Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
РУСИНОВ Александр Владимирович
ОГНЕУПОРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ С НИЗКИМ ИНТЕГРАЛЬНЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ТЕМПЕРАТУРНОГО РАСШИРЕНИЯ НА ОСНОВЕ ТИТАНАТА АЛЮМИНИЯ
05.17.11 - Технология силикатных и тугоплавких неметаллических материалов
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Санкт-Петербург 2012
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет).
Научный руководитель доктор технических наук, профессор Суворов Станислав Алексеевич Официальные оппоненты - доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, старший научный сотрудник ОАО Научно-исследовательский технологический институт оптического материаловедения Государственный Дунаев Анатолий Алексеевич оптический институт им. Вавилова кандидат технических наук, начальника сектора отдела конструкционной керамики ОАО Центральный научно- исследовательский институт материалов Перевислов Сергей Николаевич Ведущая организация - ООО НТ - Огнеупоры, г. Санкт-Петербург
Защита состоится 10 апреля 2012 года в 1530 на заседании диссертационного совета Д 212.230.07 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет) по адресу: 190013, Санкт-Петербург, Московский пр. 26, ауд.61.
С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет).
Отзывы и замечания на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения просим направлять по адресу: 190013, Санкт-Петербург, Московский пр. 26, Ученый Совет, факс (812) 712-77-91.
Е-mail: dissovet@lti-gti.ru
Автореферат разослан 7 марта 2012 года.
Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор И.Б. Пантелеев
Общая характеристика работы
Актуальность работы В высокотемпературной технике и технологии важную роль играют изделия, противостоящие температурным ударам и температурным колебаниям различной интенсивности. К таким элементам конструкции можно отнести элементы литниковых систем, фурмы для продувки металлических расплавов, трубы для защиты металла от окисления, тигли, изложницы, разливочные желоба, чехлы термопар, детали агрегатов обжига и др.
Долговечность службы таких деталей сказывается на стоимости продукции и надежности работы металлургических агрегатов. Одним из важнейших показателей, определяющих ресурс таких высокотемпературных материалов, является термостойкость. Поэтому актуальной остается проблема повышения термостойкости известных и изыскание новых термостойких высокотемпературных материалов.
В условиях значительных термонагружений, в том числе циклических термоударных воздействий, в наибольшей степени пригодными должны быть огнеупоры, микроструктура которых представлена сочетанием фаз, исключающим рост зерен, а слагающие фазы характеризуются низким интегральным термпературным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР).
Фазой, позволяющей резко повысить термостойкость высокотемпературных изделий, может являться титанат алюминия. Температура плавления титаната алюминия 1860 C, ТКЛР Ц0,4410-6 C-1, он обладает высокой химической устойчивостью к действию кислых сред и силикатных расплавов. Однако применение титаната алюминия в чистом виде ограничено вследствие анизотропии термического расширения кристаллической решетки, приводящей к возникновению трещин при охлаждении и потере прочности. Длительная выдержка при температурах 750Ц1200 C приводит к распаду титаната алюминия на исходные компоненты, росту ТКЛР и потере прочности.
Указанные проблемы решают путем создания композиций титаната алюминия с фазами, препятствующими его разложению, в частности композиций титанат алюминия - муллит, титанат алюминия - титанат циркония и д.р.
Известно, что при термическом разложении минералов группы силлиманита муллит кристаллизуется в игольчатой форме. Муллит повышает прочность, армирует материал и препятствует распространению разрушающих трещин. Указанное обстоятельство благоприятно влияет на термостойкость высокоглиноземистых материалов. При разложении минералов группы силлиманита образуется свободный кремнезем, который не кристаллизуется, а остается в виде стекловидной фазы, обеспечивающей спекание.
Повышение термостойкости известных композиций с участием титаната алюминия и изыскание новых сочетаний фаз является актуальной проблемой.
Диссертационная работа выполнялась согласно аналитической ведомственной целевой программе Роль научного потенциала высшей школы (2006Ц2008 гг.) раздел 2.1 Проведение фундаментальных исследований в области естественных, технических и гуманитарных наук тема Фазовые преобразования в системах тугоплавких оксидов и бескислородных соединений.
Цель работы Целью диссертационного исследования является разработка новых композиций и материалов с использованием титаната алюминия с низким интегральным коэффициентом термического расширения, определение их возможных областей применения.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Изучить фазообразование и построить диаграммы плавкости композиций титаната алюминия с минералами группы силлиманита, титанатом циркония.
Установить области составов композиций, обладающих значением ТКЛР, не превышающим 110-6 C-1.
Осуществить синтез композиций титаната алюминия с минералами группы силлиманита, титанатом циркония, имеющих низкий интегральный ТКЛР.
Исследовать спекание, механические и теплофизические свойства композиционных материалов титанат алюминия - минералы группы силлиманита, титанат алюминия - титанат циркония.
Установить влияние состава и структуры композиции с титанатом алюминия на их термостойкость.
