Литой стеклокристаллический материал

Изобретение описывает литой стеклокристаллический материал, содержащий оксиды кремния, магния, алюминия, титана, марганца и имеющий в структуре шпинельные фазы, при этом он дополнительно содержит оксиды кальция, железа (II), железа (III), натрия, калия, хрома, ванадия, серу S2 в соединении Fe2S при следующем соотношении ингредиентов, мас. %: SiO2 43,0-46,0; MgO 12,0-16,0; Al2O3 10,0-17,0; СаО 9,0-15,0; FeO 3,0-7,0; Fe2O3 1,0-1,2; TiO2 0,4-0,8; Na2O 0,3-1,0; K2O 0,33-1,10; MnO 0,20-0,30; Cr2O3 2,4-3,0; V2O5 0,1-0,2; S2- 0,02-0,06 (в соединении Fe2S), при этом его структура содержит шпинельные фазы в составе кристаллических сферолитных составляющих размером 4-7,5 мкм, состоящие из двух фаз: ядра сферолита - шпинелид размером 2-3 мкм и оболочки сферолита - пироксенид размером 2-4,5 мкм, а толщина стеклофазной прослойки между сферолитами составляет 5-7 мкм. Технический результат: получение литого стеклокристаллического материала, обладающего способностью к поглощению кинетической энергии удара и высокой износостойкостью без использования дефицитных, и/или дорогостоящих, и/или токсичных компонентов. 1 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к химической технологии получения литых стеклокристаллических материалов на силикатной основе и может быть использовано в сфере промышленного, гражданского и дорожного строительства, транспортной защиты автомобильного и железнодорожного транспорта, а также для создания функциональных и декоративных элементов благоустройства городской среды и общественных мест отдыха (взрывобезопасные контейнеры и т.д.).

Известно каменное литье (а.с. СССР №923978, опубл. 1982 г.), состава, мас. %: SiO2 50,0-63,0; TiO2 1,0-5,0; Al2O3 1,0-4,0; FeO 0,1-0,3; Fe2O3 0,1-0,3; MgO 10,0-16,0; CaO 16,0-24,0; Na2O 0,5-2,0; K2O 0,5-2,0; Cr2O3 0,5-2,5; MnO 0,1-0,5, CoO или NiO 0,5-2,5.

Недостатком известного материала является потребность использования токсичного компонента - оксида кобальта. Кроме того, в состав вводится оксид никеля, который является дефицитным и дорогостоящим материалом.

Известен стеклокристаллический материал, а именно шлакоситалл (а.с. №1351898), включающий, мае, %:SiO2 41,10-44,90; Al2O3 10,80-18,90; СаО 19,80-24,00; MgO 1,05-3,10; TiO2 0,45-0,86; S-2 0,05-0,15; FeO 1,90-2,94; Fe2O3 7,40-9,00; Na2O 1,60-4,00; K2O 2,50-3,00; P2O5 0,6-1; Cr2O3 0,1-0,8.

Недостатком известного материала является то, что он имеет низкую температуру начала кристаллизации 860°С, что повышает риск остеклования материала при охлаждении расплава и не позволяет достигнуть нужного уровня кристалличности и сферолитной структуры.

Известен стеклокристаллический материал на основе шлаковых отходов тепловых электростанций (патент RU №2477712, опубл. 2011 г.), состава, мас. %: SiO2 53,0-55,0; Al2O3 11,0-13,0; Fe2O3 6,5-8,0; СаО 9,0-11,0; MgO 1,0-2,5; TiO2 4,5-6,0; S- 0,05-0,15; Na2O 4,0-5,5; K2O 3,0-5,0; P2O5 0,1-0,15; MnO 0,05-0,15.

Недостатком известного материала является отсутствие способности поглощать кинетическую энергию удара и повышенное содержание оксида фосфора, что не позволяет получать сферолитной структуры материала. Кроме того, твердость по шкале Мооса составляет 6,5, что является относительно низким показателем и сужает сферу применения материала.

