Бесспековая технология получения конструкционной корундовой керамики на основе микропорошков электрокорунда с добавками алюмомагниевой шпинели и муллита тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Шер Николай Ефимович

• Шер Николай Ефимович
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Шер Николай Ефимович

2.1.3 Технологические связующие

2.1.4 Шихта, пресс-порошок, заготовки образцов и изделий

2.1.5 Образцы спеченного материала и изделия на его основе

2.2 Методы и методики определения свойств исследуемых

объектов

2

2.2.1 Химический, фазовый, структурный и термический анализы

2.2.2 Измерение физических, механических, теплофизических и

диэлектрических свойств

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА СОСТАВА И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУЧЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННОГО КОРУНДОВОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ПОРОШКОВ ЭЛЕКТРОКОРУНДА

3.1 Обоснование выбора исходных компонентов для исследований

3.2 Разработка материала на основе электрокорунда Б1500 и спекающей добавки состава М§0-8Ю2-А1203

3.2.1 Исследование зависимостей основных свойств керамики из электрокорунда Б1500 с добавками муллита и алюмомагниевой шпинели от состава и технологических параметров

3.2.1.1 Изучение характеристик промышленных порошков электрокорунда Б1500

3.2.1.2 Разработка состава спекающей добавки на основе порошков муллита и алюмомагниевой шпинели

3.2.1.3 Исследование влияния давления прессования на плотность сырца и керамики

3.2.1.4 Изучение взаимосвязей свойств керамического материала с содержанием спекающей добавки

3.2.1.5 Определение температурно-временных параметров обжига

материала

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ КОРУНДОВОГО МАТЕРИАЛА И ИЗУЧЕНИЕ ЕГО СВОЙСТВ

4.1 Технологический процесс изготовления корундовой керамики на основе электрокорунда Б1500

4.2 Структурные характеристики, химические и физические свойства

материала ОТМ-943

ГЛАВА 5 АПРОБАЦИЯ КОРУНДОВОГО МАТЕРИАЛА ОТМ-943

3

5.1 Керамические бронеэлементы для защитных керамокомпозитных

панелей и футеровочные бруски для шаровых мельниц

5.2 Изделия из материала ОТМ-943, разработанные в рамках программы импортозамещения

5.2.1 Элементы керамической оснастки высокотемпературной испытательной установки

5.2.2 Керамическая вставка направляющего узла ленточной пилы... 123 ГЛАВА 6 ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОКОРУНДА F1500 В ПРОИЗВОДСТВЕ ОГНЕУПОРНЫХ И ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

6.1 Корундомуллитовые огнеупоры

6.2 Термостойкий электроизоляционный материал кордиерито-

муллитового состава

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Бесспековая технология получения конструкционной корундовой керамики на основе микропорошков электрокорунда с добавками алюмомагниевой шпинели и муллита»

Актуальность работы

Среди керамических оксидных материалов особое место занимает корундовая керамика, востребованная в различных отраслях промышленности и сферах жизнедеятельности благодаря комплексу ценных свойств: высоких механических и электрофизических характеристик, химической и биологической инертности, доступности и сравнительно низкой стоимости сырья. Во многих областях техники все большим спросом пользуются конструкционные материалы на основе оксида алюминия, работоспособные в условиях повышенных ударных, истирающих, электрических, термических нагрузок и других экстремальных воздействий [1-4].

Наиболее высокий уровень прочностных свойств характерен для керамических материалов, имеющих беспористую мелкокристаллическую структуру, для получения которой необходимо использование субмикронных неагломерированных порошков, содержащих в качестве основной

фазы [5,6]. В России для производства корундовой керамики традиционно используются промышленные глиноземы марок Г-0, Г-00, ГК-1, ГЭФ и др. [1,2]. Металлургические глиноземы Г-0 и Г-00, содержащие в значительном

количестве термодинамически неустойчивую фазу У^^^ перед

применением подвергают высокотемпературной обработке для перевода ее в а-A12O3 с последующим измельчением и рассевом порошков [1,7-9].

Неметаллургические глиноземы ГК-1 и ГЭФ, в которых содержание а-A12O3 составляет около 90 % мас., являются наиболее подходящими для керамической технологии, однако они также требуют трудоемких и длительных операций измельчения и сепарации тонких фракций.

Получение высокоплотной керамики на основе чистого корунда сопряжено с высокими температурами обжига вплоть до 1900 °С, поэтому с целью их снижения и повышения степени уплотнения материала применяют различные спекающие добавки. В большинстве случаев для приготовления

таких добавок проводят отдельную операцию высокотемпературного синтеза, что существенно увеличивает длительность, трудоемкость и энергозатраты технологического процесса в целом [5,10,11].

В АО «ОНПП «Технология» им. А.Г. Ромашина» существует мелкосерийное производство корундовой керамики ТСМ-303 на основе глинозема Г-00 и Са-, Бь и В-содержащей добавки, которое также включает указанные трудо- и энергоемкие операции. Изделия из этого материала в виде плитки в большом количестве используются на предприятии для футеровки помольного оборудования.