Исследовать взаимодействие разработанных материалов с расплавами черных и цветных металлов и сплавов.
Провести испытания в промышленных условиях разливки вторичного алюминия.
Научная новизна Установлены температуры сосуществования фаз Al2TiO5, Al6Si2O13, ZrTiO4, выбранных для разработки высокотемпературных термостойких композиций.
Установлено, что для получения стабильных, с высокими значениями показателей физико-технических свойств, материалов на основе титаната алюминия, необходимо применять спекание с участием жидкой фазы.
Стабильность микроструктур материалов на основе титаната алюминия обеспечивается в присутствии 10Ц50 мас.% второй фазы, представленной минералом группы силлиманита.
Разработаны материалы на основе титаната алюминия с высоким сопротивлением к деградации физико-технических свойств при термоциклировании по режиму 1300 C - вода.
Показано, что расплавы алюминия, меди, латуни и никеля не смачивают в атмосфере инертного газа поверхность образцов изделий из композиционных материалов на основе титаната алюминия.
Практическая значимость Получены высокотемпературные композиции с содержанием титаната алюминия 50 - 90 мас.% с ТКЛР не более 110-6 C-1, в интервале температур 20Ц900 C. По показателям свойств композиционные материалы превосходят аналоги.
Выявлено положительное влияние титаната циркония на стабилизацию титаната алюминия и свойства композиционного материала титанат алюминия - минералы группы силлиманита.
Выпущены постановочные партии огнеупорных изделий в виде тиглей, трубок, проведены лабораторные и производственные испытания, подтвердившие перспективность их применения в условиях действия расплавов цветных металлов.
Научный и технический приоритет подтвержден патентом Российской Федерации №2392249 С04 В35/478 Шихта и высокотемпературный материал, полученный из нее заявка от 21.04.2009, опубликовано 20.06.2010, Бюл. №17.
Апробация работы Результаты работы докладывались на Всероссийском форуме студентов, аспирантов и молодых ученых Наука и инновации в технических университетах (Санкт-Петербург, 2007), XVIII Менделеевской конференции молодых ученых Российской Федерации (Белгород, 2008), научно-технической конференции молодых ученых Неделя науки - 2011 (Санкт-Петербург, 2011).
На кафедре химической технологии высокотемпературных материалов СПбГТИ (ТУ) изготовлены опытные образцы термостойких изделий в виде трубок и тиглей.
В лабораторных установках осуществлено плавление меди, латуни и никеля в тиглях, изготовленных из разработанных композиционных материалов. Выявлена перспективность применения новых материалов в контакте с указанными металлами и сплавами.
Образцы изделий в виде трубок успешно выдержали промышленные испытания на ООО Всеволожский завод алюминиевых сплавов, продемонстрировали устойчивость к воздействию расплава вторичного алюминия и подтвердили заявленные свойства.
По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 4 статьи в журналах (3 статьи в журналах из перечня ВАК), тезисы 3 докладов на конференциях, 1 патент.
Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав, основных результатов и списка литературы. Материал диссертации изложен на 186 страницах, содержит 63 рисунка, 40 таблиц, список литературы из 156 наименований, 5 приложений на страницах.
Содержание работы Во введении обоснована актуальность и практическая значимость работы, определены и сформулированы основные направления исследований.
В первой главе, представляющей собой аналитический обзор литературы по теме диссертационного исследования, рассмотрены вопросы термостойкости высокотемпературных материалов. Освещены вопросы термического расширения твердых тел и природы отрицательного ТКЛР. Проведен обзор фаз и материалов, обладающих низким ТКЛР.
Рассмотрены структура и свойства титаната алюминия и композиций на его основе, выполнен их сравнительный анализ. Описана служба термостойких огнеупоров с участием титаната алюминия.
Во второй главе описано оборудование и методы исследований, использованные в работе.
Стандартными методами определены водопоглощение, кажущаяся плотность, открытая пористость, линейная усадка. Дисперсность порошков контролировали на микросайзере 201А.
Рентгенофазовый анализ (РФА) выполнен на установках ДРОН-3 и ДРОН-6.
Термоаналитические съемки до 1500 С проводились на установке системы Q=1500 Д.
Высокотемпературный дифференциальный термический анализ (ДТА) проводили на компьютеризированной установке системы ВТА-981 в среде гелия. Микроструктуру образцов в отражнном свете изучали на модифицированной установке EPIQUANT. Качественный и элементный анализ образцов проводили на РЭМ JSM-35CF. Значения модуля Юнга определяли на автоматическом комплексе Звук - 130. Определение коэффициента термического расширения проводили на модернизированном кварцевом дилатометре ДКВ - 5А. Испытание на изгиб проводили на приборе конструкции института ГИРИКОНД на образцах призматической формы. Определение предела прочности при сжатии проводили на цилиндрических образцах диаметром 25 мм. Термостойкость оценивали по изменению частоты собственных колебаний модуля Юнга после трех теплосмен по режиму 1300 С - вода.
