,1-1,2 раз, снижается водопоглощение в 1,4-1,7 раза по сравнению с образцами, изготовленными без добавок.I

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Терешин С. А., Коробков А. М.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

nfluential of sub-standard metal powders on physicomechanical characteristics of ceramics from fusible clay was investigated. Established that depending on quantity of the additive of a metal powder and temperature of burning of pilots models, mechanical characteristics is raise in 1,5-2,5 reason, the density is raise in 1,1-1,2 reason, water absorption is lower in 1,4-1,7 reason in comparison with the samples made without additives.

Текст научной работы на тему «Влияние добавки некондиционных металлических порошков на свойства керамики из легкоплавких глин»

С. А. Терешин, А. М. Коробков ВЛИЯНИЕ ДОБАВКИ НЕКОНДИЦИОННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ

НА СВОЙСТВА КЕРАМИКИ ИЗ ЛЕГКОПЛАВКИХ ГЛИН

Ключевые слова: металлические порошки, легкоплавкая глина, керамика, обжиг, прочностные характеристики, водопоглощение, плотность. metal powders, fusible clay, ceramics, burning, mechanical characteristics, water absorption, density

Исследовано влияние некондиционных металлических порошков на физико-механические характеристики керамики из легкоплавкой глины. Установлено, что в зависимости от количества добавки металлического порошка и температуры обжига опытных образцов, увеличиваются прочностные характеристики в 1,5-2,5 раза, повышается плотность в 1,1-1,2 раз, снижается водопоглощение в 1,4-1,7раза по сравнению с образцами, изготовленными без добавок.

Influential of sub-standard metal powders on physicomechanical characteristics of ceramics from fusible clay was investigated. Established that depending on quantity of the additive of a metal powder and temperature of burning of pilots models, mechanical characteristics is raise in 1,5-2,5 reason, the density is raise in 1,1-1,2 reason, water absorption is lower in 1,4-1,7 reason in comparison with the samples made without additives.

При утилизации твердых ракетных топлив и пиротехнических составов, содержащих от 15 до 60% металлических порошков легких металлов (алюминия, магния, их сплава) утилизируется от 100 до 1500 кг металлических порошков, которые практически не находят применения [1]. Перспективным направлением применения таких порошков может стать изготовление клинкерной керамики.

Для получения клинкерной керамики с высокими физико-механическими и эксплуатационными характеристиками традиционно используются дорогостоящие тугоплавкие глины [2], дефицитные в центральных районах нашей страны, поэтому в настоящее время большой интерес вызывает вопрос изучения клинкерных изделий из местных легкоплавких глинистых пород [3].

Цель данной работы - выявление влияния добавок некондиционных металлических порошков на физико-механические свойства изделий на основе легкоплавкой глины месторождения Татарстана.

В качестве легкоплавкой глины была использована глина Калининского месторождения РТ, в качестве металлических порошков - некондиционные порошки алюминиевомагниевого сплава (ПАМ) и магния (МПФ). Исследуемые порошки имели активность 8090%, т.е. они не могли уже применяться по целевому назначению как металлические горючие систем.

В табл. 1,2,3 приведены данные глины Калининского месторождения и основные характеристики используемых металлических порошков.

Таблица 1 - Химический состав глинистого сырья

Глина Содержание оксидов, %

8102 АІ2О3 ТІО2 Рв20з СаО МдО Ыа20 К2О 8Оз п.п.п. Сум- ма

Калининская 69,7 13,54 0,75 6,44 1,87 1,85 0,53 2,01 0,05 2,54 100

По содержанию тонкодисперсной фракции Калининская глина относится к группе среднедисперсного сырья (содержание частиц менее 0,001 мм - 23,88%), по числу пластичности - к умереннопластичному глинистому сырью.

