Способ упрочнения изделий из стеклокристаллического материала бета-сподуменового состава путем ионного обмена

Изобретение относится к производству изделий радиотехнического назначения из стеклокристаллических материалов β-сподуменового состава, получаемых по керамической технологии. Задачей настоящего изобретения является повышение конструкционной прочности и эксплуатационной надежности изделий. Способ ионообменного упрочнения включает обработку в расплаве нитрата натрия. Изделие перед обработкой выдерживают над ванной с расплавом нитрата натрия при температуре 490-550°С в течение 2-5 часов, затем обрабатывают в расплаве нитрата натрия при температуре 400-420°С в течение 0,3-0,5 часов. Потом изделие извлекают из расплава, охлаждают до температуры 100-50°С, после чего повторно обрабатывают в расплаве нитрата натрия при 420-440°С в течение 0,2-0,3 часа. Предложенный способ ионообменной обработки обеспечивает относительное увеличение прочности до 40%. Относительная простота предложенной ионообменной обработки, высокий уровень прочности и сохранение качества поверхности упрочненного изделия являются важными преимуществами при серийном производстве. 1 табл.

 

Изобретение относится к производству изделий радиотехнического назначения из стеклокристаллических материалов β-сподуменового состава, получаемых по керамической технологии, и может быть использовано в керамической и авиационной промышленности.

Керамическая технология получения стеклокристаллических материалов и изделий из них находит все большее применение по сравнению с традиционной стекольной технологией ввиду относительной простоты, возможности получения крупногабаритных изделий, регулирования свойств материала в процессе производства. Однако прочность получаемых материалов недостаточно высока для данной области применения и ее повышение является важной задачей. Одним из наиболее вероятных путей повышения прочности является использование метода ионообменного упрочнения.

Стеклокристаллические материалы, получаемые по традиционной стекольной и по керамической технологиям, подобны по фазовому составу, обеспечивающему их основные физико-технические свойства. Однако из-за существенных различий в технологиях уровень некоторых свойств таких материалов может быть разным. Кристаллическая структура в материале, полученном по стекольной технологии, формируется в матрице стекла и распределяется в ней равномерно, а кристаллическая структура материала, получаемого по керамической технологии, формируется в процессе спекания отдельных частиц стекла и кристаллизация протекает преимущественно с поверхности отдельных зерен, так что остаточная стекломасса находится внутри кристаллической оболочки. Указанные различия в структуре материалов в дальнейшем оказывают влияние на механизм ионообменного упрочнения.

В литературе отсутствуют сведения по ионообменному упрочнению стеклокристаллических материалов, получаемых по керамической технологии. Есть лишь сведения о способах упрочнения стеклокристаллических материалов аналогичных составов, полученных по стекольной технологии.

Известен способ упрочнения стеклокристаллического материала литийалюмосиликатного состава с β-сподуменом в качестве основной кристаллической фазы (Восс P.O. Обмен ионов натрия на поверхности β-сподумена // Патент США, 1978, 4 074 992), полученного по стекольной технологии. Зародышеобразующим агентом в составе данного материала является диоксид титана. Количество кристаллической фазы составляет не менее 50 вес.%. Способ состоит в замене при температуре выше 200°С части ионов лития на ионы натрия в поверхностном слое изделия, сопровождающейся химическими изменениями кристаллической фазы, что обуславливает возникновение сжимающих напряжений и, следовательно, увеличение механической прочности. Упрочнение изделия осуществляли путем его погружения в солевой расплав, состоящий из 85% нитрата натрия и 15% сульфата натрия по индивидуальному температурно-временному режиму, обеспечивающему достижение оптимальной степени обмена между ионами лития и натрия: температуру изменяли от 475 до 550°С, и время обработки - от 15 минут до 16 часов.

Максимальная прочность была получена на образцах, обработанных в солевом расплаве при 550°С в течение 0,5 часа: по сравнению с исходной она увеличилась в 5,5 раза, ударная вязкость увеличилась в 5 раз.