Значения теплопроводности получали по методу динамического калориметр в измерителе ИТ-400. Определение угла смачивания производили на специализированной установке в среде аргона.
Третья глава посвящена объектам исследования. Дана характеристика исходных материалов, использованных для синтеза композиций, описаны процессы синтеза, охарактеризованы синтезированные материалы.
В работе исследованы композиции: титанат алюминия - минералы группы силлиманита, титанат алюминия титанат циркония, титанат алюминия - кордиерит.
Для синтеза соединений и композиций использованы: оксид алюминия безводный чда по ТУ 6-09-426-75, оксид титана (IV) марки R-203 тех по ТУ У 24.1-05766356-054:2005, оксид циркония квалификации лосч 7-2 по МРТУ 609-483767, оксид кремния (IV) чда по ГОСТ 9428-73, оксид магния, чда ГОСТ 4526-75, глинозем марки ГК-1 по ГОСТ 30558-98, кремневая кислота водную ч (SiO2nH2O) по ГОСТ 4214-78, магний углекислый основной чда (MgCO3Mg(OH)2n(H2O)) по ГОСТ 6419-78, кианит фирмы Virginia Kyanite, дистенсиллиманиовый концентрат Самотканского месторождения, андалузит марки Krugerite K57P фирмы DAMREC. Исследованы составы, содержащие 10Ц50 мас.% одного из минералов группы силлиманита (андалузит, кианит, дистенсиллиманитовый концентрат) и, соответственно, 50Ц90 мас.% титаната алюминия с добавкой 3 мас.% циркона либо титаната циркония.
Для приготовления композиций методом твердофазного синтеза были получены титанат алюминия, титанат циркония, циркон, муллит, кордиерит. Смешение компонентов осуществляли совместным помолом компонентов шихты. Параметры обжига для титаната алюминия, титаната циркония и циркона составили 1600 С, выдержка 120 мин, среда - воздух.
Для синтеза кордиерита смесь каолина, кремневой кислоты и гидрокарбоната магния в заданном соотношении подвергали совместному помолу, брикетировали и обжигали на воздухе, при температуре 1350 C. Рентгенофазовый анализ показал, что получены целевые фазы, наличие исходных фаз не отмечено.
В результате совместного обжига оксидов алюминия, титана и минералов группы силлиманита в присутствии добавки соединения циркония (титанат циркония, циркон) при температуре, превышающей 1550 C, и выдержке не менее 60 минут, образуются композиции, состоящие из титаната алюминия и муллита.
Получение композиций титанат алюминия - титанат циркония возможно как из предварительно синтезированных фаз, так и из смеси соответствующих оксидов при однократном обжиге.
Титанат алюминия и кордиерит сосуществуют до температуры инконгруэнтного плавления кордиерита. Выше этой температуры в композиции присутствует муллит.
Четвертая глава посвящена вопросам синтеза композиции титанат алюминия - муллит из минералов группы силлиманита и оксидов алюминия и титана.
Анализ результатов ДТА показал, что процессы фазообразования в системе титанат алюминия - муллит, завершаются для всех изученных составов до температуры 1550 С.
Температурный интервал муллитизации минералов группы силлиманита в композиции не отличается от значений, полученных для исходных компонентов.
Установлено, что повышение температуры термообработки с 1550 С до 1640 С приводит к образованию расплава, в состав которого входят естественные примеси минералов.
Максимальная усадка достигается при выдержке 60Ц120 мин., при этом возрастает прочность.
Дальнейшее увеличение времени выдержки не приводит к значительным изменениям размеров.
Изменения линейных размеров в композициях с участием предварительно синтезированного титаната алюминия в среднем в два раза меньше. Усадка образцов уменьшается с увеличением содержания минерала группы силлиманита в составе композиции.
При содержании 10 мас.% минерала группы силлиманита заметно влияние на величину усадки добавки соединения циркония. Добавка циркона при синтезе титаната алюминия способствует меньшей усадке в сравнении с добавкой титаната циркония. Указанный эффект наблюдается и в композициях с минералами группы силлиманита. Возможно, это обусловлено тем, что ZrTiOобеспечивает большую полноту образования Al2TiO5 в сравнении с цирконом. Наименьшая усадка характерна для композиций содержащих 50 мас.% кианита. Известно, что для кианита происходит наибольший, по сравнению с андалузитом и силлиманитом, рост при термообработке. Этот рост компенсирует усадку при образовании титаната алюминия.
Наименьшая усадка характерна для композиций с участием кианита.
Увеличение количества минерала группы силлиманита в шихте вызывает линейное уменьшение кажущейся плотности композиций. Образцы, в составе которых присутствует добавка циркона, обладают меньшей кажущейся плотностью, по сравнению с аналогичными образцами, в состав которых введен титанат циркония. Указанный факт свидетельствует о разложении циркона с образованием диоксида циркония и кремнезема.