В условиях динамичного роста объемов производства в АО «ОНПП «Технология» им. А.Г. Ромашина» остро встал вопрос увеличения ресурса безремонтной службы мельниц, соответственно, повышения эксплуатационных свойств футеровки и эффективности технологии ее изготовления. В связи с этим исследования, направленные на разработку конструкционного корундового материала с высокими механическими характеристиками и производительной технологии его получения, представляют научно-практический интерес и являются актуальной задачей.

Степень разработанности темы исследований

С исследованиями и разработками корундовых материалов связаны

имена таких известных ученых, как Будников П.П., Павлушкин Н.М.,

Полубояринов Д.Н., Орлова И.Г., Дегтярева Э.В., Кайнарский И.С.,

Стрелов К.К., Лукин Е.С., Кингери У.Д., Эванс А.Г., Тресвятский С.Г.,

Бережной А.С., Кобл Р.Л., Попильский Р.Я., Келер Э.К. и др., которые внесли

огромный вклад в эту область материаловедения [2,10,12-21]. В России

активные разработки и внедрение корундовой керамики начались еще в 40-50-

е годы прошлого столетия и были связаны в первую очередь с возрастающими

потребностями предприятий электронной, электротехнической

промышленности и вакуумной техники. С тех пор разработан целый ряд

материалов, отличающихся высокими показателями механических,

электрофизических, диэлектрических характеристик и вакуумной плотности: ВК 94-1 и ВК 94-2, ВК 100-1 и ВК 100-2, микролит (ЦМ332), М-7 (миналунд-7), корал-2, синоксаль и др. [3,22, 23].

Для получения керамики указанных марок используют различные алюмосодержащие сырьевые материалы, на основе которых были созданы промышленные технологии, относящиеся к числу базовых. Вместе с тем, научно-технический прогресс в развитии новейших отраслей промышленности диктует повышенные требования к основным свойствам корундовых материалов и необходимость обеспечения комплекса специальных характеристик, обусловленных особенностями условий эксплуатации. Ключевые пути решения такой задачи состоят в разработке эффективных технологий получения современных материалов с нужными целевыми показателями на основе исходного сырья, не требующего трудо- и энергозатратных переделов.

Научно-практические результаты, достигнутые в области технологии корундовой керамики, показывают, что возможности создания новых перспективных материалов далеко не исчерпаны. В работах [24-27] предпринята попытка получения композиционной керамики из порошков электроплавленного корунда, который интересен как сырье благодаря высокой плотности, твердости зерен, отсутствию роста кристаллов при спекании, а также возможности его использования в состоянии поставки без дополнительной технологической подготовки. Показано, что материалы, получаемые на основе электрокорунда с размерами частиц 4-10 мкм и разных эвтектических спекающих добавок в количестве до 15 % мас., имеют либо низкую плотность - до 3,56 г/см3 и высокую прочность при изгибе - 328 МПа, либо наоборот - высокую плотность 3,86 г/см3 в сочетании с низкой прочностью 200 МПа.

Вероятно, для обеспечения высоких значений всех свойств требуется

применение более тонкодисперсных порошков электрокорунда, подбор

эффективных спекающих добавок, оптимизация состава шихты и

7

технологических параметров. Совершенствование этой технологии с глубоким изучением причинно-следственных связей «параметр - свойство», физико-химических процессов, протекающих при спекании керамики, и механизма формирования ее структуры представляется важным и перспективным в плане разработки новых конструкционных корундовых материалов, повышения технологических возможностей получения, расширения областей и объектов их применения. Поэтому развитие работ, направленных на получение корундовой керамики с использованием наиболее тонких промышленных порошков электрокорунда, а также разработку бесспековой технологии ее получения, представляет научно-практический интерес и является актуальной задачей.

Целью работы является разработка конструкционного корундового материала с комплексом высоких механических характеристик и бесспековой технологии его получения из промышленных микронных порошков электрокорунда.

Для достижения поставленной цели были поставлены и решены следующие задачи:

- обоснование выбора исходных компонентов для исследований и изучение свойств основных сырьевых ингредиентов;

- разработка состава спекающей добавки системы Mg0-Al20з-Si02, шихты и пресс-порошка на основе электрокорунда F1500 с добавкой смеси алюмомагниевой шпинели и муллита;

- исследование зависимости свойств сырца и керамики от давления прессования, количества спекающей добавки и температурно-временных параметров обжига материала;

- разработка технологического процесса получения корундовой керамики на основе проведенных исследований;

- изучение структурных, химических, физико-механических и эксплуатационных характеристик полученного материала ОТМ-943 с проведением его паспортизации;

- разработка технологии изготовления конструкционных изделий для апробации материала ОТМ-943;

- проведение испытаний изделий для оценки их работоспособности в эксплуатационных условиях.

Научная новизна результатов работы

Научная новизна результатов работы заключается в установлении ряда закономерностей, выявленных при разработке конструкционной корундовой керамики на основе микропорошков электрокорунда

1. Показана перспектива использования нового вида промышленного сырья, для получения конструкционной корундовой керамики по бесспековой технологии: микропорошка абразивного электрокорунда марки 25А F1500, обладающего высокой спекаемостью и технологичностью, и в качестве компонентов спекающей добавки кристаллических порошков алюмомагниевой шпинели (марки АМБ-78) и электроплавленного муллита (марки ПМЛП).