В данном патенте приведен также пример использования предложенного способа для упрочнения спеченного материала. Материал был получен путем шликерного литья и последующего обжига, обеспечивающего спекание и получение закристаллизованного материала с основной кристаллической фазой с β-сподуменом. Образцы, изготовленные из полученного материала, подвергали ионообменному упрочнению по предложенному способу при температуре 450°С. Через несколько минут образцы начинали разрушаться.

Недостаток метода состоит в том, что его нельзя применить к материалам, получаемым по керамической технологии. Нет возможности сравнивать результаты упрочнения из-за разного уровня исходных значений прочности для материалов, получаемых по стекольной технологии и другими методами.

Известен способ упрочения стеклокристаллического материала β-сподуменового состава, полученного по стекольной технологии (Гомон В.М., Дубовик В.Н., Райхель A.M., Непомнящий О.А., Поколенко В.И., Ивченко Л.Г., Иотковская Л.М. Упрочнение ситаллов // Стекло и керамика, 1991, №9, с.9-11), включающий травление поверхности изделия и ионообменное упрочнение в расплаве нитрата натрия или калия. Для ситалла АС-418 ионообменная обработка в расплаве нитрата натрия при температуре 450-550°С в течение 1-4 часов приводит к появлению сжимающих напряжений до 750 МПа при глубине диффузного слоя до 200 мкм. В сочетании с травлением в водных растворах плавиковой кислоты ионообменное упрочнение повышает среднюю прочность ситалла при поперечном изгибе от 140-150 до 390-450 МПа, ударная вязкость возрастает в 3,6-4,9 раза от 5-9 до 18-44 кДж/м2.

Недостаток способа заключается, во-первых, в том, что его применимость ограничена конкретным материалом, полученным по стекольной технологии; во-вторых, в том, что использование растворов кислот вызывает экологические и технические проблемы. Кроме того, большая продолжительность (1-4 часа) нахождения материала в солевом расплаве может в случае применения способа к материалу, полученному по керамической технологии, привести к его разрушению.

Наиболее близким техническим решением является способ ионообменного упрочнения (Суздальцев Е.И., Рожкова Т.И. Перспективы упрочнения стеклокерамики литийалюмосиликатного состава // Огнеупоры и техническая керамика, 2003, №1, с.9-11), включающий обработку стеклокристаллических изделий β-сподуменового состава в расплаве нитрата натрия. Предложен способ ионообменного упрочнения стеклокристаллического материала, полученного по керамической технологии, путем обработки в расплаве нитрата натрия при 450-550°С в течение 0,5-5 часов. По окончании выдержки изделие извлекают из расплава и охлаждают инерционно по мере охлаждения печи. Использование данного способа обеспечивает прирост механической прочности до 34%.

Недостатком этого способа является существенное повреждение поверхности изделия, выражающееся в появлении раковин и неровностей, что не может считаться удовлетворительным в производстве изделий с высокими требованиями к качеству поверхности.

Задачей настоящего изобретения является повышение конструкционной прочности и эксплуатационной надежности изделий из стеклокристаллического материала β-сподуменового состава, получаемых по керамической технологии.

Поставленная задача достигается тем, что предложен способ ионообменного упрочнения, включающий обработку изделия в расплаве нитрата натрия, отличающийся тем, что изделие перед обработкой выдерживают над ванной с расплавом нитрата натрия при температуре 490-550°С в течение 2-5 часов, затем обрабатывают в расплаве нитрата натрия при температуре 400-420°С в течение 0,3-0,5 часов, потом изделие извлекают из расплава, охлаждают до температуры 100-50°С, после чего повторно обрабатывают в расплаве нитрата натрия при 420-440°С в течение 0,2-0,3 часа.

