Способ изготовления изделий из кварцевой керамики

Способ изготовления изделий из кварцевой керамики

Реферат

Изобретение относится к керамической промышленности, а точнее к технологии производства сложнопрофильных изделий из кварцевой керамики с применением метода водного шликерного литья и центробежного формования.

Широко известен способ изготовления сложнопрофильных изделий из кварцевой керамики, например керамических антенных обтекателей, включающий приготовление водной суспензии кварцевого стекла, шликерное литье заготовок требуемой конфигурации в гипсовых формах, сушку и обжиг изделий (Ю.Е.Пивинский, А.Г.Ромашин. Кварцевая керамика. М: Металлургия, 1974, с.263). Недостатком способа является длительность процесса формования (8-12 часов при толщине заготовки 15-20 мм), сложность получения разнотолщинных изделий особенно с увеличенной толщиной стенки в верхней части формы (основании изделия). Известны способы изготовления изделий из кварцевой керамики, по которым формование керамических изделий из водных суспензий осуществляют методом центробежного литья (А.с. СССР № 1654289, С04В 35/14, 1991, пат. РФ № 2109714, С04В 35/14, 1998). Время формования изделий из кварцевой керамики с толщиной стенки 20-30 мм по этому методу составляет всего 10-30 мин. Однако недостатком способов получения изделий с применением метода центробежного литья является то, что они применимы только для формования трубчатых изделий и не позволяют изготавливать глуходонные изделия, остроконечные изделия с замкнутым контуром при вершине.

Наиболее близким техническим решением является способ изготовления изделий из кварцевой керамики по патенту РФ № 2109713, С04В 35/14, 1998, включающий получение высококонцентрированной водной суспензии кварцевого стекла методом мокрого помола боя стекла, центробежное формование цилиндрической части изделия, сушку и термообработку изделий, отличающийся тем, что в предварительно отформованной цилиндрической части изделия методом водного шликерного литья формуется днище на основе керамобетонной смеси, состоящей из 35-40% суспензии кварцевого стекла и 60-65% полифракционного крупнозернистого заполнителя из кварцевого стекла с размером частиц 1-10 мм.

Предложенный способ изготовления изделий из кварцевой керамики успешно решает частную задачу - получение цилиндрических глуходонных сталеразливочных стаканов с применением центробежного формования и шликерного литья.

Недостатком прототипа является невозможность получения сложнопрофильных тонкостенных (10-20 мм) керамических оболочек с высокой прочностью (ограничена температура спекания) и однородностью материала. Для получения изделия использованы два вида формовочных масс: высококонцентрированная, сравнительно тонкозернистая водная суспензия кварцевого стекла и керамобетонная смесь, содержащая 60-65% крупнозернистого заполнителя из кварцевого стекла с размером частиц 1-10 мм, которые формируют различный по структуре и свойствам материал. Кроме того, с целью исключения растрескивания цилиндрической части изделия в зоне донной части, ограничена температура обжига (Т_max=1050-1150°С с выдержкой 2 часа), что не позволяет получать изделия с высокой прочностью и плотностью. Существенно усложнен процесс формования изделий - сначала производят сборку формы, формуют центробежным литьем цилиндрическую заготовку, затем после извлечения и сушки заготовки доформовывают шликерным литьем донную часть изделия.

Целью настоящего изобретения является сокращение времени формования сложнопрофильных изделий из кварцевой керамики конической, оживальной или иной формы с замкнутым контуром при вершине, обеспечение высокой прочности и более высокой однородности материала в изделиях с применением ускоренного метода формования из водного шликера - центробежного литья. Кроме того, целью изобретения является получение изделий с увеличенной толщиной стенки у основания изделия.

Поставленная цель достигается тем, что предложен способ изготовления изделий из кварцевой керамики, включающий получение высококонцентрированной водной суспензии кварцевого стекла методом мокрого помола стекла, поэтапное формование изделий с применением центробежного и шликерного литья, сушку и термообработку изделий, отличающийся тем, что сначала шликерным литьем в гипсовой форме формуют слой керамической заготовки и носовую часть (донную) часть изделия, а затем методом центробежного формования в той же форме доформовывают изделие. Время набора носовой части изделия составляет 0,5-3,0 часа в зависимости от профиля и толщины стенки изделия, а центробежное формование осуществляют при скорости вращения 500-1000 об/мин в течение 10-30 минут.

