Высокопрочный ситалл и способ его получения

 

Изобретение относится к стеклокерамическим материалам, обладающим высокими прочностными характеристиками. Ситалл содержит следующие ингредиенты, мас. %: SiO₂ 57,0-70,0, Li₂O 12,7-19,0; NаРО₃ 2,0-4,0; K₂O 1,7-2,5; CaF₂ 0,9-1,2; LiF 4,0-8,0; CeO₂ 0,1-1,0; TiO₂ 0,1-9,0; CaO 0,1-4,0; MnO/MnO₂ 0,1-4,0; Al₂O₃ 0,1-4,0. Высокопрочный ситалл варят из литиево-силикатного стекла при 1300-1350°С, формование образцов проводят в холодную форму от температуры 1300-1350°С, отжиг при температуре 400-420°С, а термообработку после отжига осуществляют по двухступенчатому режиму: подъем температуры до 480-520°С, выдержка в течение 2-3 часов, подъем температуры до 680-720°С со скоростью 1-4 градуса в минут, выдержка при указанной температуре 1 -2 часа и далее естественное охлаждение до комнатной температуры. Полученный легкоплавкий ситалл обладает высокими прочностными характеристиками в сочетании с малой плотностью, что обеспечивает его применение в условиях экстремальных нагрузок. 2 с.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к области получения стеклокерамических материалов, т.е. поликристаллических твердых тел, применяемых в различных областях техники, полученных в результате направленной кристаллизации стекла и обладающих высокими прочностными характеристиками.

Ситаллы могут быть применены в машиностроении и в качестве материалов для эксплуатации в условиях экстремальных нагрузок, в текстильной и легкой промышленности (нитеводители, фильеры, посуда), электротехнической промышленности (изоляторы, токосъемники, конденсаторы), в химической (трубопроводы, детали насосов и теплообменников, работающие в агрессивных средах), в медицине (стоматологические и хирургические имплантанты и эндопротезы) и т.д.

Получение ситаллов стало возможным при регулировании структурных превращений в стеклах, приводящих к равномерной кристаллизации по всему объему последних с образованием кристаллов очень малых размеров до 1 мкм.

Важное значение имеет разработка исходного состава стекла, которое при определенных режимах термообработки может объемно кристаллизоваться.

Известны высокопрочные ситаллы на основе литиевоалюмосиликатной системы с низким коэффициентом линейного расширения (П.У. Макмиллан. Стеклокерамика, Москва, 1967 г. стр. 163).

Типичный стеклокерамический материал указанного класса содержит следующие ингредиенты (вес%): LiO₂ - 12,2%, Al₂O₃ - 3,9%, SiO₂ - 78,5%, K₂O - 2,5%, P₂O₅ - 3%. Полученный ситалл обладает пределом прочности на изгиб 28,1 кг/мм², коэффициент линейного расширения составляет 10,2•10^-6 град^-1.

В соответствии с патентом Великобритании N 943599, 1963 г. стеклокерамический высокопрочный материал, обладающий устойчивостью к термическим ударам, имеющий большое электрическое сопротивление и низкую пористость содержит следующие ингредиенты: LiO₂ - 2,0-27,0%, ZnO 10,0-59,0%, SiO₂ - 34,0-81,0%, K₂O/Na₂O до 5%, Al₂O₃ до 10%, MgO до 10%, CaO и BaO до 5%, B₂O₃ до 10%, PbO до 5%. Могут быть добавлены любые фосфатные или металлические катализаторы кристаллизации, например золото, серебро или медь.

Способ получения стеклокристаллического материала заключается в варке стекла при температуре 1200-1400^oC. После формования осуществляют отжиг при температуре 450-550^oC. Далее осуществляют стадию превращения стекла в стеклокерамику по одноступенчатому режиму в печи путем подъема температуры со скоростью 4-5^o в минуту в течение часа до температуры 800-1000^oC в соответствии с выбранной композицией. Величина кристаллов составляет 0,1-6,0 микрон. Кристаллы являются нерегулярными по конфигурации и плотно упакованными, вследствие чего материал имеет высокую плотность порядка 3,13-3,23 г/см³.

Стеклокерамический материал имеет коэффициент линейного расширения 42,6•10^-7 до 174,0•10^-7 (20-500^oC). Механическая прочность стеклокерамического материала находится в пределах 15-20 кг/мм².

Задачей изобретения является получение легкоплавкого ситалла с высокими прочностными характеристиками в сочетании с малой плотностью, что обеспечивает его применение в условиях экстремальных нагрузок.

Задача решается тем, что высокопрочный ситалл варят из литиевосиликатного стекла при 1300-1350^oC, формование образцов проводят в холодную форму от температуры 1300-1350^oC, отжиг при температуре 400-420^oC, а термообработку после отжига осуществляют по двухступенчатому режиму: подъем температуры до 480-520^oC, выдержка в течение 2-3 часов, подъем температуры до 680-720^oC со скоростью 1-4 в минуту, выдержка при указанной температуре 1-2 часа и далее естественное охлаждение до комнатной температуры.