Новизна технических решений подтверждена патентами на изобретения: «Шихта на основе оксида алюминия и способ ее получения», Российская Федерация, № 2775746, 2022 г.; «Способ получения конструкционной керамики на основе оксида алюминия», Российская Федерация, № 2789475, 2023 г.

2. Установлено, что эффективной бесспековой добавкой к электрокорунду F1500 является смесь кристаллических порошков алюмомагниевой шпинели и муллита в массовом соотношении 1 : 4, которая при обжиге материала образует расплав стекла кордиеритового состава и обеспечивает получение керамики с комплексом высоких физико-механических свойств (прочность при изгибе до 400 МПа, К1с - до

9

5,2 МПа-м1/2). Комбинация кристаллических порошков алюмомагниевой шпинели и муллита впервые применена как активатор жидкофазного спекания корунда.

3. Выявлены зависимости плотности, прочности при изгибе, микротвердости материала от содержания спекающей добавки. Установлено, что максимальных значений плотность достигает при содержании добавки 5,07,0 мас. %, прочность при изгибе - 7,0-9,0 %, и микротвердость - 5,5-7,5 %, что позволяет варьировать количество добавки с учетом целевого назначения материала.

Практическая значимость работы

1. Результаты исследований реализованы в технологии получения конструкционной корундовой керамики из микропорошка электрокорунда F1500 со спекающей добавкой на основе алюмомагниевой шпинели и муллита, достоинства которой заключаются в использовании отечественных промышленных сырьевых материалов, отсутствии отдельной предварительной операции высокотемпературного синтеза спекающей добавки и технической простоте технологического процесса без длительных, трудоемких и энергозатратных операций. На технологию приготовления пресс-порошка и изготовления из нее керамического материала разработаны 2 технологические инструкции, и получено 2 патента на изобретение.

2. Разработанный корундовый материал, паспортизованный в АО «ОНПП «Технология» им. А.Г.Ромашина» с присвоением ему марки ОТМ-943, содержит ~98,5 % мас. А12О3, имеет высокую кажущуюся плотность (до 3,78-3,87 г/см3), нулевые показатели открытой пористости и водопоглощения, мелкокристаллическую структуру, определяющую высокие механические свойства: прочность при изгибе (340-400 МПа) и сжатии (20002200 МПа); Кь (4,9-5,2 МПа-м1/2); модуль упругости (340-360 ГПа); скорости прохождения УЗ-волн через материал (10,40-10,45 км/с) и микротвердости

(13,8-15,5 ГПа). На материал ОТМ-943 разработаны технические условия ТУ 1-596-579-2022.

3. Материал ОТМ-943 апробирован в бронеэлементах в составе конструкции керамокомпозитной панели, которая успешно выдержала баллистические испытания без пробития при 6 обстрелах пулями Б-32 и БП калибра 7,62х54 мм. В рамках программы импортозамещения из материала ОТМ-943 разработаны конструкционные изделия, работающие в условиях высоких механических нагрузок: опорные ролики и инденторы для высокотемпературной испытательной установки и керамические вставки направляющего узла ленточной пилы зарубежного производства, которые в настоящее время успешно используются взамен оригинальных комплектующих.

4. Показана перспектива применения порошка электрокорунда Б1500 в качестве компонента керамической связки для изготовления корундомуллитовых огнеупоров: плавильных тиглей, футеровки стекловаренных печей, элементов оснастки высокотемпературного испытательного оборудования, теплозащитных плит камеры сгорания газотурбинных установок, а также для синтеза кордиерита при получении термостойкой электроизоляционной кордиеритовой керамики. На эти разработки получено 2 патента на изобретение.

Методология и методы исследования

Методология диссертационной работы заключается в исследовании используемых сырьевых компонентов, всесторонних взаимосвязей свойств материала с его составом и технологическими параметрами изготовления, а также структурных, химических, физико-механических и эксплуатационных характеристик разработанной конструкционной корундовой керамики.

Определение гранулометрического состава исходных сырьевых

порошков проводили методом лазерной дифракции, и удельной

поверхности - на приборе ПСХ-12М по методу Козени и Кармана,

11

основанному на измерении их газопроницаемости. Изучение фазового состава и структуры объектов исследования осуществляли с использованием рентгенофазового и электронно-микроскопического методов анализа. Для определения плотности, пористости и водопоглощения керамических образцов применяли метод гидростатического взвешивания, прочности при статическом изгибе и коэффициента интенсивности напряжений - метод трехточечного изгиба, прочности при сжатии - метод осевого нагружения, микротвердости - метод вдавливания алмазных наконечников, коэффициента термического расширения - дилатометрический метод, температуро- и теплопроводности - метод лазерной вспышки, диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь - резонаторный высокочастотный метод.

Положения, выносимые на защиту

1. Получение конструкционной корундовой керамики с высоким уровнем механических свойств обеспечивается путем использования в качестве исходных компонентов активного к спеканию микропорошка электрокорунда Б1500 и эффективной спекающей добавки, представляющей собой комбинацию алюмомагниевой шпинели и муллита.