Экспериментальные исследования процесса шликерного литья керамических сложнопрофильных изделий в гипсовых формах, проведенные авторами, показали, что набор носовой (донной) части изделия осуществляется в первые 0,5-3,0 часа и в несколько раз быстрее всего изделия. Ускорение набора носовой части связано прежде всего с гравитационным осаждением твердой фазы шликера, которое даже для высококонцентрированного шликера кварцевого стекла плотностью 1,87-1,91 г/см³ составляет 30-50% скорости набора за счет капиллярного всасывания гипсовой формы. Набор заготовки происходит быстрее около наклонной стенки, приращение толщины около наклонной стенки по сравнению с вертикальной пропорционально косинусу угла наклона стенки. Кроме того, при формовании остроконечных изделий методом водного шликерного литья в гипсовой форме более быстрому набору носовой части способствует растровый эффект, связанный с тем, что с уменьшением радиуса кривизны по окружности формы и заготовки увеличивается поверхность и объем гипса, участвующего в формовании единицы объема (массы) керамической заготовки.

Эти эффекты усиливаются к донной, носовой части сложнопрофильного изделия и отсутствуют в цилиндрической части изделия, где набор стенки заготовки осуществляется только за счет капиллярного всасывания воды, недостатком которого является снижение скорости набора во времени. Если в первые 0,5-3,0 часа скорость набора керамического слоя за счет капиллярного всасывания в гипсовой форме с водогипсовым соотношением 100:100 составляет 4 мм/час, то скорость набора после 8 часов набора уже не превышает 1 мм/час.

Авторы экспериментально установили, что с целью ускорения процесса формования сложнопрофильных изделий, после набора носовой (донной) части можно применить центробежное формование путем вращения той же гипсовой формы со шликером и набранным керамическим слоем до полного набора толщины стенки. В связи с тем, что скорость набора стенки заготовки методом центробежного формования увеличивается с увеличением диаметра заготовки, центробежное формование не только сокращает время набора, но и компенсирует неравномерный набор по высоте изделия, который возникает при шликерном литье сложнопрофольных изделий.

Кроме того, увеличивая время центробежного формования, можно увеличить толщину стенки заготовки у основания изделия на большом диаметре, без изменения толщины стенки в носовой (донной) части изделия.

В ряде случаев, например для формования керамических оболочек антенных обтекателей это необходимое условие, так как оно обеспечивает формирование утолщенной стенки в зоне заделки. Отформованные таким способом керамические заготовки из высококонцентрированного шликера монолитны, не имеют расслоения в зоне перехода от шликерного литья к центробежному формованию, имеют достаточно высокую однородность свойств материала по высоте и окружности. Кроме того, в связи с применением, как для шликерного литья, так и для центробежного формования, одного и того же высококонцентрированного, тонкозернистого шликера, структура и свойства материала в донной части и на боковой поверхности существенно не отличаются.

Предложенный способ включает следующие технологические операции:

- приготовление водного шликера кварцевого стекла путем мокрого помола стекла в шаровой мельнице и стабилизации;

- заливка шликера в полость вертикально установленной гипсовой формы, поверхность которой определяет контур сложнопрофильного изделия;

- набор керамического слоя на поверхности гипсовой формы за счет капиллярного всасывания гипса и гравитационного осаждения в течение 0,5-3,0 часа в зависимости от профиля и требуемой толщины стенки изделия в носовой части;

- установка закрытой формы на центробежную машину в вертикальном или горизонтальном положении;

- доформовка изделия центробежным формованием путем вращения формы со скоростью 500-1000 об/мин в течение 10-30 мин в зависимости от требуемой толщины стенки у основания изделия;

- разборка формы, слив фугата, после усадки извлечение изделия на подставку;

- подвялка, сушка и обжиг изделия по известным режимам (без каких-либо ограничений).

Для получения изделий по предлагаемому способу можно принять все известные при шликерном литье и центробежном формовании водные суспензии кварцевого стекла, но для производства прочных и однородных по структуре и свойствам изделий реологические параметры формовочного шликера рекомендуем следующие:

плотность	1,86-1,91 г/см3
вязкость	20-60 с по ВЗ-1
зерновой состав: частиц до 5 мкм	20-30%
частиц 63-500 мкм	4-8%
частиц от 5 до 63 мкм	остальное

По сравнению с прототипом существенно ускоряется технология получения изделий: для шликерного литья и центробежного формования изделия один и тот же шликер, исключаются этапы промежуточной подвялки и сушки заготовки, формования изделия общим методом осуществляется в одной форме за один технологический цикл без промежуточной разборки и извлечения полуфабриката.