Полученный ситалл имеет следующий состав ингредиентов (мас.%): SiO₂ - 57,0-70,0 Li₂O - 12,7-19,0 NaPO₃ - 2,0-4,0 K₂O - 1,7-2,5 CaF₂ - 0,9-1,2 LiF - 4,0-8,0 CeO₂ - 0,1-1,0 TiO₂ - 0,1-9,0 CaO - 0,1-4,0
MnO/MnO₂ - 0,1-4,0
Al₂O₃ - 0,1-4,0
Рентгенофазовый анализ показал, что кристаллическая фаза полученных ситаллов представлена дисиликатом лития и кристаллическими фазами кремнезема. Указанные кристаллические фазы обеспечивают организованную однородную кристаллизацию. Размер кристаллов составляет 0,2-0,4 мкм.

По сравнению с прототипом отжиг стекла производят при более низких температурах 400-420^oC, а термообработку после отжига осуществляют по двухступенчатому режиму.

В качестве катализаторов кристаллизации в данном случае используют фосфаты совместно с фторидами. Их совместное применение способствует направленной однородной кристаллизации стекла.

Ограниченное содержание в исходном стекле Al₂O₃ предотвращает получение в продуктах кристаллизации эвкриптита Li₂O•Al₂O₃•2SiO₂, образование которого приводит к снижению прочности стела.

Полученный ситалл является технологичным материалом, образцы из которого могут быть получены любым известным способом: литье, прессование, центробежное литье.

Пример
Варку стекла проводили при температуре 1300^oC в течение 3 часов из шихты, содержащей оксиды алюминия, титана, церия, фосфата натрия, карбонатов лития и калия, фторидов кальция и лития, оксида марганца, и кварцевого песка.

В таблице приведены составы ситаллов, ингредиенты приведены в мас.%.

Отжиг проводили при температуре 420^oC
Режим термообработки:
1-ая ступень: 500^oC, выдержка 3 часа
2-ая ступень: 700^oC, выдержка 1 час.

Подъем температуры со скоростью 3 градуса в минуту.

Полученные ситаллы имеют следующие физико-технические характеристики:
термический коэффициент линейного расширения 106-114•10^-7 град.^-1
предел прочности на изгиб 38-40 кг/мм²
Плотность ситаллов 2,39-2,45 г/см³
Гидралитическая устойчивость соответствует I классу.

Малая плотность ситалла в сочетании с высокой механической прочностью дает возможность применять ситаллы в условиях экстремальных нагрузок.

Проведены испытания на баллистическую эффективность пластин ситалла в условиях экстремальных нагрузок в сравнении с карбидом бора, широко применяемым в качестве материала бронежилетов.

Баллистические испытания показали, что предел тыльной прочности образцов на основе разработанного ситалла на 5-7% выше, чем образцов из карбида бора. С учетом сложной технологии получения керамики на основе карбида бора, большего веса и высокой стоимости, можно говорить о перспективности применения разработанного ситалла в условиях экстремальных нагрузок, как более дешевого и технологичного.

Формула изобретения

1. Высокопрочный ситалл, включающий Li₂О, Al₂О₃, SiO₂, К₂О, СаО, отличающийся тем, что он дополнительно содержит NаРО₃, СаF₂, LiF, СеО₂, ТiO₂, MnО/MnО₂ при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
SiO₂ - 57,0 - 70,0
Li₂О - 12,7 - 19,0
NаРО₃ - 2,0 - 4,0
К₂О - 1,7 - 2,5
СаF₂ - 0,9 - 1,2
LiF - 4,0 - 8,0
СеО₂ - 0,1 - 1,0
ТiO₂ - 0,1 - 9,0
СаО - 0,1 - 4,0
MnО/MnО₂ - 0,1 - 4,0
Al₂О₃ - 0,1 - 4,0
2. Способ получение высокопрочного ситалла по п.1, из литиево-силикатного стекла, включающий варку стекла, отливку деталей, формование, отжиг и термообработку, отличающийся тем, что варку стекла проводят при 1300 - 1350^oC, формование образцов проводят в холодную форму от температуры 1300 - 1350^oC, отжиг при температуре 400 - 420^oC, а термообработку после отжига осуществляют по двухступенчатому режиму: подъем температуры до 480 - 520^oC, выдержка в течение 2 - 3 ч, подъем температуры до 680 - 720^oC со скоростью 1 - 4 град. в минуту, выдержка при указанной температуре 1 - 2 ч и далее естественное охлаждение до комнатной температуры.

РИСУНКИ

Рисунок 1