Таблица 2 - Гранулометрический состав глинистого сырья

Сырье Содержание фракции (мкм), %

>0,06 0,06-0,01 0,01-0,005 0,005-0,001 <0,001

Калининская глина 5,67 34,48 4,9 15,32 35,64

Таблица 3 - Основные характеристики металлических порошков

Характеристики ПАМ МПФ

Форма частиц плоский многогранник стружка

Насыпная плотность, г/см3 0,99 0,52

Размеры частиц , мкм 50 166 - 182

Удельная поверхность, см /г 1300 940

Результаты термоаналитического изучения глинистой породы указывают на среднюю способность к реабсорпции (реакции между 62 и 223 0С). Реакции кварцевых превращений стихийно проходят при 514 и 5680С. На обожженных образцах показываются трещины подогрева и охлаждения. Материал до 747 0С растягивается и потом при 764 0С начинается огневая усадка, которая с 800 0С усиливается. Так как можно следить за процессом окисления выгорающих составляющих до 6390С, ожидается полное их окисление перед уплотнением черепка. Термические эффекты в этой критической области (между 229 и 6390С) составляют 558,3 Дж/г. В этой области рекомендуется малая скорость подъема температуры обжига, так как имеется опасность трещинообразования. В процессе экспериментальных исследований определялись водопоглощение, огневая усадка, плотность, физико-механические свойства образцов после обжига.

Для проведения испытаний на предел прочности при сжатии опытные образцы формовались в виде цилиндров диаметром 55 мм, на предел прочности при изгибе - в виде балок размером 160х40х40мм. Высушенное глинистое сырье измельчалось в лабораторной стержневой мельнице (нестандартное оборудование) до размеров частиц менее 2 мм, после чего из него составлялись опытные массы с добавкой 2,5, 5, 7 и 10% исследуемых металлических порошков. Масса перемешивалась в течение 15 минут, затем увлажнялась до оптимальной формовочной влажности (18%) и вылёживалась в течении суток. Формование образцов осуществлялось методом пластического формования путем набивки глиномассы в формы.

Сушка образцов осуществлялась на стеллажах в помещении лаборатории в течение 2-х суток, затем в сушильном шкафу при температурах 35-80 0С в течение 3-х часов. Обжиг исследуемых образцов проводили при температурах 900,1000,1100 0С в электропечи типа СНОЛ 1,6,2,5, 1/9 - М 2 У4,2, в соответствии с режимом обжига: подъем температуры до 500 0С - 8 часов, выдержка при 500 0С - 2 часа, от 500 до 640 0С - 3 часа, от 640 до 800 С -6 часов, от 800 до 900 0С - 2 часа, от 900 до 1000 0С - 1 час, от 1000 до 1100 0С - 1 час; выдержка при конечной температуре - 2 часа; охлаждение - вместе с печью в течение суток. Результаты испытания опытных образцов приведены в табл.4.

Анализируя результаты испытаний опытных образцов можно сделать вывод, что добавка металлических порошков в легкоплавкую глину Калининского месторождения приводит к увеличению прочностных характеристик. При всех температурах обжига прослеживается зависимость увеличения прочности от количества вводимой добавки.

