Помощь студентам в учебе
ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ ПОРОШКА ОКСИДА АЛЮМИНИЯ И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ЛИТЕЙНУЮ СПОСОБНОСТЬ ТЕРМОПЛАСТИЧНОГО ШЛИКЕРА
|
АННОТАЦИЯ 3
ВВЕДЕНИЕ 7
ГЛАВА 1. ПОДГОТОВКА ИСХОДНОГО ПОРОШКА AI2O3 12
1.1. Термическая и механическая обработка 12
1.2. Исследование структуры, гранулометрического состава и удельной
поверхности 13
ГЛАВА 2. ПОДГОТОВКА ТЕРМОПЛАСТИЧНОЙ СУСПЕНЗИИ ДЛЯ
ГОРЯЧЕГО ЛИТЬЯ 24
2.1. Основы технологии изготовления и свойства литейных систем 24
2.2. Введение ПАВ и подготовка термопластичного шликера 31
2.3. Исследование литейной способности 32
ВЫВОДЫ 45
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 46
ВВЕДЕНИЕ 7
ГЛАВА 1. ПОДГОТОВКА ИСХОДНОГО ПОРОШКА AI2O3 12
1.1. Термическая и механическая обработка 12
1.2. Исследование структуры, гранулометрического состава и удельной
поверхности 13
ГЛАВА 2. ПОДГОТОВКА ТЕРМОПЛАСТИЧНОЙ СУСПЕНЗИИ ДЛЯ
ГОРЯЧЕГО ЛИТЬЯ 24
2.1. Основы технологии изготовления и свойства литейных систем 24
2.2. Введение ПАВ и подготовка термопластичного шликера 31
2.3. Исследование литейной способности 32
ВЫВОДЫ 45
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 46
Керамика на основе оксида алюминия в а модификации, или корундовая керамика, является самым распространенным материалом из класса оксидных керамик. Данный материал сочетает в себе ряд свойств, таких как:
- высокие механические характеристики, в особенности, прочность при сжатии, твердость, износостойкость;
- стойкость к термическим воздействиям, механические характеристики сохраняются при нагреве до 1600 - 1700°C, материал выдерживает большие температурные градиенты и термические удары;
- высокая диэлектрическая проницаемость;
- стойкость к химически агрессивным средам [1].
Сочетание вышеперечисленных свойств и относительная доступность исходного сырья обуславливают широкий спектр областей применения изделий из керамики на основе оксида алюминия, среди них:
- производство керамических электроизоляторов;
- производство деталей, подверженных износу: подшипники, пары трения, футеровка;
- производство деталей, работающих в условии повышенных температурных нагрузок, например, сопла для аргонно-дуговой сварки, горелки, насадки экструдеров;
- производство деталей оборудования, работающего в химически-агрессивных средах;
- производство медицинских изделий, предназначенных для замещения костных тканей [2].
Процесс производства изделий из корундовой керамики, начиная от получения исходного сырья, состоит из следующих этапов:
1. Получение исходного сырья.
Технический оксид алюминия получают путем разложения боксита - минерала, представляющего собой смесь гидроксидов алюминия. После разложения боксита раствором едкой щелочи, образуется алюминат натрия, который затем переходит в раствор. Раствор очищают от примесей, после чего прокаливают при температуре 1200°C. В результате образуется порошок технического глинозема, который представляет собой шарообразные агломераты кристаллов у-ЛЪОз. Также порошки оксида алюминия получают термическим разложением некоторых солей алюминия. Данными методами получают порошки с размером частиц 0,1 мкм., и размером агломератов 40 - 70 мкм. Для получения ультрадисперсных порошков используют методы совместного осаждения гидроксидов (СОГ) и плазмохимического синтеза (ПХС). Сущность метода СОГ заключается в растворении солей алюминия, например Л1С1з в растворе аммиака и последующем выпадении образующихся гидратов в осадок. Полученные гидроксиды сушат и прокаливают, в результате образуется порошок AI2O3 с размером частиц 10-100нм. В технологии ПХС водный раствор Л1(ЫОз)з подается в сопло плазмотрона. В каплях раствора возникают чрезвычайно высокие температурные градиенты, происходит очень быстрый процесс синтеза и кристаллизации AI2O3. Частицы порошка имеют сферическую форму и размер 0,1-1мкм [3].
2. Прокаливание исходных порошков при температуре 1200 - 1500°С.
С целью обезвоживания и перехода в устойчивую а модификацию порошки подвергаются предварительному прокаливанию [4].
3. Измельчение частиц порошка.
В случае с техническим глиноземом, для размола агломератов и уменьшения размера частиц, выравнивания гранулометрического состава, порошки подвергают механической активации в шаровых, вибрационных либо струйных мельницах [5].
4. Формование изделий.