2. Использование промышленного электрокорунда Б1500, состоящего полностью из а-фазы А12О3, алюмомагниевой шпинели и муллита, не требующих проведения предварительных высокотемпературных процессов термообработки сырья и синтеза спекающей добавки, лежит в основе разработки ресурсосберегающей технологии получения конструкционного корундового материала.

3. Технологическими параметрами, существенно влияющими на свойства керамики на основе электрокорунда Б1500, являются массовое соотношение ингредиентов спекающей добавки, ее содержание, давление прессования заготовок и температура обжига материала.

4. Высокие эксплуатационные характеристики керамики из электрокорунда Б1500 с добавками алюмомагниевой шпинели и муллита обусловлены мелкокристаллической структурой материала, высокой плотностью и твердостью зерен корунда, а также прочностью межчастичных контактов, сформированных с участием спекающей добавки.

5. Комплекс свойств нового корундового материала ОТМ-943 создает перспективу использования его в качестве конструкционных изделий, работоспособных в условиях повышенных статических, ударных и истирающих нагрузок.

Апробация результатов

Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается применением высокоточного оборудования, современных методов исследования свойств и структуры керамических материалов, а также воспроизводимостью экспериментальных данных и согласованностью их с литературными сведениями.

Результаты диссертационной работы были использованы в производстве керамических корундовых изделий в АО «ОНПП «Технология» им. А.Г. Ромашина» (г. Обнинск).

Результаты исследований представлены на всероссийских и международных конференциях: Международной научно-практической конференции «Материаловедение, формообразующие технологии и оборудование 2023», г. Симферополь, 2023 г.; XXIII Международной научно-технической конференции «Конструкции и технологии получения изделий из неметаллических материалов», г. Обнинск, 2024 г.

Публикации

Основные результаты диссертационной работы изложены в 8 публикациях, в том числе 2 статьи в рецензируемых научных изданиях,

включенных в перечень ВАК. Главные положения защищены 4 патентами на изобретения.

Личный вклад автора

Личный вклад автора заключается в проработке и анализе научно -технической литературы по теме диссертационной работы, обосновании актуальности, постановке цели и задач, планировании и выполнении экспериментов, анализе, обработке и систематизации результатов исследований, разработке технологической документации, паспортизации материала, апробации его в изделиях с проведением испытаний, внедрении технических решений в технологию изготовления изделий, а также подготовке публикаций по результатам работы.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы из 156 наименований и 9 приложений. Общий объем диссертации составляет 156 страниц машинописного текста, включая 50 рисунков, 13 таблиц и 10 страниц с приложениями.

ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННЫЙ УРОВЕНЬ НАУЧНО-

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РАЗРАБОТОК В ОБЛАСТИ КОНСТРУКЦИОННОЙ КОРУНДОВОЙ КЕРАМИКИ

1.1 Свойства корундовой керамики и области ее применения

Среди широкого спектра керамических материалов корундовая керамика является одной из самых востребованных в различных отраслях промышленности и сферах жизнедеятельности. Благодаря совокупности уникальных химических, электрофизических и механических свойств, доступности и сравнительно низкой стоимости сырья, научно-практический интерес к ней в последнее время только возрастает.

14

Основные характеристики алюмооксидных материалов во многом обусловлены структурой и свойствами самого оксида алюминия, который представляет собой бинарное химическое соединение алюминия и кислорода с химической формулой А1203. Оксид алюминия называют также глиноземом [2,14].

Известно [1,28,29], что безводный оксид алюминия существует в трех основных модификациях - а-А1203, Р-А1203 и т-А1203, которые отличаются друг от друга по строению кристаллической решетки, плотности и другим свойствам. Самой термодинамически устойчивой формой является а-А1203 (корунд), который кристаллизуется в тригональной сингонии (рис. 1.1) в широком диапазоне температур 500-1500 °С и сохраняет эту структуру вплоть до температуры плавления [30-32].

Рисунок 1.1 - Кристаллическая решетка корунда [33]

Корунд имеет высокую энергию кристаллической решетки - 15,4 МДж/моль [1] и большую прочность внутрикристаллических связей, определяющую низкую скорость диффузии атомов, соответственно, высокие температуры плавления А1203 - 2050 °С и спекания керамики на его основе - до 1900 °С [21,33]. По той же причине у корунда высокие показатели

15

твердости - 9 по шкале Мооса и около 90 - по шкале Роквелла [1] и прочности плотноспеченных корундовых материалов - до 500 МПа и даже выше [16]. Плотность корунда в зависимости от наличия в нем примесей колеблется от 3,98 до 4,00 г/см3 [1,14]. Ширина запрещенной зоны кристаллического оксида алюминия составляет 9,4 эВ, что обусловливает его высокие диэлектрические свойства [34,35]. Монокристаллы а-А12О3 в отсутствие примесей прозрачны и не имеют окраски [36,37].

Корунд отличается исключительно высокой химической стойкостью в отношении кислот и щелочей. При нормальной температуре на него практически не действует даже плавиковая кислота. Он также устойчив к действию большинства расплавов щелочных металлов [38].