Наиболее близким составом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков и достигаемому техническому результату является стеклокристаллический материал, описанный в патенте № US 20100242715 А1, содержащий в структуре шпинельные фазы на основе ионных комплексов, содержащих Al3+, Fe3+, Cr3+, V3+, Mn3+ при соотношении основных компонентов, мас. %: SiO2 41,0-47,0; Al2O3 15,0-21,0; MgO 6,0-12,0; TiO2 9,0-15,0; MnO или ZnO 15,0-21,0. Данный состав принят за прототип.

Признаки прототипа, совпадающие с признаками заявляемого изобретения, - оксиды кремния, магния, алюминия, титана, марганца; имеет в структуре шпинельные фазы.

Недостатком известного состава, принятого за прототип, является высокое содержание оксида титана, который является дорогостоящим компонентом. Кроме того, его содержание в таком количестве приводит к повышению температуры плавления, что повышает энергоемкость процесса и тем самым увеличивает стоимость материала.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, -получение литого стеклокристаллического материала, обладающего способностью к поглощению кинетической энергии удара и высокой износостойкостью без использования дефицитных и/или дорогостоящих и/или токсичных компонентов.

Поставленная задача была решена за счет того, что известный литой стеклокристаллический материал, содержащий оксиды кремния, магния, алюминия, титана, марганца, и имеющий в структуре шпинельные фазы, согласно изобретению дополнительно содержит оксиды кальция, железа (II), железа (III), натрия, калия, хрома, ванадия, серу S2 в соединении Fe2S при следующем соотношении ингредиентов, мас. %:

SiO2 43,0-46,0
MgO 12,0-16,0
Al2O3 10,0-17,0
СаО 9,0-15,0
FeO 3,0-7,0
Fe2O3 1,0-1,2
TiO2 0,4-0,8
Na2O 0,3-1,0
K2O 0,33-1,10
MnO 0,20-0,30
Cr2O3 2,4-3,0
V2O5 0,1-0,2
S2- 0,02-0,06 (в соединении Fe2S)

при этом его структура содержит шпинельные фазы в составе кристаллических сферолитных составляющих размером 4-7,5 мкм, состоящие из двух фаз: ядра сферолита - шпинелид размером 2-3 мкм и оболочки сферолита - пироксенида размером 2-4,5 мкм, а толщина стеклофазной прослойки между сферолитами составляет 5-7 мкм.

Отличительные признаки заявляемого состава от состава по прототипу-введение ингредиентов мас. %: оксида кальция СаО 9,0-15,0; оксидов железа FeO 3,0-7,0; Fe2O3 1,0-1,2; оксида натрия Na2O 0,3-1,0; оксида калия K2O 0,33-1,10; оксида хрома Cr2O3 2,4-3,0; оксида ванадия V2O5 0,1-0,2; серы S2 0,02-0,06 (в соединении Fe2S); иное количественное соотношение используемых ингредиентов мас. %: SiO2 43,0-46,0; MgO 12,0-16,0; Al2O3 10,0-17,0; TiO2 0,4-0,8; MnO 0,20-0,30; структура материала содержит шпинельные фазы в составе кристаллических сферолитных составляющих размером 4-7,5 мкм, состоящие из двух фаз: ядра сферолита - шпинелид размером 2-3 мкм и оболочки сферолита - пироксенида размером 2-4,5 мкм, а толщина стеклофазной прослойки между сферолитами составляет 5-7 мкм.

Авторы впервые экспериментально установили, что сочетание компонентов в заявляемом соотношении обеспечивает формирование в структуре материала при кристаллизации и затвердевании его расплава, составляющих в виде двухслойных сферолитов шпинелид-пироксенового состава размером в диапазоне 4-7,5 мкм, состоящих из двух фаз; ядра сферолита - шпинелид размером 2-3 мкм и оболочки сферолита -пироксенида размером 2-4,5 мкм, при этом толщина стеклофазной прослойки между сферолитами составляет 5-7 мкм. Кристалличность материала при этом составляет 94-93%. Благодаря этому стало возможным получение литого стеклокристаллического материала, обладающего способностью к поглощению кинетической энергии удара и высокой износостойкостью без использования дорогостоящих и/или токсичных компонентов.