Авторами экспериментально установлено, что при температурах выше 400°С над расплавом нитрата натрия на поверхность изделия воздействует аэрозоль, состоящий из мельчайших капель расплава, в результате чего в материале происходит обмен ионов лития на ионы натрия из аэрозоля. Установлено, что оптимальная температура обработки изделия над расплавом составляет 490-550°С, время выдержки - 2-5 часов. Ниже 490°С ионный обмен протекает с малой скоростью и эффективность упрочнения низка, а при температурах выше 550°С в материале возникают перенапряжения, вызывающие повреждение поверхности. Воздействие аэрозоля является более мягким по сравнению с обработкой в расплаве, так как нет непосредственного контакта с массой расплава. В результате выдержки над расплавом нитрата натрия относительное увеличение прочности материала достигает 10%, при этом, несмотря на продолжительное время выдержки (2-5 часов), поверхность изделия остается неповрежденной. Затем ионообменную обработку проводят в расплаве нитрата натрия при температуре и времени выдержки более низких, чем в прототипе, 400-420°С в течение 0,3-0,5 часа, а затем повторную обработку при температуре 420-440°С и времени выдержки 0,2-0,3 часа. Между первой и второй обработками в расплаве изделие охлаждают в печи до температуры 100-50° для стабилизации упрочненного слоя. Выбор данного интервала температур обработки в расплаве нитрата натрия обусловлен тем, что температуры ниже 400°С не позволяют добиться эффективного упрочнения, а при температурах выше 440°С начинается разрушение материала. Введение стадии выдержки изделия над расплавом нитрата натрия позволяет снизить температуру и сократить время обработки изделия в расплаве, что позволяет избежать каких-либо повреждений поверхности изделия.

Установлено, что ионообменное упрочнение, состоящее из обработки над расплавом нитрата натрия и двух последующих обработок в расплаве нитрата натрия, обеспечивает относительное увеличение механической прочности материала до 40%.

Реализация предложенного способа упрочнения изделий из литийалюмосиликатного стеклокристаллического материала β-сподуменового состава представлена в следующем примере.

Пример. Стеклокристаллические изделия и образцы были получены по керамической технологии методом шликерного литья из высокоплотных водных суспензий в пористые формы, их последующей термообработки с целью спекания и кристаллизации и механической обработки. Изделия и образцы помещали в держателях над ванной с расплавом нитрата натрия при температуре 510°С и выдерживали в течение 2 часов. Затем изделия и образцы обрабатывали в расплаве нитрата натрия при температуре 410°С в течение 0,5 ч, по истечении этого времени извлекали из расплава, охлаждали до 100°С, после чего повторно обрабатывали в расплаве нитрата натрия при температуре 420°С и времени выдержки 0,25 ч. Охлаждение изделий и образцов происходило инерционно по мере охлаждения печи. По окончании всего цикла ионообменного упрочнения образцы испытывали на прочность при поперечном изгибе. Относительные изменения прочности после упрочнения в сравнении с прототипом приведены в таблице.

Аналогично описанному способу проводили ионообменное упрочнение на все заявленные технологические режимы. Полученные данные приведены в таблице.

Из данных, приведенных в таблице, следует, что ионообменная обработка по предложенному техническому решению обеспечивает достижение относительного увеличения прочности 40%. При этом все стадии упрочнения можно проводить в одном цикле, не извлекая образцы из печи, что имеет существенное значения при серийном производстве. Относительно небольшое время нахождения изделия в расплаве нитрата натрия сохраняет качество поверхности изделия.

Таблица
Состав ванныТемпература обработки, °СВремя выдержки, часОтносительное изменение предела прочности при поперечном изгибе
По прототипу
NaNO34000,5+12,1
NaNO31,0+29,7
NaNO32,0+15,4
NaNO33,0+1,1
NaNO35,0-6,6
NaNO34500,5+8,8
NaNO31,0+34,1
NaNO31,2+31,1
NaNO31,5+28,6
NaNO32,0+17,6
NaNO32,5+16,4
NaNO33,0+13,2
NaNO34,0+9,9
NaNO35,0+6,6
NaNO35000,5+15,4
NaNO31,0+19,8
NaNO31,5+17,6
NaNO32,0+7,7
NaNO33,0-4,3
NaNO34,0-5,5
NaNO35,0-6,3
NaNO35500,50,0
NaNO31,0-5,5
NaNO31,5-6,5
Продолжение таблицы
По предлагаемому способу
510 - обработка над расплавом2-3
NaNO3410 - 1 обработка в расплаве,0,5+40
420 - 2 обработка в расплаве0,25
490 - обработка над расплавом2
NaNO3400 - 1 обработка в расплаве,0,3+25
420 - 2 обработка в расплаве0,2
550 - обработка над расплавом5
NaNO3420 - 1 обработка в расплаве,0,5+35
440 - 2 обработка в расплаве0,3сколы острых кромок