Подтверждением предположения о распаде циркона могут служить данные о прочности композиций. При разложении ZrSiO4 вследствие образования свободного кремнезема, увеличивается количество стеклофазы, что приводит к росту прочности за счет лучшего спекания, однако большое количество стеклофазы может снижать высокотемпературную прочность.
Главный вклад в рост прочности композиций вносит увеличение количества образовавшегося муллита. Значения прочности при сжатии, полученные для композиций с кианитом (исходное содержание SiO2 42,1 мас.%) и дистенсиллиманитовым концентратом (исходное содержание SiO2 36,4 мас.%), практически одинаковые.
Влияние цирконийсодержащей добавки на показатели спекания зависит от состава композиции. При содержании титаната алюминия 70Ц90 мас.% более эффективен титанат циркония, при содержании Al2TiO5 50Ц70 мас.% - циркон. Использование циркона обеспечивает более высокую механическую прочность и термостойкость по сравнению с титанатом циркония для композиций аналогичного состава.
Исследование микроструктуры показывает, что увеличение длительности выдержки при температуре 1640 С приводит к росту кристаллов.
Электронно-микроскопическое изображение поверхности образца, полученного с из шихты, содержащей 30 мас.% кианита, 70 мас.% смеси оксидов алюминия титана с добавлением титаната циркония, после обжига при 1640 С, представлено на рисунке 1.
Поверхностное распределение элементов и результаты микрозондового анализа указывают на то, что между крупными зернами титаната алюминия располагаются мелкие зерна муллита.
Крупные зерна титаната алюминия пересекаются микротрещинами.
Рисунок 1 - Микроструктура композиции титанат алюминия - муллит, полученной с использованием кианита, 1640 С, 60 мин Согласно данным микрозондового анализа, естественные примеси, содержащиеся в минеральном компоненте шихты, вместе со свободным кремнеземом вошли в состав стеклофазы. Стеклофаза равномерно распределяется по поверхности муллита и титаната алюминия, обеспечивая прочный межзеренный контакт. Количество стеклофазы не превышает 6,6 мас.%, что хорошо согласуется с результатами количественного РФА.
Физико-технические свойства композиций титанат алюминия - минералы группы силлиманита находятся в непосредственной связи с микроструктурой спеков. По мере увеличения содержания титаната алюминия наблюдается снижение прочности, коэффициента теплового расширения и модуля упругости.
Композиции, стабилизированные титанатом циркония, демонстрируют незначительный рост ТКЛР по сравнению с увеличением ТКЛР составов, содержащих циркон. Увеличение длительности выдержки при максимальной температуре обжига приводит к уменьшению ТКЛР, что обусловлено изменением размеров зерен титаната алюминия и муллита.
Оценка термостойкости была дана по изменению модуля Юнга после трех теплосмен по режиму 1300 С - вода. Сравнение термостойкости различных композиций с помощью критериев R, RI и RIII показало, что наибольшие значения термостойкости характерны для композиций с 30 мас.% минерала группы силлиманита.
В результате исследования фазообразования в композициях титанат алюминия - минералы группы силлиманита с добавками соединений циркония (ZrTiO4, ZrSiO4), в диапазоне 90Ц50 мас.% титаната алюминия установлено, что температура муллитизации зависит не только от вида минерала, но и от состава композиции.
Влияние вида добавки соединения циркония на показатели спекания зависит от состава композиции: при содержании титаната алюминия от 50 до 70 мас.% лучшие свойства демонстрируют композиции с участием циркона, а при содержании Al2TiO5 от 70 до 90 мас.% эффективнее титанат циркония. Использование циркона обеспечивает более высокую механическую прочность и термостойкость по сравнению с титанатом циркония для композиций аналогичного состава.
Определены составы композиций, характеризующихся температурным коэффициентом линейного расширения близким к нулю.
Наибольшей термостойкостью обладают композиции с 70 мас.% предварительно синтезированного титаната алюминия, стабилизированного цирконом, в сочетании с андалузитом. Высокую термостойкость имеют композиции, синтезированные из смеси корунда, рутила и циркона с минералом группы силлиманита, рассчитанные на получение 70 мас.% титаната алюминия.
В пятой главе проведен результат исследования свойств термостойких композиций титанат алюминия - титанат циркония.
Процессы, происходящие в композициях титанат алюминия - титанат циркония при нагревании, были изучены с помощью высокотемпературного ДТА. Все исследованные составы были приготовлены из предварительно синтезированных титанатов алюминия и циркония. Диаграмма плавкости представлена на рисунке 2.
---- - расчет;
- данные по Pea;
- данные по Бережному;
- эксперимент Рисунок 2 - Диаграмма плавкости системы Al2TiO5 - ZrTiOПри плавлении титаната циркония происходит изменение фазового состава, поэтому, учитывая высокую скорость охлаждения, принимали во внимание термические эффекты при первом нагреве. Согласно данным РФА, фазовый состав плавленых композиций, представлен титанатом алюминия, титанатом циркония. Присутствуют рефлексы Ti2O3 и различных модификаций ZrO2. Присутствие оксидов титана и циркония подтверждает инконгруэнтный характер плавления титаната циркония.