На чертеже представлено изображение структуры литого стеклокристаллического материала, полученное методом оптической микроскопии при проходящем свете с использованием поляризационной линзы. На изображении идентифицируются сферолитные составляющие в разрезе, подтверждается их размер, форма и особенность строения, обозначенная выше.

Для приготовления заявляемого материала указанные компоненты смешивают в необходимых соотношениях. Затем плавят сырье в электродуговой печи при температуре более 1400°С, заливают расплав в формы. Проводят термическую обработку в течение не менее 15 часов со скоростью охлаждения не более 350°С/час.

Химический состав заявленного материала, мас. %:

SiO2 43,0-46,0;
MgO 12,0-16,0;
Al2O3 10,0-17,0;
СаО 9,0-15,0;
FeO 3,0-7,0;
Fe2O3 1,0-1,2;
TiO2 0,4-0,8;
Na2O 0,3-1,0;
K2O 0,33-1,10;
MnO 0,20-0,30,
Cr2O3 2,4-3,0;
V2O5 0,1-0,2;
S2- 0,02-0,06 (в соединении Fe2S)

Структура материала содержит шпинельные фазы в составе кристаллических сферолитных составляющих размером 4-7,5 мкм, состоящие из двух фаз: ядра сферолита - шпинелид размером 2-3 мкм и оболочки сферолита - пироксенида размером 2-4,5 мкм. Толщина стеклофазной прослойки между сферолитами составляет 5-7 мкм.

По описанному способу было изготовлено 3 состава литого стеклокристалличекого материала с различным соотношением ингредиентов. Приготовленные составы прошли лабораторные испытания.

В таблице 1 представлены 3 различных состава литого стеклокристаллического материала, их морфометрические параметры структуры и свойства.

Отдельно свойства структурных составляющих, установленные методом наноиндентирования, представлены в таблице 2. Твердость ядра сферолита по данным наноиндентирования составляет 10-11 ГПа, что соответствует характеристикам прототипа.

Сферолитные составляющие шпинелид-пироксенового состава в структуре литых стеклокристаллических материалов образуются в процессе охлаждения и кристаллизация расплава при определенных физико-химических условиях, а именно, при достаточном количестве оксида хрома и ванадия, в сочетании с низким содержанием оксида титана и в присутствии поверхностно-активного компонента расплава - серы (S2-).

Сферолитная структура обеспечивает повышение износостойкости и придает способность поглощать кинетическую энергию удара за счет обеспечения определенных механизмов износа и деформации при динамических нагрузках.

При износе абразивные частицы глубоко погружаются своими режущими гранями в стекло-фазу, это замедляет их дальнейшее перемещение относительно поверхности материала и тем самым сокращает изнашивающую нагрузку. При дальнейшем перемещении частицы взаимодействуют с оболочкой сферолита, которые частично демпфируют их действие, частично разрушаясь. Таким образом, кинетическая энергия абразивной частицы при соприкосновении с ядром сферолита минимальна и они не оказывают ударного воздействия на наиболее твердый компонент структуры материала, что приводит к тому, что абразивная частица или прекращает наносить повреждение до следующего этапа перемещения относительно поверхности материала, или разрушается (в том случае когда твердость абразивной частицы ниже твердости шпинелида в ядре сферолита).

При взаимодействии с ускоренным пробойником в процессе удара благодаря сферолитной структуре реализуется диссипативный механизм разрушения, в результате чего деформация локализуется в ограниченном объеме, в котором кинетическая энергия воздействия приводит к нагреву материала и структурным изменениям, вызванным локальным ростом сжимающих нагрузок. После чего происходит фрагментация материала в замкнутом объеме, в остальном объеме материала при этом происходит образование и рост магистральных трещин.

Сферолитная структура обеспечивает повышение износостойкости до уровня 0,01-0,02 кг/м3 и придает способность поглощать кинетическую энергию удара в диапазоне 53-55 Дж/см3.

