Технические науки/1-металлургия

К.т.н. Стадничук В.И.

Белгородский технологический университет им. В.Г.Шухова, Россия

Формирование прочности керамики послойного изготовления

Для получения керамических литейных форм используют суспензию, которую наносят на модель методом окунания, и обсыпочный материал, прилипающий к суспензии в установке «кипящего слоя». Суспензию приготавливают путем введения в раствор гидролизованного этилсиликата-40, содержащего 16…20 % условного кремнезема, и огнеупорного наполнителя – дистенсиллиманитового концентрата, с последующим перемешиванием до получения требуемой вязкости. После сушки и химического отверждения огнеупорного слоя таким же образом наносят следующий слой. После формирования восьми слоев оболочку окунают в суспензию (закрепляющий слой) и отверждают. Из нее выплавляют модель, сушат при температуре 523 К и обжигают при 1173-1223 К. Заливают в подогретую до температуры 1173…1273 К керамическую форму жаропрочным сплавом при его температуре 1823…1873 К в вакууме 0,135…133 Па. Таким образом, керамическая форма представляет собой слоистую оболочку с последовательно нарощенными слоями, которые также являются слоистыми (суспензионный и суспензионно-обсыпочный участки слоя). Главными факторами, влияющими на качество отливки, являются оптимальная величина объемной прочности керамической формы и высокая поверхностная прочность.

Следует отметить некоторые особенности расположения твердых составляющих керамики. После окунания модели в суспензию перед нанесением обсыпки дают стечь избытку суспензии. Плоские поверхности пластинок КДСП под действием гравитационной силы во время стекания суспензии занимают вертикальное положение. Зерна обсыпки плотным слоем покрывают слой суспензии, внедряясь в неё, при этом суспензия поднимается, смачивая нижнюю половину обсыпочных зёрен, а в местах их контакта между собой суспензии может не быть. При последующем погружении в суспензию происходит полное её закрепление на обсыпочном зерне.

Формирование прочности керамической формы обусловлено протеканием процессов, связанных с образованием адгезионных связей на поверхности раздела наполнитель – связующая композиция и когезионным упрочнением самого связующего. Процесс образования связующей прослойки между частицами дистенсиллиманита складывается из последовательно протекающих стадий: транспортная стадия формирования площади контакта между наполнителем и связующей композицией – определяется процессами смачивания и реологии; процессы поликонденсации и массопереноса низкомолекулярных продуктов реакции; процессы разупрочнения связующей прослойки при растворении модели в воде или автоклаве; процессы твердофазного спекания при обжиге керамики: образование адгезионных связей на поверхности раздела наполнитель – связующая композиция и когезионным упрочнением самого связующего. Можно считать, что после обжига керамической формы образуются следующие виды контактов между ее компонентами: параллельно расположенные пластинки наполнителя, скреплённые рыхлым слоем связующего; зерна обсыпочного материала, скрепленные двумя слоями суспензии и покрытые связующим по всей поверхности кроме поверхности их соприкосновения; зерно обсыпочного материала и пластинки наполнителя с прослойкой связующего.

В образующейся аморфной структуре связующего всегда есть дефекты структуры – трещины от внутренних напряжений. Они образуются в связи с выделением продуктов конденсации и при быстром затвердевании разупрочняющее действие дефектов усиливается. Создание общей количественной теории прочности дисперсных систем остается проблематичным из-за наличия нескольких сложноопределяемых факторов. Это неоднозначная геометрия связующих прослоек, энергетическая неоднородность контактов, наличие на поверхности частиц структурных энергетических дефектов, наличие внутренних напряжений в связующих прослойках и дефекты в них, не плоское (объемное) разрушение.

Аморфный кремнезем кристаллизуется при температуре 1473 К, а при наличии затравок – при 1073…1373 К. Центрами кристаллизации в данном случае являются частицы дистенсиллиманита.. При температурах обжига форм 1073…1173 К происходит упрочнение адгезионных связей за счет спекания частиц Аℓ₂О₃ и SiO₂∙ Аℓ₂О₃ c кристаллизующимся кремнеземом. Одновременно возникает новая граница внутри связующего - аморфный кремнезем - кристаллический кремнезем, что ослабляет в нем когезионные силы.

Таким образом, наиболее простыми способами упрочнить керамику возможно за счёт упрочнения адгезионных связей:

1) введение в состав суспензии малых добавок нового наполнителя, который после обжига образует более прочные контакты с кристаллизующимся кремнезёмом связующего, чем дистенсиллиманит;

2) введение в состав обсыпки активных добавок (затруднено равномерное их распределение в «кипящем слое»);

3) пропитка керамики после сушки упрочняющими растворами, например, водными растворами солей.

Проведёнными исследованиями установлено, что величину упрочнения необходимо регулировать не только выбором типа соли и её концентрацией в пропитывающем растворе, но и временем пропитки. Последний фактор в большей степени определяет толщину пропитывания керамики и возможность образования солевого покрытия на поверхности керамики, что недопустимо при заливке подогретых форм химически активными сплавами, особенно в вакууме.

Предлагается для пропитки использовать 10 %-ный раствор хлористого бария, который не гидролизуется в воде, не разлагается при температурах обжига форм, подвергается твёрдофазному спеканию с керамикой и не подвергается возгонке при заливке форм. Исследования на изгиб пятислойных стандартных керамических образцов в нагретом до 1173 К состоянии показало увеличение прочности после пропитки на 30…70 %.