Полученная температура появления жидкой фазы составляет 166010 С, что близко температуре перитектики (1655С) согласно Pea. Значения температур и составы точки перитектики приведены в таблице 1. Для всех составов зафиксирована температура фазового перехода, равная 159010 С, что совпадает с температурой тройной эвтектики Al2TiO5 - ZrTiO - TiO2, полученной Бережным. Эффекты, зафиксированные в процессе нагревания при 1590 С для всех составов слабые, а при охлаждении сильные из-за изменения фазового состава вследствие разложения ZrTiO4.
Таблица 1 - Положение точки минимума на политермическом сечении Al2TiO5 - ZrTiOСостав, мас.% Источник, метод Т-ра, С Al2TiO5 ZrTiOБережной 1585 36,2 63,Эпштейн-Хоуленд 1650 39 Эксперимент 166010 46 Pea 1655 53,5 46,На микрофотографиях шлифов можно различить только две фазы (рис. 3 -б, -в).
Дендритная структура закристаллизовавшегося расплава образца AT 36,2% + ZT 63,8% свидетельствует о его близости к эвтектике (рис. 3 -б).
а) 75,0% Al2TiO5 + б) 48,0% Al2TiO5 + в) 36,2% Al2TiO5 + 25,0% ZrTiO4 52,0% ZrTiO4 63,8% ZrTiOРисунок 3 - Микроструктура плавленых композиций Al2TiO5 - ZrTiO4, охлажденных от температуры 1900 С после ДТА г) 13,8% Al2TiO5 + 86,2% ZrTiOСоставы и свойства исследованных композиций представлены в таблице 2. При исследовании основное внимание было уделено составам с содержанием титаната алюминия более 50 мас.%, поскольку именно эти составы обладают ТКЛР, близким к нулевому, в широком температурном интервале. Также исследованы составы с большим содержанием титаната циркония, сведения о свойствах которых отсутствуют в литературе.
Оптимальный режим термообработки для синтеза композиции: Тмах=1600 С, выдержка 120 мин. Указанный режим позволяет получить целевой состав композиций, что подтверждено данными РФА.
При спекании смеси оксидов, в процессе которого одновременно происходит синтез материала (табл.2), наблюдается закономерный рост кажущейся плотности с увеличением температуры обжига для всего исследованного диапазона композиций. Для образцов, изготовленных из синтезированного материала, указанная зависимость не наблюдается.
При совмещении синтеза композиций со спеканием образцов происходит увеличение прочности с повышением температуры обжига. Наибольшие показатели прочности при сжатии имеют образцы, содержащие 50 мас.% Al2TiO5 синтезированные при температуре 1650 С. При обжиге образцов, изготовленных из предварительно синтезированных материалов, прочность при сжатии увеличивается с уменьшением содержания титаната алюминия.
Наибольшую прочность для состава AZТ 10 обеспечивает температура обжига 1650 С, для составов AZТ 30 и AZТ 50 - соответственно 1600 и 1650 С, а для состава AZТ температура обжига не должна превышать 1600 С.
Таблица 2 - Свойства спеченных образцов композиций Al2TiO5 - ZrTiOТ-ра Линейная обжига / Wпогл, каж, Потк, сж, изг, Состав* усадка, выдержка, % г/см % МПа МПа % С / мин 1550 / 120 9,8 15,7 2,38 37,3 21 - AZТ 1600 / 120 13,7 9,1 2,99 27,3 45 - из оксидов 1650 / 120 19,3 3,6 3,36 12,1 89 - 1550 / 120 10,5 13,2 2,65 34,9 26 - AZТ 1600 / 120 15,5 6,6 3,31 21,7 71 - из оксидов 1650 / 120 19,1 3,0 3,73 11,3 92 - 1550 / 120 12,0 9,1 3,12 28,3 113 - AZТ 1600 / 120 17,9 3,5 3,75 13,4 162 - из оксидов 1650 / 120 17,7 3,3 3,79 12,3 181 - 1550 / 120 10,6 11,5 3,12 35,9 44 - AZТ 1600 / 120 18,0 4,3 3,84 16,4 151 - из оксидов 1650 / 120 18,4 2,7 4,33 11,6 169 - 1550 / 120 6,9 5,8 3,48 20,0 72 - AZТ 1600 / 120 10,3 4,4 3,26 14,5 82 из соединений 1650 / 120 9,7 5,1 3,77 17,9 121 - 1550 / 120 5,8 7,9 3,34 26,4 54 - AZТ 1600 / 120 10,9 3,5 3,92 13,7 122 из соединений 1650 / 120 12,6 3,8 3,89 14,7 112 - 1550 / 120 7,3 6,1 3,73 22,8 91 - AZТ 1600 / 120 11,3 2,3 4,16 9,6 177 из соединений 1650 / 120 11,3 3,2 3,98 12,8 190 - 1550 / 120 10,6 2,5 4,91 12,6 255 - AZТ 1600 / 120 11,0 1,9 4,28 7,9 264 из соединений 1650 / 120 10,2 2,3 4,16 9,56 217 - * - В обозначении состава: A - Al2O3, T - TiO2, Z - ZrO2. Цифрами обозначено расчетное содержание ZrTiO4 в мас.% Из данных микрозондового анализа следует, что во всех анализируемых точках присутствуют и титанат алюминия, и титанат циркония. В темных зернах содержится преимущественно титанат алюминия, а в светлых - титанат циркония. Содержание фазы, образованной взаимодействием между ними, находится в пределах 2,4Ц6,3 мас.%, что согласуется с литературными данными. На рисунке 4-в видно, что светлая фаза, идентифицированная как титанат циркония, имеет слоистую структуру.