Литой стеклокристаллический материал, содержащий оксиды кремния, магния, алюминия, титана, марганца и имеющий в структуре шпинельные фазы, отличающийся тем, что он дополнительно содержит оксиды кальция, железа (II), железа (III), натрия, калия, хрома, ванадия, серу S2 в соединении Fe2S при следующем соотношении ингредиентов, мас. %:

SiO2 43,0-46,0
MgO 12,0-16,0
Al2O3 10,0-17,0
CaO 9,0-15,0
FeO 3,0-7,0
Fe2O3 1,0-1,2
TiO2 0,4-0,8
Na2O 0,3-1,0
K2O 0,33-1,10
MnO 0,20-0,30
Cr2O3 2,4-3,0
V2O5 0,1-0,2
S2- 0,02-0,06 (в соединении Fe2S),

при этом его структура содержит шпинельные фазы в составе кристаллических сферолитных составляющих размером 4-7,5 мкм, состоящие из двух фаз: ядра сферолита - шпинелид размером 2-3 мкм и оболочки сферолита - пироксенид размером 2-4,5 мкм, а толщина стеклофазной прослойки между сферолитами составляет 5-7 мкм.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к отрасли производства строительных материалов, в частности аналога гранулированного пеностекла – заполнителя искусственного пористого, применяемого в качестве заполнителя при приготовлении легких и силикатных бетонов, а также в качестве засыпок для теплоизоляции кровель, стен, перекрытий, полов нижних этажей зданий и сооружений различного назначения.
Изобретение относится к области производства строительных материалов, в частности пеносиликатного теплоизоляционного материала на основе кремнеземсодержащих техногенных отходов.
Изобретение относится к области производства неорганических и теплоизоляционных материалов и раскрывает способ получения пеностекла. Способ включает получение измельченного стеклобоя следующего состава в мас.%: SiO2 - 72,0 ± 7,0; Na2O - 13,0 ± 2,0; CaO - 10,0 ± 2,0; MgO - 4,0 ± 2,0; Al2O3 - 1,0 ± 0,5; SO3 - 0,2 ± 0,1; K2O - 0,3 ± 0,1; Fe2O3 ≤0,2, содержащего частицы размером менее 40 мкм, добавление к измельченному стеклобою водного раствора кальцинированнной соды и глицерина, перемешивание, выдержку полученной смеси, последующую сушку при температуре менее 200°С до получения смеси с влажностью не более 1%, дезагломерацию, включающую перемешивание смеси с серой, с получением шихты с размером частиц менее 40 мкм, последующее дозирование, помещение в форму, вспенивание, фиксацию, извлечение, отжиг и охлаждение полученного пеностекла.

Изобретение относится к технологии производства стекла, пеностекла и пеностеклокерамики, производимых по обжиговой (одностадийной) технологии для применения в качестве насыпной теплоизоляции и заполнителя легких бетонов.

Изобретение относится к области производства легких насыпных неорганических строительных материалов, а именно к технологии силикатных теплоизоляционных материалов.

Изобретение относится к способу получения пеностекла. Способ получения пеностекла включает предварительное измельчение стеклобоя, его мокрый помол с получением стекольной вяжущей суспензии, формование, вспенивание, выдержку при температуре вспенивания и отжиг.

Изобретение относится к области промышленной переработки отходов из стекла и может быть использовано для получения пеностекла. Способ получения пеностекла включает предварительное измельчение стеклобоя до размера частиц 0,1…5 мм, получение стекольной вяжущей суспензии путем мокрого помола стеклобоя в воде в шаровой мельнице при влажности 24…32% в течение 2…5 ч, формование, отверждение стекольной вяжущей суспензии в герметичных условиях при постоянной влажности в течение 72…168 ч, вспенивание при температуре 740…820°С со скоростью нагрева печи 200…250 град./ч, выдержку при температуре вспенивания в течение 0,25…1 ч, отжиг.

Изобретение относится к способу получения покрытия на блочном пеностекле. Способ включает подготовку шихты для покрытия, нанесение ее на лицевую поверхность блочного пеностекла и оплавление.

Изобретение относится к способу производства пеностекла. Способ производства пеностекла включает перемешивание стеклобоя, оксида цинка и карбонатного газообразователя при следующем соотношении компонентов, мас.%: карбонатный газообразователь 0,5-5,0, оксид цинка 0,5-1,5, стеклобой – остальное.

Изобретение относится к строительным конструкционным элементам. Элемент выполнен из отвержденной смеси, содержащей следующие компоненты, мас.