Формование изделий из корундовой керамики производят путем литья из водных суспензий, горячего литья под давлением, одноосного статического прессования, гидростатического прессования, горячего прессования.
5. Спекание.
Спекание корундовой керамики в большинстве случаев является твердофазным. Температура спекания зависит от дисперсности и активности исходных порошков, условий спекания, вида и количества добавок. Дисперсность порошков корунда оказывает решающее влияние не только на температуру спекания, но и вообще на возможность спекания корунда. Максимальный размер частиц порошка AI2O3 не должен превышать 3-5 мкм. Для порошков AI2O3 с дисперсностью 1-2 мкм. без введения добавок температура спекания находится в пределах 1700-1750°С. При этом достигается плотность 3,7-3,85г/см3, или относительная плотность 0,940,96%. Для подобного уплотнения при дисперсности 2 мкм. требуется температура 1750-1800°С, а при дисперсности около 5 мкм. даже при 1850°С плотность составляет всего 0,82-0,84% от теоретической. Ультра- и нано- дисперсные порошки А12О3 вследствие высокой поверхностной энергии и дефектности кристаллического строения являются весьма активными. Корундовые прессовки из таких порошков могут спекаться до высокой плотности (0,95) при температуре 1600°С без существенного увеличения размера зерна [3].
Во многих случаях в корундовую шихту вводятся различные добавки в виде оксидов или солей. Это делается с целью снижения температуры спекания и изменения характера кристаллизации при спекании.
Каждый из перечисленных этапов оказывает влияние на химический состав, макро-, микро- и кристаллическую структуру, физико-механические свойства материала, что, соответственно, определяет конечные свойства 9
изделий. Таким образом, актуальной задачей является выявление взаимосвязей между данными характеристиками, с целью построения оптимального технологического процесса, для получения изделий с определенными заданными свойствами.
Среди методов формования изделий, наиболее перспективным является метод горячего литья термопластичных суспензий. Данный метод позволяет получать изделия как простой, так и сложной геометрии, при этом не является трудоемким и эффективен с экономической точки зрения, так как не требует специфического, технологически сложного оборудования [6]. Производственный процесс состоит из следующих ключевых этапов:
1) подготовка исходного порошкового материала;
2) смешивание порошкового материала и связующего, для образования термопластичной дисперсной системы;
3) изготовление полуфабрикатов изделий путем литья в форму;
4) термообработка полуфабрикатов с целью удаления связующего и последующего спекания порошкового материала [7].
Актуальностью, в данном случае, обладают знания, описывающие зависимость реологических характеристик термопластичного шликера от характеристик исходного порошкового материала. Таким образом, появляется возможность оптимально конфигурировать технологические процессы, начиная от подготовки исходного порошка, в зависимости от требуемых характеристик конечного изделия, принимая во внимание реологические характеристики термопластичной суспензии для литья, так как они определяют возможность формирования требуемой геометрии и необходимые технологические параметры при литье.
В настоящей работе в качестве исходного порошкового материала использовался технический глинозем марки Г-00, который прокаливался при температуре 1200°С для перехода ЛГОз в а модификацию [8]. Детально рассмотрен этап подготовки исходного порошка а-ЛЬОз, которая производилась методом механической активации в шаровой мельнице, с целью определения вклада структуры частиц, удельной поверхности, гранулометрического состава в формирование литейной способности термопластичного шликера, используемого для формования керамических изделий методом горячего литья.
Также рассмотрена усадка и плотность образцов керамики после удаления связующего и спекания.
Опираясь на полученные результаты, возможно определить оптимальное время предварительной механической активации порошка, для получения необходимой литейной способности дисперсной сист
- высокие механические характеристики, в особенности, прочность при сжатии, твердость, износостойкость;
- стойкость к термическим воздействиям, механические характеристики сохраняются при нагреве до 1600 - 1700°C, материал выдерживает большие температурные градиенты и термические удары;
- высокая диэлектрическая проницаемость;
- стойкость к химически агрессивным средам [1].
Сочетание вышеперечисленных свойств и относительная доступность исходного сырья обуславливают широкий спектр областей применения изделий из керамики на основе оксида алюминия, среди них:
- производство керамических электроизоляторов;
- производство деталей, подверженных износу: подшипники, пары трения, футеровка;
- производство деталей, работающих в условии повышенных температурных нагрузок, например, сопла для аргонно-дуговой сварки, горелки, насадки экструдеров;
- производство деталей оборудования, работающего в химически-агрессивных средах;
- производство медицинских изделий, предназначенных для замещения костных тканей [2].
Процесс производства изделий из корундовой керамики, начиная от получения исходного сырья, состоит из следующих этапов:
1. Получение исходного сырья.
