Кварцевая керамика - Пивинский Ю.Е.
Скачать (прямая ссылка):
1 Исследование выполнено автором совместно с 3. Ф. Трифоновой.
6*(0,25) Зак. 522
163
На рис. 81 показана зависимость Пк, Оизг и содержание кристобалита от температуры обжига для керамики на основе непрозрачного кварцевого стекла. В качестве последнего использовался кварцевый брус. Как было установлено рентгеноструктурным анализом, периферийные участки бруса содержали недоплавленный кристаллический Si02 в виде корки. При этом содержание кристобалита в корке бруска составляло около 20, а кварца— около 5%.
Формование образцов осуществлялось шликерным литьем из стабилизированных суспензий, полученных одностадийным помолом предварительно дробленого кварцевого бруса. В первом случае (кривые 1, рис. 81) дробление бруса осуществлялось без удаления корки, вследствие чего содержание кристаллического Si02 в материале составляло около 2%, а во втором (кривые 2) —с удалением корки. Дисперсность суспензий при этом была близкой (19 и 24% ко 5 мкм: 12,4 и 1Л,8>60 мкм соответственно). Близкими были и значения пористости отливки (пористость 12,5—13,0%).
Как следует из рис. 81, отмечается существенная разница в поведении указанных материалов при спекании. Если полное спекание материала с удаленным кристаллическим Si02 осуществляется при сравнительно низких температурах, то в другом случае даже при температуре обжига 1350°С пористость будет 7%. Последнее обусловлено тем, что образовавшийся в больших количествах кристобалит тормозит процесс спекания и разрыхляет материал при переходе а- в р-кристобалит. Этим же объясняется и падение прочности материала. Наличие максимума прочности для материала, соответствующего кривой Л рис. 81, объясняется идущими одновременно процессами уплотнения и кристаллизации, первый из которых вызывет рост прочности, а второй—ее уменьшение. При спекании материала, соответствующего кривой 2, заметное образование кристобалита начинается при температуре 1300°С, а максимальные значения прочности достигаются при 12О0°С и в дальнейшем не изменяются, несмотря на дальнейшее уплотнение.
Спекание керамики на основе непрозрачного кварцевого стекла, не содержащего примесей кристаллического Si02 осуществляется при-более низкой (на 30—150 град) температуре по сравнению с керамикой на основе прозрачного кварцевого стекла при равной дисперснос-
ти. Последнее объяснимо, видимо, большим содержанием примесей в непрозрачном кварцевом стекле (порядка 0,3—0,4). Содержание Ыа20 при этом находилось в пределах 0,01—0,02%, т. е. на порядок.больше, чем в прозрачном кварцевом стекле. Этим же объясняется и повышенная' кристализационная способность керамики из непрозрачного кварцевого стекла.
Показанный на рис. 81 (кривая /) характер изменения плотности и прочности кварцевой керамики от температуры и продолжительности спекания отмечался в целом ряде работ [12, 16, 18, 19, 20, 37, 38, 42, 47]. В работе [42] установлено, что оптимальной температурой спекания керамики из непрозрачного кварцевого стекла является 12О0°С с выдержкой 2 ч. Полученная по такому режиму керамика обладала плотностью 1,75 г/см3, асж— 600 кгс/см2, Оизг — 59 кгс/см2. При увеличении температуры обжига до 1250°С показатели р, ост и аЮТ возрастали соответственно до 1,80 г/см3, 800 и 78 кгс/см2, но термостойкость (по водяным теплосменам) уменьшалась примерно вдвое.
В работах [16, 37, 38] отмечено, что максимальное упрочнение кварцевой керамики наблюдается при температуре начала кристаллизации и соответствует содержанию кристобалита не более 2—13%. При этом, если проводить обжиг при температурах и режимах, вызывающих дальнейшее повышение содержания кристобалита, то несмотря на дальнейшее уплотнение имеет место значительное падение прочности.
Взаимосвязь спекания и кристаллизации подтверждается и в работах [37, 38] при получении прессованной керамики, изготовленной на основе как прозрачного, так и непрозрачного кварцевого стекла. Спекание образцов при этом осуществлялось на протяжении 2 ч при температурах 1100—1300°С. Полученные образцы отличались сравнительно высокой пористостью (20—30%), сравнительно малой прочностью и в большинстве случаев повышенным по сравнению с кварцевым стеклом, коэффициентом термического линейного расширения. (Сделан вывод о том, что образцы, полученные из мокромолотого материала, как в случае непрозрачного, так и прозрачного кварцевого стекла, показали меньшую скорость спекания и кристаллизации. Кроме того, сообщается, что намол железа, составлявший 0,.1б%, особого влияния на спекание .и кристаллизацию не оказывал.
164
В работах [,18, 32, 67] отмечали увеличение пористости материала с превышением оптимальной температуры спекания. В работе [67] это объясняется тем, что в частично закристаллизованном материале при охлаждении образуется множество микротрещин, которые увеличивают пористость образца, искажая картину его высокотемпературного состояния. В других работах [37, 51] указанного увеличения пористости не отмечалось.
Исключительное влияние на кинетику кристаллизации степени чистоты исходного-материала или наличия
кристаллических фаз показано и в работе [14]. На рис. 82, по данным этой работы, приведена зависимость содержания кристоба-лита в керамике различных видов в зависимости от продолжительности ее спекания при 1200°С. Керамика на основе непрозрачного кварцевого стекла обладает наибольшей склонностью к кристаллизации. Как отмечается, исходный материал содержал 1,5— 2% кристобалита. В то же время керамика на основе синтетического БЮг кабосила (сумма примесей ~0,003%) обладает намного меньшей кристаллизационной способностью (кривые 2, 5). Однако между этими кривыми отмечается существенная разница в скорости кристаллизации. Это вызвано тем, что при помоле в мудлитовой мельнице (кривая 2) происходит больший намол примесей, вызывающих кристаллизацию.