Таблица 4 - Сводная таблица экспериментальных данных

Состав, %

Рсж,

МПа

Ризг,

МПа

Водопо-

глощение,

%

Плот-

ность,

г/см3

Огневая

усадка,

%

Истир-ть, г/см2

Глина Калин. мест-я, %

Метал. порошок, %

9000С

3 4 5

13,62 5,27 16,35

22,86 12,49 13,51

36,72 17,96 11,36

30,41 15,13 12,14

18,87 10,55 12,78

28,38 17,85 10,63

22,54 12,08 11,09

19,57 10,46 11,87

15,82 6,81 12,33

10000С

16,37 7,84 10,82

24,63 13,77 10,41

35,39 16,01 8,35

39,81 18,35 7,24

29,14 15,71 8,27

25,11 14,04 9,83

27,85 14,87 8,17

32,59 16,92 7,62

21,26 10,55 8,24

1

2

100

1,82

1,83

97,5

95

93

90

2,5 ПАМ 5 ПАМ 7 ПАМ 10 ПАМ

1,87

1,93

2,01

2,05

1,36

1,07

0,94

0,91

97,5

95

93

90

2,5 МПФ 5 МПФ 7 МПФ 10 МПФ

1,98

2,02

2,06

2,12

1,27

0,98

0,92

0,87

100

1,98

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

2,56

3,47

97,5

95

93

90

2,5 ПАМ 5 ПАМ 7 ПАМ 10 ПАМ

1,89

1,95

2,06

2,13

2,13

1,97

1,74

1,66

1,73

97,5

95

93

90

2,5 МПФ 5 МПФ 7 МПФ 10 МПФ

11000С

2,10

2,12

2,14

2,17

1,89

1,84

1,81

1,72

1,85

6

7

8

100 - 60,63 33,17 1,31 2,23 2,83 1,62

97,5 2,5 ПАМ 78,13 41,23 1,43 2,23 1,45 0,35

95 5 ПАМ 97,47 39,69 1,17 2,25 1,31 0,27

93 7 ПАМ 85,31 37,18 1,34 2,14 1,29 0,43

90 10 ПАМ 52,88 28,05 1,68 2,17 1,25 0,48

97,5 2,5 МПФ 51,93 20,73 1,61 2,18 1,76 0,54

95 5 МПФ 77,89 32,39 1,59 2,23 1,84 0,41

93 7 МПФ 91,44 37,95 1,25 2,29 1,82 0,22

90 10 МПФ 73,12 28,64 1,47 2,23 1,74 0,37

При введении в состав шихты алюминиево-магниевого порошка ПАМ лучшими прочностными характеристиками обладал состав с 5% добавки (максимум при 1100 0С -97,47 МПа), а при введении магниевого порошка МПФ - состав с 7% добавки (максимум при 1100 0С - 91,44 МПа).

Повышение температуры обжига заметно влияет на увеличение плотности керамического черепка (до 2,29 г/см3 при 7% МПФ), снижение водопоглощения (до 1,25% при 10% ПАМ). Увеличение температуры обжига с 1000 до 1100 0С позволяет получать износостойкие (до 0,22 г/см2) изделия повышенной прочности, отвечающие требованиям Европейского стандарта предъявляемые к клинкерной керамике [4].

По результатам физико-механических испытаний был проведен анализ структуры [5] некоторых образцов на фотометрическом комплексе ПОЛАМ-312. Были отобраны образцы, обожженные при температуре до 1100 0С следующих составов: шлиф №1 - глина Калининская 100%; шлиф №2 - с добавкой 5% ПАМ; шлиф №3 - с добавкой 7% МПФ.

Влияние добавки металлического порошка на структуру опытных образцов представлено в табл.5.

Таблица 5- Основные показатели изменения структуры опытных образцов

Основные компоненты структуры Доля компонента в исследованных составах, %

шлиф №1 шлиф №2 шлиф №3

Спекшаяся масса 55-57 52-55 40-45

Псаммито-алевритовый 30-32 32-34 38-40

материал

Стекловидное вещество 5-7 12-14 15-17

Поры 5-7 - -

В шлифе №1 выделяются следующие основные компоненты: спекшаяся масса - 5557%, обломочный песчано-алевритовый материал - 30-32%, стеклофаза - 5-7%, полости (поры) - 5-7%.

Спекшаяся масса представляет собой окрашенное в красно-коричневый цвет криптокристаллическое минеральное вещество, в котором только при очень сильном увеличении и освещении можно наблюдать пятна спекшейся массы сильно ожелезненной (гематит, лимонит) и небольшие участки полупрозрачного, возможно стекловидного вещества.

В составе обломочного материала четко выделяются две гранулометрические группы. Первая группа - зерна псаммитовой (песчаной) размерности. Их размер варьирует от

0,1 до 0,8 мм. Содержания их не велики, всего 5-7%. Среди этих зерен особенно часты зерна кварца. Примечательно, что к зернам кварца часто приурочено стекловидное вещество, проникающее в зерна кварца.

Основная часть обломочного материала представлена второй группой - алевритовыми зернами, размер которых 0,01-0,1 мм. Это многочисленные зерна кварца, располагающиеся в породе близко один около другого, но не соприкасающиеся друг с другом. Их разделяет спекшееся вещество. Примечательной особенностью стекловидного вещества является обилие в нем мельчайших газовых пузырьков.

В шлифе №2 значительная часть керамики (52-55%) приходится на спекшееся вещество, тогда как 32-34% приходится на псаммит-алевритовый обломочный материал и, наконец, 12-14% составляют выделения стекловидного вещества.