Исследование спекания образцов, изготовленных из синтезированных материалов, показало, что для составов, содержащих менее 70 мас.% титаната алюминия, температура обжига не должна превышать 1600 С. Увеличение температуры обжига до 1650 С приводит к деформации образцов. Композиции, содержащие 70 мас.% и более титаната алюминия, целесообразно обжигать при температуре 1650 С.
а) AZT 10 б) AZT 30 в) AZT 1 - Al2TiO5; 2 - ZrTiOРисунок 4 - Микроструктура композиций титанат алюминия - титанат циркония, спеченных при 1600 С, 120 мин.
г) AZT Небольшой объем жидкой фазы в системе Al2TiO5 - ZrTiO4 появляется уже при температуре 159010 С (рис. 2). Высокое значение открытой пористости образцов (табл. 2) указывает на то, что спекание происходило в условиях, когда количество жидкой фазы незначительно.
Значения ТКЛР исследованных композиций закономерно увеличиваются с уменьшением доли титаната алюминия в составе. Увеличение температуры обжига образцов вызывает снижение ТКЛР. Указанный эффект не зависит от состава и обусловлен более полным протеканием процесса фазообразования и упорядочиванием структуры материала.
Композиции, содержащие 90Ц70 мас.% титаната алюминия, демонстрируют небольшое снижение коэффициента теплопроводности с повышением температуры. Для составов с большим содержанием титаната циркония коэффициент теплопроводности практически не изменяется при нагреве.
В таблице 3 приведены расчетные значения критериев термостойкости, которые являются оценочными величинами, позволяющими сравнивать между собой стойкость исследованных композиций к воздействию разрушающих факторов термонагружения.
Критериальная оценка термостойкости композиций Al2TiO5 - ZrTiO4, показывает, что наибольшей устойчивостью к термоудару должен обладать состав AZT 30.
Таблица 3 ЦТермостойкость исследованных композиций Состав R, град RI, Вт/м RIII, м2/Н AZТ 10 1880 7090 0,0AZТ 30 2840 8770 0,0AZТ 50 1120 3520 0,0AZТ 70 415 700 0,0Шестая глава посвящена исследованию влияния добавки кордиерита на спекание и свойства титаната алюминия. С целью выявления температуры появления жидкой фазы, определения максимальной температуры применения была исследована плавкость системы титанат алюминия - кордиерит. При инконгруетном плавлении кордиерита в составе композиции образуется муллит игольчатой формы (рис. 5) и аносовитовый твердый раствор.
50 мас.% Al2TiO5 + 50 мас.% Mg2Al4Si5O18 30 мас.% Al2TiO5 + 70 мас.% Mg2Al4Si5OРисунок 5 - Микроструктура композиций Al2TiO5 - 2MgO2Al2O35SiO2, охлажденных от температуры 1900 С после ДТА Спекание композиций исследовали на образцах, обожженных при температурах от 13С до 1580 С в зависимости от содержания титаната алюминия.
Использование кордиерита в качестве спекающей добавки к титанатау алюминия позволяет получать композиции, прочность которых в 2-3 раза выше, чем у чистого титаната алюминия.
Для получения оптимального сочетания величины ТКЛР (не более 110-6 C-1) и показателей прочности композиции следует спекать при температурах 1500Ц1550 С.
Экспериментальная оценка термостойкости исследованных композиций дана по относительному изменению модуля Юнга. Модуль упругости после проведения 8 теплосмен по режиму 1300 С - вода не изменился.
Седьмая глава посвящена изучению устойчивости композиций титанат алюминия - муллит, титанат алюминия - титанат циркония, титанат алюминия Цкордиерит к расплавам металлов, сплавов и стекол.
Данные о взаимодействии исследуемых композиций с расплавами в лабораторных условиях были получены плавлением металлов на образцах-подложках и плавлением в тиглях.