Технический оксид алюминия получают путем разложения боксита - минерала, представляющего собой смесь гидроксидов алюминия. После разложения боксита раствором едкой щелочи, образуется алюминат натрия, который затем переходит в раствор. Раствор очищают от примесей, после чего прокаливают при температуре 1200°C. В результате образуется порошок технического глинозема, который представляет собой шарообразные агломераты кристаллов у-ЛЪОз. Также порошки оксида алюминия получают термическим разложением некоторых солей алюминия. Данными методами получают порошки с размером частиц 0,1 мкм., и размером агломератов 40 - 70 мкм. Для получения ультрадисперсных порошков используют методы совместного осаждения гидроксидов (СОГ) и плазмохимического синтеза (ПХС). Сущность метода СОГ заключается в растворении солей алюминия, например Л1С1з в растворе аммиака и последующем выпадении образующихся гидратов в осадок. Полученные гидроксиды сушат и прокаливают, в результате образуется порошок AI2O3 с размером частиц 10-100нм. В технологии ПХС водный раствор Л1(ЫОз)з подается в сопло плазмотрона. В каплях раствора возникают чрезвычайно высокие температурные градиенты, происходит очень быстрый процесс синтеза и кристаллизации AI2O3. Частицы порошка имеют сферическую форму и размер 0,1-1мкм [3].
2. Прокаливание исходных порошков при температуре 1200 - 1500°С.
С целью обезвоживания и перехода в устойчивую а модификацию порошки подвергаются предварительному прокаливанию [4].
3. Измельчение частиц порошка.
В случае с техническим глиноземом, для размола агломератов и уменьшения размера частиц, выравнивания гранулометрического состава, порошки подвергают механической активации в шаровых, вибрационных либо струйных мельницах [5].
4. Формование изделий.
Формование изделий из корундовой керамики производят путем литья из водных суспензий, горячего литья под давлением, одноосного статического прессования, гидростатического прессования, горячего прессования.
5. Спекание.
Спекание корундовой керамики в большинстве случаев является твердофазным. Температура спекания зависит от дисперсности и активности исходных порошков, условий спекания, вида и количества добавок. Дисперсность порошков корунда оказывает решающее влияние не только на температуру спекания, но и вообще на возможность спекания корунда. Максимальный размер частиц порошка AI2O3 не должен превышать 3-5 мкм. Для порошков AI2O3 с дисперсностью 1-2 мкм. без введения добавок температура спекания находится в пределах 1700-1750°С. При этом достигается плотность 3,7-3,85г/см3, или относительная плотность 0,940,96%. Для подобного уплотнения при дисперсности 2 мкм. требуется температура 1750-1800°С, а при дисперсности около 5 мкм. даже при 1850°С плотность составляет всего 0,82-0,84% от теоретической. Ультра- и нано- дисперсные порошки А12О3 вследствие высокой поверхностной энергии и дефектности кристаллического строения являются весьма активными. Корундовые прессовки из таких порошков могут спекаться до высокой плотности (0,95) при температуре 1600°С без существенного увеличения размера зерна [3].
Во многих случаях в корундовую шихту вводятся различные добавки в виде оксидов или солей. Это делается с целью снижения температуры спекания и изменения характера кристаллизации при спекании.
Каждый из перечисленных этапов оказывает влияние на химический состав, макро-, микро- и кристаллическую структуру, физико-механические свойства материала, что, соответственно, определяет конечные свойства 9
изделий. Таким образом, актуальной задачей является выявление взаимосвязей между данными характеристиками, с целью построения оптимального технологического процесса, для получения изделий с определенными заданными свойствами.
Среди методов формования изделий, наиболее перспективным является метод горячего литья термопластичных суспензий. Данный метод позволяет получать изделия как простой, так и сложной геометрии, при этом не является трудоемким и эффективен с экономической точки зрения, так как не требует специфического, технологически сложного оборудования [6]. Производственный процесс состоит из следующих ключевых этапов:
1) подготовка исходного порошкового материала;
2) смешивание порошкового материала и связующего, для образования термопластичной дисперсной системы;
3) изготовление полуфабрикатов изделий путем литья в форму;
4) термообработка полуфабрикатов с целью удаления связующего и последующего спекания порошкового материала [7].
Актуальностью, в данном случае, обладают знания, описывающие зависимость реологических характеристик термопластичного шликера от характеристик исходного порошкового материала. Таким образом, появляется возможность оптимально конфигурировать технологические процессы, начиная от подготовки исходного порошка, в зависимости от требуемых характеристик конечного изделия, принимая во внимание реологические характеристики термопластичной суспензии для литья, так как они определяют возможность формирования требуемой геометрии и необходимые технологические параметры при литье.