Второй кристаллической модификацией глинозема является т-А12О3, которая имеет кубическую кристаллическую решетку. В природе она не обнаружена и образуется при термической обработке гидратов оксида алюминия при температурах выше 500 °С. При нагревании, начиная с 1100 °С, т-А12О3 медленно и необратимо переходит в а-форму. Этот переход сопровождается объемным сжатием на 14,3 % и полностью завершается при 1450-1500 °С [1,28,39]. Плотность т-глинозема составляет 3,65 г/см3, что заметно меньше, чем у корунда [1].

Р-глинозем представляет собой не чистый оксид алюминия, а смесь алюминатов щелочных и щелочноземельных металлов с общей химической формулой МеО^(8-11)А12О3, образующихся в процессе выделения оксида алюминия из природного сырья по промышленной технологии [40]. Для всей группы щелочных и щелочноземельных разновидностей Р-глинозёма характерна гексагональная структура; плотность их ниже по сравнению с корундом и меняется в пределах от 3,30 до 3,64 г/см3 [41].

Р-А12О3 имеет высокую электропроводность даже при низких температурах, и присутствие его в корундовой керамике понижает ее электрофизические свойства, что недопустимо для высокочастотных диэлектрических материалов [33].

Кроме а-, в- и у- А12О3 встречается указание на существование 5 -, ^ -, 0 -, х -, Р - и ^ - формы глинозёма [42,43,44]. Единого мнения относительно числа и свойств, температурных областей стабильного и метастабильного существования разновидностей глинозёма не существует. Их следует рассматривать как неустойчивые промежуточные образования, возникающие при переходе гидратов в безводный А12О3.

Таким образом, из трех основных модификаций оксида алюминия наилучший комплекс характеристик, который создает предпосылки для получения корундовой керамики с высокими показателями плотности, твердости, прочности, сохраняющейся при повышенных температурах, химической инертности и электрофизических свойств, является а-А12О3 - корунд.

На основе корунда создан целый ряд высокоплотных, прочных и твердых материалов, которые применяются в изделиях конструкционного назначения, работающих в условиях повышенных механических нагрузок. Это футеровочные плитки помольного оборудования, мелющие тела, плунжеры насосов высокого давления, элементы подшипников скольжения, сопла для пескоструйных установок, фильеры, волоки и др., работоспособные в режимах истирающих нагрузок и эрозионного воздействия [2,3]. Корундовая керамика в настоящее время является одним из распространенных видов броневой защиты [45]. Керамические материалы на основе корунда с мелкокристаллической структурой и высокой чистотой поверхности после шлифовки и полировки позволяют создавать износостойкие элементы с точными размерами и высокой стабильностью механических и электрофизических свойств для современных приборов, машин и аппаратов [46].

Алюмооксидная керамика отличается высокими показателями электросопротивления и диэлектрических характеристик, поэтому к традиционным сферам ее применения относятся электро-, СВЧ- и радиотехника, авиастроение, ракетная и космическая техника, где она

используется в качестве электроизоляторов, корпусов газоразрядных ламп, окон выводов энергии и разнообразных конструкционных диэлектрических элементов [16,47-49]. Особую группу составляет вакуумно-плотная корундовая керамика, широко используемая для получения прочных герметичных спаев с металлами в конструкциях металлокерамических узлов различных электровакуумных приборов [7,50]. Предполагается, что большим спросом в будущем будет пользоваться керамика на основе А1203 для электрического транспорта и хранения энергии [5].

Сочетание хороших электрофизических свойств с высокими механическими характеристиками и возможностью получения поверхности изделий с низкой шероховатостью позволяет успешно применять корундовую керамику в электронной технике в виде самых разнообразных элементов, в том числе подложек интегральных схем [16].

Чистая спеченная корундовая керамика устойчива в расплавах алюминия, магния, кобальта, никеля, олова, свинца, щелочных металлов, что обусловливает ее применение для изготовления плавильных тиглей. Благодаря химической инертности оксида алюминия к воздействию кислот, расплавов солей, стекол и многих других агрессивных соединений, материалы на основе А1203 используются в производстве химической посуды, подложек и контейнеров для обжига керамических порошков и изделий, а также аналитических тиглей для высокотемпературного анализа неорганических веществ [2,51].

Корундовая керамика пассивна по отношению к парам цезия, поэтому она востребована в качестве изоляторов гермовводов для термоэмиссионных преобразователей тепловой энергии в электрическую. За счет относительно высокой теплопроводности алюмооксидного материала его успешно применяют в виде чехлов для защиты термопар. Нетоксичность и биологическая инертность этой керамики являются важными свойствами, определяющими ее широкое использование в медицине для изготовления

зубных имплантатов и протезов суставов [2,52].

18

Вместе с тем, следует отметить, что в настоящее время, в условиях непрерывного научно-технологического развития, совершенствования и разработки новейших технических объектов, наибольший интерес представляет конструкционная корундовая керамика, области применения которой в ближайшей и долгосрочной перспективе будут только расширяться.

1.2. Основные подходы к созданию конструкционной корундовой керамики

Для получения конструкционной корундовой керамики с плотностью, близкой к теоретической (3,98-3,99 г/см3), необходимо создать условия, обеспечивающие максимальное удаление всех пор из материала. На конечный результат влияют многочисленные факторы, которые следует учитывать на каждом технологическом этапе изготовления керамики.

