Перспективные разработки науки и техники

Д.т.н. Лисачук Г.В., к.т.н. Белостоцкая Л.А., Трусова Ю.Д.,

к.т.н. Кривобок Р.В., Павлова Л.В., Подчасова Е.В.

Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», Украина

Фазообразование в процессе кристаллизации титансодержащих покрытий по керамике

В последние годы проводятся многочисленные исследования по разработке новых составов и совершенствованию технологии получения керамических покрытий, содержащих диоксид титана.

В настоящей работе приводятся результаты исследований по изменению фазового состава покрытий методом катализированной кристаллизации титансодержащих расплавов для регулирования структурных характеристик и заданных технических и эксплуатационных свойств. Необходимым условием создания многофазных стеклокристаллических покрытий является прогноз их вероятного фазового состава с помощью термодинамических расчетов. Кроме обычного метода исследования (расчет энергии Гиббса), нами предложен и отработан метод расчета равновесного фазового состава соединений, образующихся в процессе нагревания шихты [1].

Термодинамический расчет равновесного состава, образующегося в исследуемой борсодержащей системе B₂O₃–Al₂O₃–SiO₂–TiO₂, осуществлен анализом реакций между исходными веществами и возможными продуктами их высокотемпературного взаимодействия. Были прослежены зависимости расчетного количества кристаллических фаз, образующихся при конечной температуре варки стекла 1620 К от переменного соотношения модифицирующих оксидов RO = CaО, ZnO и MgO. Графическая интерпретация полученных результатов представлена на рис. 1 и 2, из которых следует, что в шихтовых титансодержащих смесях повышение температуры благоприятствует росту образования таких фаз, как диопсид, перовскит, форстерит, ганит и обеих кристаллических разновидностей диоксида титана – рутила и анатаза.

Рис. 1 – Расчетное количество кристал- Рис. 2 – Расчетное количество крис-

лических фаз в серии составов А в за- таллических фаз в серии составов Б

висимости от соотношения оксидов в зависимости от соотношения окси- CaO:ZnO дов CaO:(ZnO+MgO)

Следует обратить внимание, что на результирующий фазовый состав оказывает влияние соотношение модифицирующих оксидов. При соотношении CaO : ZnO = 1 превалирует влияние анатаза и ганита, а при соотношении CaO: (ZnO + MgO) = 0,36 – рутил. С использованием полученных данных в эксперимен-тальных условиях были изготовлены две серии фриттованных (1350 °C) покрытий.

В серии составов А содержание стеклообразователей (SiO₂, Al₂O₃, B₂O₃) составляло 72 мас.%, а в серии составов Б – 67 мас. %. Количество модификаторов (CaО, ZnO и MgO) в составах находилось в пределах 14–19 мас. % при постоянном минимальном содержании диоксида титана 8 мас. % и минимальном содержании B₂O₃ – 5 (серия Б) и 10 масс. % (серия А).

Структура опытных стекломатриц была оценена с помощью комплекса расчетных показателей, используемых в технологии стеклокристаллических покрытий [2]. Установлено, что структуры опытных покрытий в двух сериях резко различны. Составы серии А (белые) характеризуются фрагментированной структурой кремнекислородной сетки [AlO₄][BO₄][BO₃], что определяет ее склон-ность к ликвации, результатом которой является формирование анатаза и ганита.

Составы серии Б с однородной кремнекислородной сеткой [AlO₄][BO₄] определяют склонность фритты к кристаллизации в ней рутила. Использование TiO₂ в покрытиях осложняется полиморфным переходом анатаз – рутил, сопровождающимся нарастающим желтым окрашиванием, что ограничивает возможность его применения.

Из рисунка 2 следует, что в серии составов Б соотношение модификаторов CaO : (ZnO + MgO) должно быть не более 0,36 для получения белых покрытий. Повышение этого соотношения сдвигает окрашивание в сторону кремовых оттенков за счет увеличения количества рутила.

При температуре 920-960 °C получено покрытие с устойчивым белым глушением, защищенное патентом №53017 [3], которое характеризуется показателем белизны более 70 %, имеет высокие показатели термостойкости (250-500 °C) и химстойкости (99,9 – 99,94 %).

Проведенными исследованиями установлено, что при соблюдении найденных соотношений модифицирующих оксидов кальция, цинка и магния возможно получение титансодержащих покрытий с устойчивым белым глушением. Это позволило существенно сузить область поиска оптимального титансодержащего состава и режима его термообработки.

Литература

1. Лисачук Г.В. Применение термодинамического анализа для оптимизации составов глазурных стекол/[Г.В. Лисачук, Ю.Д. Трусова, Н.В. Трусов и др.]//Вестник НТУ «ХПИ».– Харьков: НТУ «ХПИ», 2001.– №19.– С. 14–18.

2. Лисачук Г.В. Стеклокристаллические покрытия по керамике / [Г.В. Лисачук, М.И. Рыщенко, Л.А. Белостоцкая и др.]; Под. Ред. Г.В. Лисачука. – Х.: НТУ «ХПИ», 2008.– 480 с.

3. Пат. № 53017 Україна, МПК⁵¹ С03С 8/00 Знепрозорена полива / Лісачук Г.В., Трусова Ю.Д., Білостоцька Л.О., Павлова Л.В., Подчасова К.В., Богданов О.О. – 201001580; Заявл. 5.02.2010; Опубл. 27.09.2010; Бюл. № 18.