Тигли были сформованы гидростатическим прессованием при давлении 150 МПа из композиций 70 мас.% титаната алюминия, стабилизированного 3 мас.% титаната циркония + мас.% кианита (композиция A-T-ZT-KYA 30) и из композиции 70 мас.% титаната алюминия + 30 мас.% титаната циркония. Обжиг проводили при температуре 1600 С с выдержкой 120 мин, в воздушной атмосфере. Все опыты проводили в среде аргона. Съемку профиля капли металла на огнеупорной подложке проводили через 5 минут после момента расплавления. Результаты экспериментов приведены в таблице 4.
Эксперимент показал, что расплавы меди, латуни и никеля не реагируют с подложками состава A-T-ZT-KYA 30. Пропитки и адгезии металла к подложке не отмечено.
В опытах с подложками, изготовленными из композиции титанат алюминия - титанат циркония, для всех составов отмечена адгезия расплава меди к подложке. В экспериментах с никелем адгезия расплава к огнеупорной подложке отсутствует. Эффект прилипания меди объясняется взаимодействием образующихся на контакте металл-огнеупор оксидов меди с материалом огнеупора в среде аргона. На контактной части капли никеля остается тонкий слой огнеупора, что обусловлено резким охлаждением после расплавления (охлаждение вместе с печью, печь с охлаждающим контуром). На подложке состава AZT 30 проведено плавление стали марки Ст 3КП. Под каплей образовался кратер, что объясняется перегревом расплава и его взаимодействием с поверхностью огнеупора. Адгезии металла к подложке не происходит.
Сильная адгезия наблюдается при плавлении меди на подложке, содержащей кордиерит.
Плавление меди, латуни и никеля в тиглях, изготовленных из композиции A-T-ZT-KYA 30, показало, что полученные слитки легко извлекаются из тиглей. На внутренней поверхности тиглей отсутствуют следы взаимодействия с расплавом.
Плавление в тиглях, полученных из композиции состава AZT 30, показало, что слиток меди, образовавшийся после нагрева при 1200 С в среде аргона, извлекается из тигля только с фрагментами дна. Между стенкой и металлом образуется зазор. Слиток никеля не прилипает ко дну и стенкам тигля. Расплав кремния взаимодействует с поверхностью тигля, что не позволяет извлечь его после охлаждения без разрушения тигля.
Таблица 4 - Смачивание огнеупорной подложки расплавами металлов и сплавов Состав шихты, из которой Краевой угол Металл/ Характер произведена подложка, Т-ра, С смачивания, Сплав взаимодействия мас.% град* Медь 1200 145 Капля не прилипает A-T-ZT-KYA 30 Никель 1500 140 Капля не прилипает Латунь 1200 125 Капля не прилипает Медь 1200 115 Прилипание капли AZT Никель 1500 120 Капля не прилипает Медь 1200 115 Прилипание капли Никель 1500 120 Капля не прилипает AZT Капля не прилипает, Ст3КП 1650 - образуется кратер Медь 1200 130 Прилипание капли AZT Никель 1500 120 Капля не прилипает AZT 70 Медь 1200 115 Прилипание капли Адгезия метала к 70 Al2TiO5 - 30 Mg2Al4Si5O18 Медь 1200 1подложке * - Погрешность определения краевого угла смачивания 2 град.
В тигле состава A-T-ZT-KYA 30 осуществлен нагрев на воздухе с выдержкой 20 мин при 900 С стекла, содержащего (мас.%): SiO2 - 69,0; Al2O3 - 4,2; CaO+MgO - 11,0; Na2O+K2O 14,0;
Fe2O3 - 1,5; SO3 - 0,3. Следы взаимодействия отсутствуют. Стекло легко извлекается из тигля.
Трубки состава A-T-ZT-KYA 30 были испытаны на ООО Всеволожский завод алюминиевых сплавов. Изделия подвергли циклическому воздействию расплава вторичного алюминия по режиму: погружение в расплав с Т=72010 С, выдержка 3 мин. извлечение из расплава, остывание в течение 5 мин. После 20 циклов испытания были прекращены. Все изделия выдержали испытания без видимых повреждений. Адгезия металла к поверхности огнеупора не наблюдалась.
ВЫВОДЫ 1. На основе систематического исследования формирования фазового состава и микроструктуры композиционных материалов на основе фаз системы MgO - Al2O3 - SiO2 - TiO2 - ZrO2 определены композиции в системах титанат алюминия - муллит, титанат алюминия - титанат циркония, перспективные для создания высокотемпературных материалов с интегральным коэффициентом термического расширения, не превышающим 110-6 C-1.
2. Добавки высокотемпературных соединений циркония (титанат циркония, циркон) стабилизируют титанат алюминия и оказывают положительный эффект на технические свойства материалов с использованием титаната алюминия.
3. В результате исследования фазообразования в композициях, содержащих от 50 до 90 мас.% титаната алюминия с добавками соединений циркония (ZrTiO4, ZrSiO4) и минералов группы силлиманита, установлено, что температура муллитизации зависит как от вида минерала, так и от содержания компонентов в композиции, при этом образование титаната алюминия из смеси оксидов алюминия и титана в присутствии минералов группы силлиманита не препятствует муллитизации последних.