Спекшаяся масса отличается значительной неоднородностью. В отраженном свете можно наблюдать, что она состоит из крупных пятнообразных масс спекшегося вещества, окрашенного в красновато-коричневый цвет, что связано с обилием в ней гематита и лимонита. Эти пятнообразные массы ожелезненного, а скорее всего, стекловидного вещества. По распространенности оно несколько уступает сильно ожелезненной спекшейся массе. Примечательно, что в предыдущем шлифе такое стекловидное вещество отсутствует.

В обломочном материале описываемой керамики выделяются две гранулометрические группы: псаммитовая (песчаная) и алевритовая. Псаммитовая группа (фракция) составляет 14-16% объема шлифа. Алевритовый материал составляет основную часть обломочной массы в породе. Он представлен многочисленными равномерно рассеянными в керамике зернами. Размеры этих зерен составляют 0,007-0,1 мм. Это угловатые, часто ос-кольчатые зерна. Помимо кварца в составе алевритовой массы отмечаются единичные зерна плагиоклаза.

В этом шлифе, как и в предыдущем к зернам кварца приурочены выделения стекловидного вещества. Но есть и самостоятельные выделения стекловидного вещества, имеющие сложные очертания. Стекловидное вещество бесцветное, прозрачное.

Керамика шлифа №3 существенно отличается от керамики описанной в шлифах № 1 и 2. Керамика в описываемом шлифе сложена спекшимся веществом - 40-45%, псаммитоалевритовым обломочным материалом - 38-40%, выделениями стекловидного вещества -15-17%.

Спекшаяся масса, представляющая в шлифе базис, в отличие от такого же базиса в ранее описанных шлифах почти целиком состоит из сильно ожелезненного (гематит, лимонит) криптокристаллического вещества.

В нем, в отличие от ранее описанных шлифов, широко распространены мелкие (0,03-0,2 мм), почти идеальные круглые обособления стекловидного вещества. Оно совершенно прозрачно и содержит немногочисленные газовые пузырьки. Надо отметить значительное количество таких стекловидных образований, не уступающих по своей распространенности алевритовому материалу.

Как и в предыдущих шлифах, обломочный материал представлен зернами двух фракций псаммитовой и алевритовой.

Псаммитовые зерна составляют 15-20% объема керамики. Их размеры 0,1-0,7 мм. Очень редки обломочные зерна кремнистых пород (яшм или кремней). Стекловидное вещество помимо выделений, приуроченных к зернам кварца, распространены в виде самостоятельных выделений, имеющих сильно изрезанные неровные края и размеры 0,2 - 0,7 мм.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что добавка некондиционного металлического порошка к легкоплавкой глине позволяет увеличить количество стек-лофазы, выполняющей роль каркаса и придающей изделию более высокие физикомеханические характеристики.

Применение в качестве добавки металлических порошков ПАМ и МПФ в количестве до 7% позволяет увеличить механические характеристики керамических изделий в 1,52,5 раза, повысить плотность в 1,1-1,2 раз и снизить водопоглощение в 1,4-1,7 раза по сравнению с образцами, изготовленными без добавок.

Литература

1. Смирнов, Л.П. Химическая физика разложения энергетических материалов. Проблемы и перспективы / Леонид Смирнов // Успехи химии. - 2004. - № 11. - С. 1210-1232.

2. Кингери, У.В. Введение в керамику / У.В. Кингери. - М.: Стройиздат, 1967.-499с.

3. Мустафин, Н.Р. Клинкерная керамика на основе кремнеземистого сырья и техногенных отходов / Н.Р. Мустафин, Г.Д. Ашмарин // Строительные материалы. - 2006. - №1. - С. 32-33.

4. Бакунов, В.С. Особенности высокоплотной технической керамики. Активность оксидных порошков при спекании / В.С. Бакунов, Е.С. Лукин // Стекло и керамика. - 2008. - №11. - С. 21-25.

5. ГегузинЯ.Е. Физика спекания / Я.Е. Гегузин. - М.: Наука, 1984. -311с.

© С. А. Терешин - асп. каф. химии и технологии гетерогенных систем КГТУ; А. М. Коробков -д-р техн. наук, проф., зав. каф. химии и технологии гетерогенных систем КГТУ, [email protected].

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.