В.И.Стадничук

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г.Шухова

МЕХАНИЗМЫ ФОРМИРОВАНИЯ ПРОЧНОСТИ КЕРАМИКИ

Керамические формы, получаемые послойным формированием на модели, которая затем из них выплавляется, находят широкое применение при получении отливок из жаропрочных сплавов. Заливку форм производят при высоких температурах металла в вакууме и требования, предъявляемые к качеству данных форм, являются высокими. На качество отливки влияют: величины объемной и поверхностной прочности керамической формы. Недостаточная объемная прочность вызывает ее разрушение от гидравлического удара струи горячего металла в момент заливки. Повышенная объемная прочность приводит к возникновению горячих трещин на отливках со сложным профилем. Недостаточная поверхностная прочность керамики вызывает отделение от ее рабочей поверхности огнеупорных частиц как при растворении модели в воде или автоклаве, так и в момент заливки в форму сплава, что приводит к появлению неметаллических включений на литой поверхности. Формирование прочности керамической формы зависит от вида применяемых материалов, проведения операций по их подготовке, технологии непосредственного формирования керамической оболочки, выплавления (растворения) модели, сушки и обжига керамики.

Формирование прочности керамической формы обусловлено образованием адгезионных связей на поверхности раздела наполнитель – связующая композиция и когезионным упрочнением самого связующего. Характер этих связей определяется распределением связующего по поверхности огнеупорного наполнителя после нанесения слоя суспензии и его затвердевания. Применяемое при изготовлении корундо-силлиманитовой керамики этилсиликатное связующее является веществом, которое обеспечивает сцепление частиц наполнителя суспензии между собой. Физико-химическое рассмотрение поведения связующих композиций при их превращениях связано с ситуацией, когда процесс разрушения носит когезионный характер. В качестве наполнителя суспензии применяют дисперсный порошок дистенсиллиманитового концентрата, частицы которого имеют форму, близкую к форме плоской пластины. Естественно при сушке во время усадки связующего должно происходить оголение острых углов огнеупорных частиц. Поэтому полное исключение вероятности частичного адгезионного разрушения прочностных контактов не возможно.

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 (перегретым паром); процессы твердофазного спекания при обжиге керамики; образование адгезионных связей на поверхности раздела наполнитель – связующая композиция и когезионным упрочнением самого связующего.

Аналитические методы оценки прочности связаны с изысканием математических методов исследований распределения напряжений в отвержденных пленках связующего в зависимости от условий и продолжительности их формирования, толщины связующей пленки, остаточных напряжений в ней и на границе с наполнителем, определение адгезионой и когезионной прочности смесей и т.д. Однако известные методы носят частный характер. Использование упрощенных представлений и математических моделей допустимо только для оценочных расчетов, но их результаты не применимы для раскрытия механизма упрочнения и разупрочнения связующего. Учесть все факторы в совокупности и математически сформулировать задачу для определения прочности керамики практически не возможно, поэтому прибегают к ряду допущений. С технологических позиций в настоящее время на первый план выдвигаются задачи определения основных направлений, обуславливающих возможность практического регулирования прочности керамики.

Следует отметить, что при послойном формировании керамики ее прочность формируется при различающихся параметрах огнеупорных слоев. Например,. наполнение суспензии для первого слоя составляет 1,2…1,3 кг на 1 л связующего. Для последующих слоев наполнение суспензии составляет 2 кг/л. В качестве обсыпки 1-го слоя используют шлиф-зерно электрокорунда № 20, а для последующих - № 50. Это затрудняет составление аналитических схем расчета прочности. Можно считать, что после обжига керамической формы образуются следующие виды контактов, состоящие из рыхлого слоя связующего: между параллельно расположенными пластинками наполнителя; между зернами обсыпочного материала, закрепленными двумя слоями суспензии и покрытыми ей по всей поверхности, кроме поверхности их соприкосновения; между зернами обсыпочного материала и пластинками наполнителя. Таким образом, при разрушении может реализоваться любой характер разрыва контакта. Рассмотрение механизмов формирование прочности позволяет выбрать технологические решения, направленные на изменение свойств какого-то элемента системы. Например, модифицирование связующей композиции; плакирование поверхности обсыпочного материала; увеличение контактной площади между частицами наполнителя (обсыпочного материала) и связующего; повышение когезионной прочности связующего; снижение внутренних напряжений и дефектности в отвержденном связующем. Механизмы влияния на свойства керамической формы в процессе ее изготовления и после изготовления отличаются. Например, в результате пропитки готовой формы упрочняющими растворами заполняются только открытые поры, но концентрация упрочняющего вещества может быть значительно больше, чем при вводе его в суспензию. Это связано с изменением технологических свойств суспензии. Знание всех особенностей и структуры формирования керамики позволяет с учетом состава сплава подбирать наиболее рациональный вариант создания качественной керамической формы.