Світличний Євгеній Олександрович. Корундова кераміка, модифікована діоксидом цирконію, з підвищеними міцністю та термостіійкістю

brief description

Світличний Євгеній Олександрович. Корундова кераміка, модифікована діоксидом цирконію, з підвищеними міцністю та термостіійкістю : Дис... канд. наук: 05.17.11 - 2006.

Світличний Є.О. Корундова кераміка, модифікована діоксидом цирконію, з підвищеними міцністю та термостійкістю. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.11 технологія тугоплавких неметалічних матеріалів. Національний технічний університет Харківський політехнічний інститут”, Харків, 2006.
Дисертацію присвячено питанню розробки технології корундової кераміки, модифікованої діоксидом цирконію, з підвищеними міцністю та термостійкістю при використанні сировини України і обладнання, що традиційно застосовується. Досліджено вплив різних способів введення в корундову кераміку добавки діоксиду цирконію на її властивості і показана ефективність введення вказаної добавки методом просочування глинозему, який складається із g-Al2O3, водним розчином оксихлориду цирконію з наступною термообробкою при температурі 15500С для утворення в суміші частинок -Al2O3 і ZrO2. Встановлено, що зразки на основі такого глинозему мають найменший вміст шкідливої домішки Na2O < 0,05-0,06 %. Вони характеризуються найменшим розміром кристалів корунду (< 4-10 мкм) завдяки тому, що нанодисперсні частинки діоксиду цирконію, що утворилися, розташовуються вельми рівномірно у міжзеренному просторі -Al2O3 і як наслідок, мають підвищені властивости як порівняно з корундовими зразками з добавками ZrO2, одержаними іншими способами, так і порівняно з корундовими виробами з добавкою 0,2 % MgO, що традиційно випускаються. Встановлено оптимальну кількість добавки діоксиду цирконію 5 і 10 %, що дозволяє підвищити відповідно термостійкість і міцність корундових виробів. Показано, що підвищені показники властивостей кераміки на основі глинозему, що просочений оксихлоридом цирконію з наступною термообробкою, визначаються її напруженою та мікротріщинуватою структурою, яка сприяє розсіюванню енергії тріщин, що виникають підчас служби кераміки. Розроблено технологічні параметри виготовлення виробів з корундової кераміки з добавками ZrO2методом шлікерного лиття у гіпсові форми, здійснено випуск розроблених виробів з добавками діоксиду цирконію та проведено їх порівняльні випробування з виробами з добавками MgO і TiO2, що традиційно випускаються. Проведені випробування в службі показали перевагу розроблених видів кераміки з добавками ZrO2.

На підставі результатів виконаної роботи вирішено науково-практичне завдання з розробки технології корундової кераміки, модифікованої діоксидом цирконію, з підвищеними міцністю і термостійкістю при використанні сировини України і обладнання, що традиційно застосовується.
1. В результаті проведених досліджень впливу різних способів введення в корундову кераміку добавки діоксиду цирконію на її властивості показана ефективність введення вказаної добавки методом просочування глинозему, який складається із g-Al2O3, водним розчином оксихлориду цирконію з наступною термообробкою при температурі 15500С для утворення в суміші частинок -Al2O3 і ZrO2. Встановлено, що зразки на основі глиноземів, які виготовлено цим способом, мають найменший вміст шкідливої домішки Na2O (< 0,05-0,06 %) і характеризуються найменшими розмірами кристалів корунду (< 4-10 мкм) завдяки тому, що нанодисперсні частинки діоксиду цирконію, що утворилися, розташовуються вельми рівномірно у міжзеренному просторі -Al2O3 і є інгібітором росту кристалів.
2. Дослідження впливу кількості добавки ZrO2на властивості глинозему, що просочений водним розчином оксихлориду цирконію з наступною термообробкою, показало, що добавка діоксиду цирконію у кількості 5-12,5 % розподіляється в глиноземі рівномірно і сприяє формуванню розгалуженої форми агрегатів, яка позитивно впливає на подальше подрібнення глинозему. При підвищені вмісту діоксиду цирконію до 7,5-12,5 % відбувається значне зменшення розмірів як агрегатів, так і окремих зерен корунду, оскільки частинки ZrO2розклинюють зерна -Al2O3, це сприятливо позначається на подальшому подрібненні глинозему.
3. На підставі вивчення впливу кількості добавки ZrO2на кінетику помелу глинозему показано, що протягом трьох годин помелу у вібраційному млині глинозем з добавками 5-12,5 % ZrO2подрібнюється до високого ступеню дисперсності частинок (~ 70 % < 2 мкм) і характеризується їх ефективним розподілом, що забезпечує максимальне ущільнення сирцю під час його формування та спікання.
4. Дослідженнями впливу технологічних чинників на реологічні та технологічні властивості шлікерів і відливок з них встановлено оптимальний інтервал рН = 3-4, при якому глиноземні шлікера з добавками діоксиду цирконію мають найкращу текучість та стабільність, що обумовлене меншою товщиною міцно пов'язаних шарів дисперсійного середовища навколо частинок глинозему в кислому середовищі, унаслідок чого відливки мають найбільшу щільність 2,87-2,90 г/см3. Встановлено доцільність вакуумування шлікеру і підігріву його до температури 300С, що дозволяє понизити в'язкість системи до 4,5 МПас і збільшити щільність відливок до 2,93 г/см3за рахунок видалення газових включень.
5. Зразки кераміки на основі глинозему, просоченого водним розчином оксихлориду цирконію з наступною термообробкою і помелом, характеризуються поліпшеними властивостями як порівняно з корундовими зразками з добавками ZrO2, які одержано іншими способами, так і порівняно з корундовими виробами з добавкою 0,2 % MgO, що традиційно випускаються. Встановлено, що вміст 5 % ZrO2в кераміці забезпечує найбільше значення термостійкості ДТ = 2300С, а вміст 10 % ZrO2 найбільші значення межі міцності при вигині 450 МПа та коефіцієнту інтенсивності напруг К1с 7 МПам0,5, тому ці склади обрано оптимальними. Електронномікроскопічне дослідження зразків кераміки показало, що підвищені показники властивостей кераміки на основі глинозему, що просочений оксихлоридом цирконію з наступною термообробкою, визначаються її напруженою та мікротріщинуватою структурою, яка сприяє розсіюванню енергії тріщин, що виникають підчас служби кераміки.
6. Встановлені технологічні параметри виготовлення виробів з корундової кераміки з добавками діоксиду цирконію з підвищеними міцністю і термостійкістю. Спосіб виготовлення матеріалу для конструкційної корундової кераміки з добавкою діоксиду цирконію захищено патентом України.
7. Розроблено технічну документацію на виробництво тонкодисперсного корундового порошку з добавками ZrO2для виготовлення дослідних партій особливощільних корундових виробів з добавками ZrO2методом шлікерного лиття у гіпсові форми. Розроблену технологію освоєно і впроваджено на дослідному виробництві ВАТ УкрНДІВ імені А.С. Бережного”. Здійснено випуск дослідних високовогнетривких особливощільних корундових виробів з добавками діоксиду цирконію методом шлікерного лиття у гіпсові форми та проведено їх порівняльні випробування з виробами з добавками MgO і TiO2, що традиційно випускаються. Випробуваннями в службі встановлено перевагу розроблених видів кераміки з добавками діоксиду цирконію при плавці паладію при температурах до 17000С, в умовах розтягуючих навантажень при температурі 250С, а також в умовах електричного інфрачервоного нагріву.
На підставі проведених випробувань розроблено, узгоджено із споживачами кераміки і затверджено технічні умови на корундові особливощільні вироби з добавкою діоксиду цирконію, відповідно до яких передбачено дві марки: КОЩЦ-5 і КОЩЦ-10 для виготовлення різних типорозмірів. Розроблена корундова кераміка з добавками ZrO2відповідає рівню зарубіжних аналогів і в даний час використовується на трьох підприємствах України.