4. Определено, что композиции с минералом группы силлиманита, содержащие 70 мас.% титаната алюминия, как предварительно синтезированного, так и полученного из смеси соответствующих оксидов, характеризуются низким интегральным коэффициентом линейного температурного расширения.
5. Наибольшей термостойкостью среди исследованных материалов системы титанат алюминия - муллит обладают композиции с 70 мас.% предварительно синтезированного титаната алюминия, стабилизированного цирконом, в сочетании с андалузитом. Высокую термостойкость имеют композиции, содержащие 70 мас.% титаната алюминия, синтезированные из смеси корунда, рутила и циркона с 30 мас.% минералов группы силлиманита.
6. На основании построенной с использованием комплекса методов физикохимического анализа диаграммы плавкости и исследования спекания композиций системы Al2TiO5 - ZrTiO4 определены условия одновременного синтеза и спекания композиций целевого состава из смеси исходных оксидов и спекания образцов из смеси заранее синтезированных соединений, обеспечивающие получение материалов с проектируемыми техническими свойствами.
7. Композиции титанат алюминия - титанат циркония, содержащие от 70 до 90 мас.% титаната алюминия, характеризуются близкой к нулю величиной интегрального КЛТР в интервале температур 100Ц900 оС и коэффициентом теплопроводности 3,5Ц4 Вт/(мК) в интервале температур 100Ц400 оС. Оптимальным сочетанием свойств характеризуются композиции, содержащие от 30 до 50 мас.% ZrTiO4, спеченные при температуре 1600 оС.
Наибольшей устойчивостью к термоудару обладает композиция, содержащая 30 мас.% титаната циркония.
8. Определены составы и условия синтеза термостойких композиций титанат алюминия - кордиерит с ТКЛР, не превышающим 0,410-6 К-1, и пределом прочности при изгибе 302 МПа.
9. Экспериментально определено, что краевой угол смачивания подложек из композиционных материалов титанат алюминия - муллит, титанат алюминия - титанат циркония расплавами меди, латуни, никеля составляет 115Ц145 град.
10. Эффективность применения изделий, полученных из композиций титанат алюминия - муллит, в контакте с расплавом вторичного алюминия, подтверждена актом промышленных испытаний на ООО Всеволожский завод алюминиевых сплавов.
11. Научный и технический приоритет подтвержден патентом Российской Федерации №2392249 С04 В35/478 Шихта и высокотемпературный материал, полученный из нее Список работ автора, опубликованных по теме диссертации:
1. Суворов С.А., Фищев В.Н., Русинов А.В. Оксидные материалы с низким коэффициентом термического линейного расширения // Ред. Ж. Прикл. Химии РАН. - СПб., 2006. - 25 с. - Деп. в ВИНИТИ, № 771-В 2006.
2. Русинов А.В., Игнатьева А.Н., Суворов С.А. Высокотемпературные термостойкие материалы на основе фаз системы SiO2ЦTiO2ЦZrO2 // Материалы Всероссийского Форума студентов, аспирантов и молодых ученых Наука и инновации в технических университетах 10Ц12 октября 2007 г. - СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2007. - С. 108.
3. Суворов С.А., Русинов А.В., Фищев В.Н., Алексеева Н.В. Высокотемпературные материалы с низким интегральным коэффициентом термического расширения // Огнеупоры и техническая керамика. - 2008. - №2. - С. 11Ц17.
4. Игнатьева А.Н., Русинов А.В., Суворов С.А. Композиции на основе фаз системы ZrTiO4ЦZrSiO4 // XVIII Менделеевская конференция молодых ученых Белгород 22Ц26 апреля 2008г. Тезисы докладов. - Белгород: Изд-во БГТУ им. Шухова, 2008. - С. 106Ц107.
5. Патент RU 2392249 C1 Российская Федерация, С 04 В 35/478. Шихта и высокотемпературный материал с низким значением коэффициента температурного линейного расширения, полученный из нее / С.А. Суворов, В.Н. Фищев, А.В. Русинов, А.Н. Игнатьева (Российская Федерация). - Заявка 2009115271/03, 21.04.2009; Опубл. 20.06.2010, Бюл. № 17.
10 с.
6. Суворов С.А., Русинов А.В., Фищев В.Н., Игнатьева А.Н. Огнеупоры на основе титаната алюминия и минералов группы силлиманита // Огнеупоры и техническая керамика. - 2011. - №7-8. - С. 3Ц8.
7. Суворов С.А., Русинов А.В., Фищев В.Н. Термостойкие композиции системы титанат алюминия - титанат циркония // Огнеупоры и техническая керамика. - 2011. - №10. - С. 10Ц14.
8. Русинов А.В. Плавкость композиций системы титанат алюминия - титанат циркония // Сборник тезисов научно-технической конференции молодых ученых Неделя науки - 2011 Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета) 30 марта - 1 апреля 2011 г. - СПб: Изд-во СПбГТИ(ТУ), 2011. - С. 60.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям