Шихта для получения стеклокерамического материала

 

Использование: изобретение относится к технологии керамических материалов, частности к стеклокерамике на основе корундами, и может быть использовано при изготовлении экологически чистых конструкционных изделий сложной конфигурации с высокой трещиностойкостью, применяемых в машиностроительной, пищевой и строительной промышленности. Шихта для получения стеклокерамического материала содержит 50-75 мас.% корунда и 25-50 мас.% стекла, представляющего собой стеклопорошок, изготовленный измельчением боя пищевых тарных стекол или стеклоотходов следующего состава, мас.%: SiO₂ 67-73; AL₂O₃ 3,2-10; СаО 6,5-6,9; MgO 4,3-5,1; R₂O(Na₂O+K₂O) 14-14,3; Fe₂O₃ 0,1-1,5 Изобретение позволяет разработать экологически чистый состав для снижения усадки в процессе спекания и увеличить трещиностойкость стеклокерамики. 4 табл.

Изобретение относится к технологии производства керамических материалов, в частности стеклокерамики на основе корунда, и может быть использовано при изготовлении экологически чистых конструкционных изделий сложной конфигурации с высокой трещиностойкостью, применяемых в машиностроительной, пищевой и строительной промышленности.

Известен керамический материал [1] , для получения которого применяют шихту, включающую в мас.% следующие составляющие: 10 - 30 оксида алюминия и 70 - 90 стекла. При этом используют отходы стекла, содержащие окись марганца при следующем соотношении компонентов, мас.%: Si0₂ - 65 - 68 Al₂O₃ - 0,8 - 1,2 Ca0 - 6,1 - 6,5 MgO - 4,2 - 5,1 Ba0 - 1,3 - 1,5 Na₂O - 16,2 - 16,7 K₂O - 1,1 - 1,3 Fe₂О₃ - 0,8 - 1,1
Mn₂О₃ - 1,5 - 1,6
Недостатком приведенного технического решения является узкий диапазон применения данного материала из-за ряда ограничений, вызванных следующим:
необходимостью использования специального стекла с содержанием окиси марганца;
использованием 10% раствора дефицитного и дорогостоящего поливинильного спирта (ПВС), увеличивающего себестоимость продукции;
низким содержанием SiO₂, Al₂O₃ и присутствием BaO, что отрицательно влияет на химическую стойкость материала;
слишком низкой температурой спекания, что не позволяет использовать материал при температурах выше 500^oC.

Наиболее близкой по техническому уровню и достигаемому результату является шихта, включающая 40-60 мас.% корунда и 40-60% алюмосиликатного стекла со следующим содержанием ингредиентов, мас.%: SiO₂ 46,2-55,2; Al₂O₃ 30,0-41,4; MgO 12,4-14,8 и предназначенная для получения керамики, используемой в огнеупорной, электронной и машиностроительной промышленностях [2].

Недостатком данного состава шихтового материала является необходимость специального изготовления алюмосиликатного стекла из дефицитных и дорогостоящих компонентов (корунд, оксид магния), осуществления его грануляции и дальнейшего высокотемпературного (1450-1550^oC) спекания заготовок для получения плотной керамики, что требует использования специального, энергоемкого и сложного в обращении оборудования, а также невысокая трещиностойкость керамического материала.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка экологически чистого состава шихты для получения безусадочного стеклокерамического материала с высокой трещиностойкостью из доступного и дешевого стеклосырья.

Техническим результатом является снижение усадки в процессе спекания и увеличение трещиностойкости стеклокерамики.

Указанный технический результат достигается тем, что шихта для изготовления стеклокерамического материала содержит 50-75% корунда и 25-50% стекла, представляющего собой стеклопорошок, полученный измельчением боя пищевых тарных стекол или стеклоотходов следующего состава, мас.%: SiO₂ 67-73; Al₂O₃ 3,2-10; CaO 6,5-6,9; MgO 4,3-5,1; R₂O (Na₂O + K₂O) 14-14,3; Fe₂О₃ 0,1-1,5.

Использование в качестве стеклодобавки боя бутылочного и других видов тарного стекла или ему подобных по химическому составу отходов не только обеспечивает устойчивость стеклокерамики к различным химическим и механическим воздействиям за счет значительного содержания окислов Al₂O₃, MgO, CaO, но и позволяет снизить себестоимость стеклокерамических изделий, делает доступным исходное сырье и гарантирует экологическую чистоту материала. Предлагаемый стеклокерамический материал получают следующим образом.

Исходное стекло измельчают до порошка с удельной поверхностью (S_уд.), равной 6500 см²/г в виброцентробежной мельнице. Порошок стекла перемешивают в определенном процентном отношении с порошком корунда (S_уд. = 3500 см²г) в вибромельнице с алундовыми шарами в течение 30 минут при добавлении 5%-ного водного раствора поливинилового спирта в количестве 5 мас.% в пересчете на сухое вещество. Полученную смесь протирают через сито N 025 и прессуют давлением 1,5-2 т/см². Прессовки подвергают обжигу в воздушной атмосфере при скорости подъема температуры 600^oC/ч с выдержкой 2 часа при 400^oC и 1 час при 850^oC, затем охлаждают вместе с печью.

Двухчасовая выдержка при температуре 400^oC необходима для выгорания пластифицирующей связки (ПВС) из спекаемых заготовок.

Температура спекания T_СП = 850^oC обеспечивает получение безусадочного стеклокерамического материала с плотностью ρ = 2,5-2,7 г/см³, твердостью HRA 50-60 и трещиностойкостью по параметру K_1C = 7,6-12,4 МПа·м^1/2 зависимости от состава композитов. Структура материала ярко выраженная гетерогенная - в стеклянной матрице равномерно распределены частицы корунда.

Предлагаемое техническое решение иллюстрируется примерами.

Пример 1: Берут бой бутылочного стекла, химический состав которого приведен в таблице 1, измельчают в виброцентробежной мельнице для получения порошка с S_уд. = 6500 см²/г. Полученный стеклопорошок смешивают с порошком белого электрокорунда с содержанием Al₂O₃ - 98% и S_уд. = 6500 см²/г при добавлении 5%-ного водного раствора ПВС в количестве 5 мас.% в пересчете на сухое вещество. Полученную смесь протирают через сито N 025 и прессуют методом холодного прессования на гидравлическом прессе давлением 1,5 т/см². Далее полученные прессовки подвергают спеканию по режиму: 400^oC - 2 часа + 850^oC - 1 час.

Усадка стеклокерамического материала в процессе спекания сильно зависит от соотношения компонентов исходной шихты (корунд/стекло). Безусадочный материал возможно получить только при соотношении корунд/стекло не менее 50/50 мас.%, при меньшем содержании корунда образцы в процессе спекания теряют форму и расплываются (табл. 2).

Увеличение в составе шихты количества корунда до 60 мас.% приводит к повышению трещиностойкости материала до 12,4 МПа·м^1/2 (табл. 3). Однако дальнейшее увеличение содержания корунда в составе стекломатериала вызывает понижение трещиностойкости (табл. 3).

Твердость стеклокерамики, полученной из предлагаемого состава шихты, составляет HRA 50-65 ед.

Наибольшей трещиностойкостью и твердостью (12,4 МПа·м^1/2, 65 соответственно) обладает материал, изготовленный из шихты состава: 40% стекла и 60% корунда.

Пример 2. В качестве стеклодобавки используют бой тарного стекла, химический состав которого приведен в табл. 4. Стеклокерамику изготавливали из шихты, содержащей от 25 до 50 мас.% стекла и от 50 до 75 мас.% корунда, аналогично примеру 1. Оптимальные свойства были достигнуты при использовании шихты состава: 40% стекла + 60% корунда. При этом усадка материала при спекании была нулевой, трещиностойкость по параметру K_1C составляла 12,1 МПа·м^1/2, твердость HRA 62 ед.

Предлагаемый состав шихты для изготовления безусадочного стеклокерамического материала с высокой трещиностойкостью впервые реализован авторами, обладает научной новизной и является, по мнению авторов, основанием для выдачи свидетельства на изобретение.

Для заявляемого изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных технологических приемов, условий и режимов его осуществления.

Состав шихты для получения стеклокерамики, предлагаемый в данном изобретении при его осуществлении, обеспечивает реализацию заявляемого технологического результата. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует требованию "промышленная применимость.

Источники информации
1. А.с. СССР N 1599347, кл. C 04 B 35/10, 1990.

2. А.с. СССР N 1571035, кл. C 04 B 35/10. Бюл. N 22, 1990 г.

Формула изобретения

Шихта для получения стеклокерамического материала на основе корунда и стекла, содержащего SiO₂, Al₂O₃, CaO, MgO, Na₂O, K₂O, Fe₂O₃, отличающаяся тем, что в качестве одного из компонентов используется стеклопорошок, полученный измельчением боя пищевых тарных стекол или стеклоотходов следующего состава, мас.%:
SiO₂ - 67 - 73
Al₂O₃ - 3,2 - 10
CaO - 6,5 - 6,9
MgO - 4,3 - 5,1
Na₂O + K₂O - 14 - 14,3
Fe₂O₃ - 0,1 - 1,5
а шихта содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:
Корунд - 50 - 75
Стекло - 25 - 50

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3