Примеры выполнения способа.

Пример 1. Водный шликер кварцевого стекла с параметрами: плотность - 1,91 г/см³, вязкость - 60 с по ВЗ-1, частиц до 5 мкм - 21%, частиц 63-500 мкм - 5%, остальные частицы в диапазоне 5-63 мкм, заливали в гипсовую форму с перфорированным металлическим каркасом. Профиль рабочей поверхности формы - оживал с углом при вершине 40°, диаметр основания 220 мм, высота - 420 мм. Набор керамической заготовки осуществляли в два этапа. На первом этапе производили обычное шликерное литье в течение 1 часа. Затем форму закрывали крышкой с резиновой прокладкой и произвели доформовку изделия методом центробежного литья при вращении формы в горизонтальном положении со скоростью 500 об./мин в течение 10 мин. После слива фугата и подвялки изделие извлекли из формы, высушили и обожгли при температуре 1240°С в течение 2 часов. Изделие имело толщину стенки по высоте 8-9 мм, плотность обожженной заготовки по высоте находится в пределах 1,96-1,98 г/см³. Прочность при изгибе 65 МПа.

Пример 2. Водный шликер кварцевого стекла с параметрами: плотность - 1,86 г/см³, вязкость - 20 с по ВЗ-1, частиц до 5 мкм - 20%, частиц 63-500 мкм - 8%, остальное - частицы в диапазоне 5-63 мкм залили в гипсовую форму с цилиндрической боковой поверхностью и полусферической донной частью. После 3 часов набора методом шликерного литья форму закрыли крышкой и произвели доформовку изделия центробежным литьем при вращении формы со скоростью 800 об./мин в течение 20 мин. После извлечения изделие сушили и обжигали при температуре 1240°С в течение двух часов. Толщина стенки по всему контуру изделия 18±2 мм.

Пример 3. Из шликера с плотностью 1,88 г/см³ формовали конические изделия сначала шликерным литьем в течение 0,5 часа, затем центробежным формованием со скоростью вращения 1000 об./мин в течение 30 минут. Полученные заготовки имели толщину стенки в нижней части (на большом диаметре) 20 мм с плавным уменьшением толщины до 10 мм в носовой части. Разноплотность сырой заготовки по наружной и внутренней поверхности находилась в пределах 0,2-1,0% абсолютной пористости. Изделие после сушки термообработали при максимальной температуре 1230°С в течение 2 часов. Качество материала и изделия хорошее.

Предложенный способ изготовления изделий из кварцевой керамики имеет следующие преимущества:

- позволяет получать сложнопрофильные изделия с применением последовательно шликерного литья и центробежного формования в одной форме;

- обеспечивает получение как равнотолщинных оболочек, так и с утолщением у основания;

- сокращает время формования таких изделий по сравнению со шликерным литьем;

- упрощает технологию получения изделий с применением центробежного и шликерного литья по сравнению с прототипом.

Способ изготовления изделий, предложенный и апробированный авторами на изделиях из кварцевой керамики, может быть применен для формования изделий из высокоглиноземистой керамики, ситаллокерамики и других материалов, водные суспензии которых склонны к гравитационному осаждению.

Источники информации

1. Ю.Е.Пивинский, А.Г.Ромашин. Кварцевая керамика. Металлургия, 1974, с.263.

2. А.с. СССР № 1654289, С04В 35/14, 1991.

3. Патент РФ № 2109714, С04В 35/14, 1998.

4. Патент РФ № 2109713, С04В 35/14, 1998.

1. Способ изготовления изделий из кварцевой керамики, включающий получение высококонцентрированной водной суспензии кварцевого стекла мокрым помолом, поэтапное формование изделий с применением центробежного и шликерного литья, сушку и термообработку изделий, отличающийся тем, что сначала шликерным литьем в гипсовой форме формуют слой керамической заготовки и носовую или донную часть изделия в течение 0,5-3,0 ч, а затем центробежным литьем в той же форме доформовывают изделие.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в зависимости от профиля и толщины стенки изделия центробежное формование осуществляют при скорости вращения 500-1000 об./мин в течение 10-30 мин.