К таким факторам относятся характеристики исходных компонентов, зерновой состав формовочной смеси, присутствие в ней спекающих добавок и их свойства. Большое значение имеет плотность, пористость отформованных изделий и распределение пор по размерам в заготовке. Очень важными параметрами, влияющими на формирование микроструктуры и, соответственно, свойства керамики, являются конечная температура, режим и газовая среда обжига корундового материала [2,5,21,46].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Шер Николай Ефимович, 2025 год

- 23 с.

121. Патент № 2021225. Рос. Федерация, МПК С04В 35/00. Спеченный материал на основе а-оксида алюминия и способ получения керамического материала. № 4830640/33: заявл. 06.07.1990: опубл. 15.10.1994/ Кунц Р. (ОЕ), Кампфер К. (ОБ) - 9 с.

122. Введение в техническую керамику / под ред. Шевченко В.Я.- М.: Наука, 1993. - 112 с.

123. Будников, П.П. Технология керамики и огнеупоров. / П.П. Будников. - М.: Госстройиздат, 1962. - 708 с.

124. Данцис, Я.Б. Электротермические процессы химической технологии: Учеб. пособие для вузов./ Я.Б. Данцис, В.А. Ершов, Г.М. Жилов [и др.]. - Л.: Химия, 1984. - 464 с.

125. Информационный сайт: « ООО Технокерамика ». [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://technokeramika.ru/production/electrokorund-belyy-25a/mikroshlifporoshki-coral/ (дата обращения: 14.10.2023)

126. ГОСТ 4526-75. Магний оксид. Технические условия. - М.: ИПК Издательство стандартов, 2002. - 10 с.

127. ГОСТ 21234-75. Тальк молотый для керамической промышленности. Технические условия. - М.: ИПК Издательство стандартов, 2002. - 6 с.

128. ГОСТ 25542.3-2023. Глинозем. Методы определения оксида натрия, оксида калия, оксида цинка, оксида кальция и щелочности. - М.: Российский институт стандартизации, 2023. - 18 с.

129. Васильев, В.П. Аналитическая химия. Кн. 2: Физико-химические методы анализа./ В.П. Васильев. - М.:Дрофа, 2004, - 383 с.;

130. Кузяков, Я. Ю. Методы спектрального анализа: учеб. пособие для хим. спец. ун-тов./ Я. Ю. Кузяков, К. А. Семененко, Н. Б. Зоров. - М.: МГУ, 1990.- 212 с.

131. Гинье, А. Рентгенография кристаллов. Теория и практика./ А. Гинье. - М: «Физмат», 1961. - 604 с.

132. Морис, Ф. Микроанализ и растровая электронная микроскопия./ Ф. Морис, Л. Мени, Р. Тиксье. - М.: «Металлургия», 1985. - 392 с.

133. ГОСТ Р 57923-2017. Композиты керамические. Определение гранулометрического состава керамических порошков методом лазерной дифракции. - М.: Стандартинформ, 2017. - 11 с.

134. Носенко, А.А. Методы и устройства для измерения удельной поверхности дисперсных материалов/ А.А. Носенко, С.И. Половнева // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. - 2017. - Т. 7. - №. 2.

- С. 113-121.

135. ГОСТ 2409-2014. Огнеупоры. Метод определения кажущейся плотности, открытой и общей пористости, водопоглощения. - М.: Стандартинформ, 2014. - 7 с.

136. Андрианов, Н. Т. Практикум по технологии керамики./ Н.Т. Андрианов, А. В. Беляков, А.С. Власов [и др.]. - М.: РИФ Стройматериалы, 2005. - 334 с.

137. ГОСТ Р 57749 - 2017. Композиты керамические. Метод испытания на изгиб при нормальной температуре. - М.: Стандартинформ, 2017. - 12 с.

138. Перас, А.Я. Прочность огнеупорной керамики и методы ее исследования./ А.Я. Перас, В.И. Даукснис. - Вильнюс: «Мокслас», 1977.

- 183 с.

139. Блюменауэр, Х. Испытание материалов. Справочник./ Х. Блюменауэр, Х. Ворх, И. Гарц. - М.: «Металлургия», 1979. - 447 с.

140. Писаренко, Г.С. Прочность материалов при высоких температурах./ Г.С. Писаренко, В.Н. Руденко, Г.Н. Третьяченко, В.Т. Трещенко. - Киев: «Наукова думка», 1966. - 796 с.

141. ГОСТ Р 57943 - 2017. Пластмассы. Определение теплопроводности и температуропроводности. Часть 4. Метод лазерной вспышки. - М.: Стандартинформ, 2017. - 12 с.

142. ГОСТ Р 8.623-2015. Относительная диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь твердых диэлектриков.

Методики измерений в диапазоне сверхвысоких частот. - М.: Стандартинформ, 2016. - 32 с.

143. Брандт, А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах./ А.А. Брандт. - М: «Физмат», 1963. - 404 с.