В настоящей работе в качестве исходного порошкового материала использовался технический глинозем марки Г-00, который прокаливался при температуре 1200°С для перехода ЛГОз в а модификацию [8]. Детально рассмотрен этап подготовки исходного порошка а-ЛЬОз, которая производилась методом механической активации в шаровой мельнице, с целью определения вклада структуры частиц, удельной поверхности, гранулометрического состава в формирование литейной способности термопластичного шликера, используемого для формования керамических изделий методом горячего литья.
Также рассмотрена усадка и плотность образцов керамики после удаления связующего и спекания.
Опираясь на полученные результаты, возможно определить оптимальное время предварительной механической активации порошка, для получения необходимой литейной способности дисперсной сист
Получены результаты, описывающие характеристики микроструктуры порошков а модификации оксида алюминия на различных масштабных уровнях при различной длительности механической активации. Из активированных порошков изготовлены термопластичные суспензии для шликерного литья на основе парафина в качестве связующего. Исследована литейная способность полученных шликеров. Методом горячего литья получены образцы керамик, исследована их усадка и плотность после термообработки.
По результатам исследования порошка после различного времени механической активации, выявлено, что предельное значение удельной поверхности, которое может быть достигнуто для порошка глинозема Г-00 методом измельчения в шаровой мельнице, составляет 9,63 м2/г. Данное значение достигается после механической обработки в течении 75 часов, также после такой продолжительности механической обработки достигается наименьший размер агломератов и наиболее равномерный гранулометрический состав порошка.
Наибольшей литейной способностью обладает состав шликера, подготовленного на основе порошка после механической активации в течении 75 часов.
Методом шликерного литья изготовлены образцы керамик из порошка после различного времени механической активации, в течении 75 и 100 часов. Исследована усадка образцов в ходе термической обработке и итоговая плотность. Потери по массе после термической обработки совпадают с содержанием термопластичного связующего в образцах.
При относительно высоком содержании связующего (22%), достигается плотность более 80% относительно теоретической плотности оксида алюминия.
Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы.
1. Оптимальное время механической активации в барабанной мельнице порошка глинозема Г-00 для получения наиболее равномерного гранулометрического состава - 75 часов. Последующее увеличение времени механической активации приводит к повторной агломерации частиц, ввиду высокой поверхностной энергии.
2. Литейные свойства шликера зависят преимущественно от гранулометрического состава порошка. Шликеры на основе порошков с наиболее равномерным распределением частиц по размеру обладают лучшей литейной способностью.
3. Состав термопластичного связующего на основе парафина и режим термической обработки полуфабрикатов, состоящий из двух этапов - отжига в засыпке при температуре 300°С и спекания в атмосфере воздуха при температуре 1600°С, позволяют получать изделия из оксида алюминия методом горячего литья с равномерной усадкой и без каких-либо дефектов макроструктуры.
4. Для шликера на основе порошка оксида алюминия после 75 часов механической активации возможно увеличение содержания твердой фазы с целью повышения плотности спеченной керамики.
По результатам исследования порошка после различного времени механической активации, выявлено, что предельное значение удельной поверхности, которое может быть достигнуто для порошка глинозема Г-00 методом измельчения в шаровой мельнице, составляет 9,63 м2/г. Данное значение достигается после механической обработки в течении 75 часов, также после такой продолжительности механической обработки достигается наименьший размер агломератов и наиболее равномерный гранулометрический состав порошка.
Наибольшей литейной способностью обладает состав шликера, подготовленного на основе порошка после механической активации в течении 75 часов.
Методом шликерного литья изготовлены образцы керамик из порошка после различного времени механической активации, в течении 75 и 100 часов. Исследована усадка образцов в ходе термической обработке и итоговая плотность. Потери по массе после термической обработки совпадают с содержанием термопластичного связующего в образцах.
При относительно высоком содержании связующего (22%), достигается плотность более 80% относительно теоретической плотности оксида алюминия.
Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы.
1. Оптимальное время механической активации в барабанной мельнице порошка глинозема Г-00 для получения наиболее равномерного гранулометрического состава - 75 часов. Последующее увеличение времени механической активации приводит к повторной агломерации частиц, ввиду высокой поверхностной энергии.
2. Литейные свойства шликера зависят преимущественно от гранулометрического состава порошка. Шликеры на основе порошков с наиболее равномерным распределением частиц по размеру обладают лучшей литейной способностью.
3. Состав термопластичного связующего на основе парафина и режим термической обработки полуфабрикатов, состоящий из двух этапов - отжига в засыпке при температуре 300°С и спекания в атмосфере воздуха при температуре 1600°С, позволяют получать изделия из оксида алюминия методом горячего литья с равномерной усадкой и без каких-либо дефектов макроструктуры.
4. Для шликера на основе порошка оксида алюминия после 75 часов механической активации возможно увеличение содержания твердой фазы с целью повышения плотности спеченной керамики.
