Состав шихты для получения термостойкого и износостойкого керамического материала

(51) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СОСТАВ ШИХТЫ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕРМОСТОЙКОГО И ИЗНОСОСТОЙКОГО КЕРАМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА(71) Заявители Учреждение образования Белорусский государственный технологический университет(72) Авторы Дятлова Евгения Михайловна Бирюк Виктор Алексеевич Какошко Елена Станиславовна Сергиевич Ольга Александровна(73) Патентообладатели Учреждение образования Белорусский государственный технологический университет(57) Состав шихты для получения термостойкого и износостойкого керамического материала, включающий глину огнеупорную и глинозем технический, отличающийся тем, что дополнительно содержит оксид железаи сажу при следующем соотношении компонентов, мас.глина огнеупорная 72,0-76,0 глинозем технический 4,0-6,0 оксид железа 20,0-22,0 сажа, сверх 1000,5-2,0. Изобретение относится к области получения термостойких и износостойких керамических материалов, способных работать в условиях механических нагрузок и резких перепадов температур не разрушаясь, и может быть использовано в керамической, металлургической, машиностроительной, химической и других отраслях промышленности. Одним из наиболее важных эксплуатационных свойств керамических материалов(наряду с огнеупорностью) является стойкость к термоудару, резкому изменению температуры, т.е. термостойкость. Свойствами, которые могут повысить термостойкость керамики, являются низкий температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР),высокая механическая прочность, а также значительная температуропроводность. Немаловажную роль играет структура материала, способная релаксировать возникающие термические напряжения при резких сменах температуры 1. Известен состав шихты для изготовления кордиеритовой керамики 2, включающий,мас.тальк 39-41, каолин 19-20, глинозем 23-25, кварцевый песок 8-12 и полевой шпат 4-8. 16169 8 2012.12.30 Недостатком этого состава также является недостаточная реакционно-способность шихты и необходимость проведения процесса синтеза при высоких температурах 13001400 С. Керамика из известного состава имеет низкие прочностные показатели. Известен состав шихты для изготовления кордиеритовой керамики 3, включающий,мас.каолинит-гидрослюдистую глину 42-46 гидрооксид алюминия синтетический 1820 тальк 31-34 и кордиеритовый спек 3-5. Керамику получают следующим образом. Исходные компоненты шихты тщательно размалывают до средних размеров частиц 2 мкм,перемешивают всухую, увлажняют водой до влажности 5-6 и подвергают полусухому прессованию в пресс-формах различной конфигурации и размеров. Отпрессованные изделия сушат и обжигают в электрической печи, поднимая температуру со скоростью от 450500 С до 1180-1200 С, выдерживают при максимальной температуре 1-1,5 ч и охлаждают. Известный состав обеспечивает получение кордиеритовой керамики, обладающей водопоглощением 1,8-13,1 , пористостью 4,4-26,5 , механической прочностью при сжатии 52-85 МПа, ТКЛР (2,2-2,3)10-7 К-1, термостойкостью более 130 теплосмен. Недостатком известного состава шихты для изготовления кордиеритовой керамики является присутствие промежуточного продукта получения технического глинозема гиббсита 3, обусловливающего значительную усадку материала при сушке и обжиге. Наиболее близкой по составу и технической сущности к предлагаемому изобретению является шихтовая композиция для изготовления термостойких керамических изделий 4,принятая в качестве прототипа, которая содержит, мас.огнеупорную глину 20-25 каолин 5-20 глинозем 15-30 тальк 25-50 и легкоплавкую глину кирпичного производства 515. Композиция обеспечивает получение прочных изделий с высоким выходом кордиерита при пониженных температурах обжига 1240-1280 С. Однако интервал обжига невелик и составляет 40 С. При повышении температуры обжига фиксируется деформация изделий и ухудшаются свойства. Недостатком указанного решения является получение материалов с относительно низкой прочностью, обусловленной содержанием большого количества глинозема в шихте,что также увеличивает себестоимость материала. Задачей предлагаемого изобретения является разработка состава шихты для получения керамических материалов, обладающих широким интервалом спекания, высокими показателями плотности, механической прочности, твердости и термостойкости при снижении температуры обжига. Решение поставленной задачи достигается тем, что состав шихты для получения термостойких и износостойких керамических материалов, включающий глину огнеупорную и глинозем технический, отличается тем, что дополнительно содержит оксид железаи сажу при следующем соотношении компонентов, мас.глина огнеупорная 72,0-76,0 глинозем технический 4,0-6,0 оксид железа 20,0-22,0 и сажа, сверх 1000,5-2,0. Отличительной особенностью предлагаемого состава шихты для получения термостойких и износостойких керамических материалов в сравнении с прототипом является замена в системе -23-2 магнийсодержащего сырьевого компонента - талька - на железосодержащий - оксид железа , что обусловливает в системе -23-2 малорасширяющейся кристаллической фазой - образование феррокордиерита. В качестве источникаможет использоваться отход гальванического производства - шлак ферриферрогидрозолевого осаждения. Кроме этого, с целью создания восстановительной среды обжига в составы масс вводилась сажа в количестве 0,5-2,0(сверх 100 ), препятствующая переходу катиона 2 в более высокую степень окисления, что обеспечивает формирование кристаллической фазы феррокордиерита. Сажа практически на 98 состоит из углерода, который интенсивно окисляется в процессе обжига, обеспечивая восстановительные условия синтеза заданной фазы. 2 16169 8 2012.12.30 Синтез материалов проводился в обширной области трехкомпонентной системы 23-2, характеризующейся наличием трех двойных соединений герцинит(23), фаялит (22), муллит (32 О 322) и тройного соединения - феррокордиерит (222352). Единственной устойчивой в присутствии расплава малорасширяющейся кристаллической фазой является феррокордиерит, образующий пористые и волокнистые агрегаты кристаллов. Первичный расплав образуется уже при температуре 10835 С 5. В качестве исходного взят состав, наиболее близко расположенный к точке кристаллизации феррокордиерита и рассчитанный, согласно формуле 222352, при следующем содержании компонентов, мас.глина огнеупорная 75,95 технический глинозем 4,74, оксид железа 19,31. В качестве исходных сырьевых материалов для синтеза использовались огнеупорная глина веселовского месторождения марки Веско-Гранитик (ТУ У 14.2-00282049-0032007), технический глинозем марки ГНК (ГОСТ 30559), прокаленный при температуре 1150-1200 С, и оксид железамарки ХЧ. Керамические массы из предлагаемой шихты готовятся совместным мокрым помолом сырьевых компонентов в микрошаровой мельнице с дальнейшим обезвоживанием шликера в гипсовой форме и сушкой в сушильном шкафу при температуре 1005 С. Высушенные керамические массы растираются в ступке до полного прохождения через сито 1 и увлажняются водой до влажности 6-8 . Приготовленный пресс-порошок вылеживается до усреднения по влажности в течение суток. Образцы прессуются при давлении 20 МПа на гидравлическом прессе, высушиваются в сушильном шкафу при 1005 С в течение 1 ч и обжигаются при температуре 1100-1150 С в электрической печи с выдержкой при максимальной температуре 1 ч, скорость подъема температуры - 200-250 С/ч. В температурном интервале 1100-1150 С формируется кристаллическая фаза феррокордиерита по следующей реакции 2 1 232 2(22235 2 )(23 ) . 5 5(герцинит) В вышеуказанном температурном интервале содержание малорасширяющейся кристаллической фазы феррокордиерита значительно возрастает, что сказывается на температурном коэффициенте линейного расширения, который в этом случае достигает своего минимального значения. Дополнительными кристаллическими фазами при этом являются герцинит, фаялит, муллит и незначительное количество остаточного кристаллического кварца. Предлагаемое изобретение поясняется следующими примерами. Пример 1 Состав шихты включает, мас.глину огнеупорную 72,0 технический глинозем 6,0 оксид железа 22,0 и сажу 2,0 (сверх 100 ). Керамические массы готовят совместным мокрым помолом сырьевых компонентов с дальнейшим обезвоживанием шликера в гипсовой форме и сушкой в сушильном шкафу при температуре 1005 С. Формование изделий осуществляют методом полусухого прессования пресс-порошка влажностью 6-8 . Отформованные изделия сушат при температуре 1005 С и обжигают при температурах 1100-1150 С в электрической печи с экспонентой 1 ч. Пример 2 Состав шихты включает, мас.глину огнеупорную 74,0 технический глинозем 5,0 оксид железа 21,0 и сажу 1,0 (сверх 100 ). Технология получения термостойкого и износостойкого материала из данного состава шихты аналогична примеру 1. Пример 3 Состав шихты включает, мас.глину огнеупорную 76,0 технический глинозем 4,0 оксид железа 20,0 и сажу 0,5 (сверх 100 ). Технология получения термостойкого и износостойкого материала из данного состава шихты аналогична примеру 1. 3 16169 8 2012.12.30 Составы предлагаемых шихтовых смесей и показатели основных свойств материалов из них, в сравнении с прототипом, приведены в таблице. Составы шихтовых смесей и показатели основных свойств материалов Составы шихтовых смесей и покаПрототип затели свойств материала Наименование компонентов и свойств 4 1 2 3 Глина огнеупорная 72,0 74,0 76,0 20-25 Глина легкоплавкая 5-15 Каолин 5-20 Глинозем технический 6,0 5,0 4,0 15-30 Оксид железа 22,0 21,0 20,0 Тальк 25-50 Сажа (сверх 100 ) 2,0 1,0 0,5 1100 Температура спекания, С 1100-1150 1100-1150 1240-1280 1150 Усадка огневая,3,9-6,2 4,1-6,4 4,3-6,7 Водопоглощение,2,2-1,6 3,2-2,3 6,4-4,7 13,3-13,9 Пористость открытая,5,4-3,5 7,7-5,0 15,5-10,1 27,6-28,1 Плотность кажущаяся, кг/м 3 2,5-2,6 2,4-2,6 2,4-2,5 2,04-2,08 Температурный коэффициент линейного 2,5-2,8 2,4-2,44 3,1-3,6 2,4 расширения (20-400 С), 106 К-1 Предел прочности при сжатии, МПа 190-215 193-196 190-192 68-85 Предел прочности при изгибе, МПа 65-70 55-56 53-54 Твердость по шкале Мооса 8,5 8,0 8,0 Теплопроводность, Вт/мК 0,87-0,96 0,9-0,98 0,92-0,98 Удельное объемное электросопротивле(2,3(2,31,3-1010 ние, , Омсм 1,3)1010 1,3)1010 Термостойкость, количество теплосмен более более 100 более 100 более 120(1000 С - вода) 100 За пределами заявленных составов не достигается поставленная цель. Для получения активной формы железистого соединения - малорасширяющейся кристаллической фазы феррокордиерита - использовалась сажа как неотъемлемый компонент для создания восстановительной среды обжига, т.к. в лабораторных условиях очень сложно создать пониженное давление в электрических печах. При изменении параметров среды обжига (уменьшение давления и восстановительный характер) более интенсивно протекают усадочные явления, соответственно уменьшается водопоглощение и увеличивается прочность образцов. С увеличением количества сажи, согласно данным таблицы,плотность образцов уменьшается и, соответственно, увеличиваются водопоглощение и открытая пористость, поскольку сажа состоит на 98 из углерода, который интенсивно окисляется в процессе обжига, увеличивая проницаемость и количество пор в керамическом материале. Но, несмотря на это, синтезированные керамические материалы обладают высокой плотностью, механической прочностью и термостойкостью при снижении температуры спекания на 130 С. Высокая прочность феррокордиерита, по сравнению с материалом прототипа (магнезиальный кордиерит), полученного на основе известного состава, обеспечивает высокую износостойкость. Предлагаемый состав шихты может использоваться для получения керамических термостойких и высокопрочных износостойких изделий для различных отраслей промышленности металлургическая, машиностроительная, химическая и др. 4 16169 8 2012.12.30 Источники информации 1. Тонкая техническая керамика / Под ред. Х.Янагида. Пер. с яп. - М. Металлургия,1986. - 279 с. 2.2036883 1, МПК 04 35/18 // БИ 24. - 2000. 3.8183, МПК 04 35/195 // БИ 4. - 2006. 4.94011934, МПК 304 35/20,04 35/18 // БИ 36. - 1995 (прототип). 5. Белянкин Д.С. Физико-химические системы силикатной технологии / Д.С.Белянкин,В.В.Лапин, Н.А.Торопов. - М. Промстроиздат, 1954. -372 с. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5