144. Колесников, А.И. Современные материалы для акустооптических устройств на объемных волнах. / А.И. Колесников // Вестник Тверского гос. университета. Серия «Физика». - 2011. - №. 15. - С. 67-85.

145. Харитонов, Д.В. Специальные керамические огнеупоры. Огнеупоры на основе волластонита и корундомуллита: учеб. пособие./ Д.В. Харитонов, Д.О. Лемешев, А.А. Анашкина [и др.]. - М.: РХТУ им. Менделеева, 2023. - 148 с.

146. Плотников, Ю.В. Направляющие и виброгасящие устройства ленточных пил. Обзор. / Ю.В. Плотников. - М. Лесоэксплуатация. ВНИПИЭИлеспром, 1975. - 52 с.

147. Информационный сайт «GRIGGIO, Италия». [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://griggio.by/mdex.pl?act=PRODUCT&id=141 (дата обращения: 13.11.2023)

148. Харитонов, Д.В. Корундомуллитовый материал для огнеупорных плавильных тиглей / Д.В. Харитонов, Д.О. Лемешев, Д.Ю. Жуков, Н.Е. Шер // Черные металлы. - 2023. - № 8. - С. 26-30.

149. Примаченко, В.В. Тигли на основе корунда для индукционной плавки жаропрочных сплавов/ В.В. Примаченко, В.А. Устиченко // Огнеупоры и техническая керамика. - 2007. - № 9. - С. 9-12.

150. Кащеев, И.Д. Химическая технология огнеупоров./ И.Д. Кащеев, К.К. Стрелов, П.С. Мамыкин - М.: Интермет Инжиниринг, 2007. - 752 с.

151. Плетнев, П.М. Огнеупоры для производства технической керамики./ П.М. Плетнев, Д.С. Тюлькин, Ю.К. Непочатов.// Вестник СГУПС -2014. - № 30. - С. 111-119.

152. Патент № 2366636. Рос. Федерация, МПК С04В 35/10. Способ

получения корундового и муллитокорундового огнеупорного

теплоизоляционного материала: №2008116523/03: заявл. 25.04.2008: опубл. 10.09.2009 / Вокалова Т.В., Погребенкова В.В., Горбатенко В.В., Погребенкова Т.В. - 4 с.

153. Патент № 2303019. Рос. Федерация, МПК С04В 35/10. Муллитокорундовый огнеупор: №2006100809/03: заявл. 10.01.2006: опубл. 20.07.2007 / Хабарова В.И., Гришпун Е.М., Гороховский А.М. - 4 с.

154. Аввакумов, Е.Г. Кордиерит - перспективный керамический материал./ Е.Г. Аввакумов, А.А. Гусев. - Новосибирск: издательство СО РАН, 1999. - 166 с.

155. Попов, Р.Ю. Получение кордиеритовой керамики на основе различных природных магнийсодержащих компонентов / Р.Ю. Попов, Е.М. Дятлова, А.С. Самсонова [и др.] // Интеграция и развитие научно-технического и образовательного сотрудничества - взгляд в будущее: сборник статей II Международной научно-технической конф. «Минские научные чтения - 2019», Минск, 2020. - т. 2, с. 196-198.

156. Михалевская, Н.А. Термостойкий керамический материал кордиеритового состава / Н.А. Михалевская, М.К. Алексеев, А.А. Анашкина, Г.И. Куликова // Конструкции и технологии получения изделий из неметаллических материалов: XXIII Международная научно-техническая конференция. - Обнинск, Россия, 2024. - С. 200-201.

Приложения

Приложение 1 к протоколу №ССЗ-04-2021

Методика оценки броневых свойств керамики по величине безразмерного времени задержки проникания

Для оценки броневых свойств керамики производится обстрел керамических бронеэлементов размерами 50х50хЬмм (где Ь - действительная толщина бронеэлеменга) из винтовки СВД пулей Б-32 с дистанции 10 м с измерением скорости пули при каждом выстреле.

Для обстрела бронеэлемент устанавливается в пулеулавливатель внутри испытательной камеры перпендикулярно направлению стрельбы.

Производится выстрел пулей Б-32 из винтовки СВД в центр образца.

Из пулеулавливателя извлекаются фрагменты сердечника пули. Из общего числа фрагментов отбираются те, максимальный поперечный размер которых больше или равен калибру сердечника (6 мм). Если таких фрагментов несколько, из них восстанавливается хвостовая часть сердечника пули и измеряется ее длина. Если фрагмент сердечника (хвостовая часть) единственный, то измеряется его длина.

Для каждого опыта определяется время задержки проникания пули в керамику [р из соотношения

где /п — начальная длина сердечника пули (для пули Б-32 это 28,5 мм), /с — остаточная длина сердечника после пробития преграды, уо — начальная скорость пули.

Для каждого опыта определяется безразмерное время задержки проникания из соотношения

где /гк - толщина керамики, ск - скорость звука в керамике (принятая условно стандартная скорость звука для карбида кремния, нитрида кремния, оксида алюминия - 10500 м/с, для карбида

бора - 12000 м/с), «Пр - безразмерное время задержки проникания.

Для группы опытов определяется среднее безразмерное время задержки проникания. По величине безразмерного времени задержки проникания керамику можно классифицировать следующим образом: Пир <15- низкокачественная броневая керамика 15 < ПцР <18 - броневая керамика среднего качества 18 < пПр < 21 - броневая керамика хорошего качества 21 < пПр - броневая керамика высокого качества

/1 УТВЕРЖДАЮ

директор по науке -Главный конструктор ^1.0. Алексеев

" " _2021 г.

Протокол испытаний X» ССЗ-04-2021 Заказчик: отдел структурных схем защиты.

Основание для проведения испытаний: Наряд-заказ 4.2284.02.232.000, программа-методика испытаний № ССЗ-18-2021. Объект испытаний:

Образцы № 1-5: керамические элементы на основе отечественного электрокорунда с добавками (шпинель/муллит, 5%, 1600°С).

Образцы № 6-10: керамические элементы на основе импортного глинозема ALMATIS 12000 без добавок.

Место проведения испытаний: РЦИ СИЗ АО «НИИ стали».

Дата проведения испытаний: 06.07.2021 г.

Цель испытаний: оценка броневых свойств керамики.

Методика испытаний: методика оценки броневых свойств керамики приведена в приложении 1. Результаты испытаний приведены в таблице 1. Материально-техническое и метрологическое обеспечение:

Регистратор скорости полета пули «РС-4М», заводской № 119, свидетельство о поверке № СП 3046680 действительно до 07.07.2021; прибор комбинированный Testo 608-Н1, заводской № 45079369 свидетельство о поверке № С-ГЧХ/01-02-2021/33363363; барометр-анероид метеорологический БАММ-1, заводской № 1106, свидетельство о поверке № С-МА/05-03-2021/42648431

Условия окружающей среды. Температура 30 °С, относительная влажность воздуха 53 %, атмосферное давление 98,1 кПа.

Результаты испытаний:

Таблица 1

№ образца Обозначение образца Фактическая толщина бронеэлемента, мм Пуля Остаточная длина сердечника 1, мм Скорость пули, м/с Безразм. время задержки Ппр Среднее значение для партии П„р

1 255 9 14,3 819 20,2

2 257 9 11 816 25,0

3 279 9 16,4 818 17,3 20,75

4 280 9 15,5 820 18,5

5 292 9 Б-32 12,5 820 22,8

6 506 9 18,8 818 13,8

7 507 9 14,7 818 19,7

8 508 9 16,2 810 17,7 17,48

9 509 9 15,1 814 19,2

10 513 9 16,7 812 17,0

Заместитель директора по науке. Начальник ЦСМБ

И.А.Беспалов

Начальник отдела Н-34

А.Н.Потаренков

Начальник отдела ССЗ

Н.В.Самылкин

Утверждаю Первый заместитель генерального иректора АО «ОШЩ<< Технология»

|рин ¡5 г.

АКТ ВНЕДРЕНИ.

результатов диссертационной работы Шера Николая Ефимовича на тему «Бесспековая технология получения конструкционной корундовой керамики

Настоящий акт составлен в том, что на основе результатов диссертационной работы Шера Н.Е., представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук, разработаны и внедрены в производство АО «ОНГ1П «Технология» им. А.Г.Ромашина» следующие материалы и изделия на их основе:

-пресс-порошок на основе электрокорунда Р1500 (ТИ 596.25000.1778);

-материал на основе электрокорунда И1500 (ТИ 596.25000.1789; Паспорт на ОТМ-943 №286, 2022 г.; ТУ 1-596-579-2022 «Материал керамический на основе электрокорунда ОТМ-943»);

-керамические изделии из материала ОТМ-943 (ТИ 596.25000.1745; ТИ 596.25000.1633; ТИ 596.25000.1789; ТИ 596.25000.1799):

- бронеэлементы цилиндрические для керамокомпозитных панелей; -опорные ролики и инденторы для системы нагружения образца в

испытательной машине;

- керамические вставки в направляющие и задний упор пильного полотна ленточнопильного станка;

на основе микропорошков электрокорунда с добавками алюмомагниевой шпинели и муллита»

- мелющие шары;

- футеровочные бруски для шаровых мельниц.

Изделия из материала ОТМ-943 успешно прошли испытания и в настоящее время опорные ролики и керамические вставки используются заказчиком в импортном оборудовании взамен оригинальных комплектующих, а мелющие шары и футеровочные бруски для мельниц - в керамическом производстве АО «ОНПП «Технология» им. А.Г.Ромашина».

Результаты диссертационной работы Шера Н.Е. легли в основу перспективных научно-практических и коммерческих разработок, направленных на создание корундомуллитовых и кордиеритовых керамических материалов с использованием микропорошков электрокорунда РI500.

Начальник лаборатории

разработки материалов на основе тугоплавких оксидов и технологии изготовления из них радиопрозрачных обтекателей, к.т.н.

Начальник лаборатории разработки и испытаний электроизоляционных и теплоизоляционных материалов, к.т.н.

Начальник лаборатории комплексных исследований свойств и паспортизации конструкционных керамических, стеклообразных и стеклопластиковых материалов, к.ф-м.н.

А.А.Анашкина

О.В.Томчани

М .О. Забежайлов