Изобретение относится к прозрачным стеклокристаллическим оксидным материалам. Люминесцирующая стеклокерамика, содержащая следующие компоненты, мас.%: Li2O 0,03-2,94; Na2O 0,06-5,77; Ga2O3 26,5-53,5; SiO2 9,9-17,3; GeO2 31,2-54,1; TiO2 сверх 100% 0,04-3,9.

Изобретение относится к способу локальной кристаллизации стекол под действием лазерного пучка. Локальную кристаллизацию стекол лантаноборогерманатной системы, легированных неодимом, проводят с помощью импульсного фемтосекундного лазера, перемещающегося относительно стекла со скоростью 10-50 мкм/с на глубине от 100 мкм.

Изобретение относится к области оптического материаловедения. Технический результат – получение однородных кристаллических линий в объеме стекла.

Изобретение относится к люминесцирующим стеклокерамикам. Технический результат – получение стеклокерамики, обладающей люминесценцией в видимой и ближней ИК области, стабильностью свойств, повышенной механической прочностью.

Изобретение относится к оптическим материалам, в частности к материалам, прозрачным в видимой области спектра, с высоким поглощением в ИК области спектра. Технический результат – повышение поглощения в ближней ИК-области.

Изобретение относится к технологии мультиферроиков. Технический результат - получение нанокомпозитов со свойствами мультиферроиков.

Изобретение относится к материалам лазерной техники, в частности к материалам для изготовления пассивных затворов лазеров с модулированной добротностью или систем развязки многокаскадных генераторов.

Изобретение относится к стеклокерамике для активных сред лазеров безопасного для зрения спектрального диапазона и для люминофоров. Технический результат заключается в изготовлении стеклокерамики с наноразмерными кристаллами титанатов-цирконатов эрбия и/или иттербия, обладающей люминесценцией.
Изобретение относится к составам силикатных стекол, содержащих наночастицы (нанокристаллы, квантовые точки) сульфида свинца, и предназначено для использования в качестве просветляющихся сред, а именно пассивных затворов твердотельных лазеров ближнего ИК-диапазона, используемых в таких областях как офтальмология, волоконно-оптические системы связи, оптическая локация и дальнометрия.

Изобретение относится к области получения стеклокерамических материалов и может быть использовано для создания рабочих тел в пьезоэлектрических электромеханических устройствах низкочастотного диапазона для преобразования электрической энергии в вибрационное или возвратно-поступательное движение в пьезоэлектрических двигателях и насосах.

Изобретение относится к производству стеклокерамического композиционного материала и может использоваться в электротехнической и радиотехнической промышленности, в производстве корпусов и подложек для интегральных схем и многослойных керамических плат многокристальных керамических модулей (МКМ).

Изобретение описывает литой стеклокристаллический материал, содержащий оксиды кремния, магния, алюминия, титана, марганца и имеющий в структуре шпинельные фазы, при этом он дополнительно содержит оксиды кальция, железа, железа, натрия, калия, хрома, ванадия, серу S2 в соединении Fe2S при следующем соотношении ингредиентов, мас. : SiO2 43,0-46,0; MgO 12,0-16,0; Al2O3 10,0-17,0; СаО 9,0-15,0; FeO 3,0-7,0; Fe2O3 1,0-1,2; TiO2 0,4-0,8; Na2O 0,3-1,0; K2O 0,33-1,10; MnO 0,20-0,30; Cr2O3 2,4-3,0; V2O5 0,1-0,2; S2- 0,02-0,06, при этом его структура содержит шпинельные фазы в составе кристаллических сферолитных составляющих размером 4-7,5 мкм, состоящие из двух фаз: ядра сферолита - шпинелид размером 2-3 мкм и оболочки сферолита - пироксенид размером 2-4,5 мкм, а толщина стеклофазной прослойки между сферолитами составляет 5-7 мкм. Технический результат: получение литого стеклокристаллического материала, обладающего способностью к поглощению кинетической энергии удара и высокой износостойкостью без использования дефицитных, иили дорогостоящих, иили токсичных компонентов. 1 ил., 2 табл.

Наверх