Способ упрочнения изделий из стеклокристаллического материала β-сподуменового состава путем ионного обмена, включающий обработку в расплаве нитрата натрия, отличающийся тем, что изделие перед обработкой выдерживают над ванной с расплавом нитрата натрия при температуре 490-550°С в течение 2-5 ч, затем обрабатывают в расплаве нитрата натрия при температуре 400-420°С в течение 0,3-0,5 ч, потом изделие извлекают из расплава, охлаждают до температуры 100-50°С, после чего повторно обрабатывают в расплаве нитрата натрия при 420-440°С в течение 0,2-0,3 ч.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к производству изделий из стеклокерамики литийалюмосиликатного состава и может быть использовано в керамической и авиационной промышленности, в частности для изготовления крупногабаритных, сложнопрофильных керамических изделий типа носовых диэлектрических конусов летательных аппаратов.

Изобретение относится к производству изделий радиотехнического назначения из стеклокристаллического материала, полученных по керамической технологии, и может быть использовано в керамической и авиационной промышленности.

Изобретение относится к производству радиопрозрачных крупногабаритных изделий сложной формы из стеклокерамики литийалюмосиликатного состава и может быть использовано в керамической и авиационной промышленности, в частности для изготовления антенных обтекателей.

Изобретение относится к керамической промышленности и может быть использовано при изготовлении стеклокерамических изделий типа антенных обтекателей, валов стеклоформующих машин и других изделий методом шликерного литья в пористые формы.

Изобретение относится к производству радиопрозрачных крупногабаритных изделий сложной формы из ситалла по керамической технологии и может быть использовано в керамической и авиационной промышленности, в частности, для изготовления антенных обтекателей.

Изобретение относится к стеклокерамическим материалам, обладающим высокими прочностными характеристиками. .

Изобретение относится к стеклокерамике, в частности к литиевоалюмосиликатной стеклокерамике с низким коэффициентом термического расширения (КТР), используемой в качестве конструкционного материала в приборостроении, электротехнической, химической, радиотехнической и др.

Изобретение относится к составам стекол, на основе которых могут быть получены методами прессования и проката прозрачные цветные стеклокристаллические материалы, используемые для изготовления широкого ассортимента изделий для электротехнической, химической, радиотехнической отраслей промышленности, а также для лазерной СВЧ-, микроволновой техники и для производства товаров народного потребления.
Изобретение относится к производству керамических изделий
Изобретение относится к производству изделий радиотехнического назначения из стеклокристаллических материалов -сподуменового состава, получаемых по керамической технологии
Изобретение относится к производству прозрачных в видимой области спектра стеклокристаллических материалов (ситаллов)
Изобретение относится к производству керамических изделий радиотехнического назначения типа стеклокерамической оболочки головного антенного обтекателя скоростных зенитных и авиационных ракет
Изобретение относится к способу получения керамического стеклянного материала в форме листов больших размеров, пригодных для использования в строительстве для обшивки панелями и для изготовления настилов
Изобретение относится к огнеупорной промышленности, а именно к производству крупногабаритных кварцевых тиглей для плавления кремния, применяемого в полупроводниковой промышленности. Техническим результатом изобретения является упрощение технологии получения кварцевых тиглей с защитными покрытиями на внутренней поверхности. Способ получения кварцевого тигля включает получение высококонцентрированной суспензии кварцевого стекла, ее стабилизацию, формование заготовки тигля, сушку и обжиг. При этом сушку заготовки тигля осуществляют при температурах 150-300°C с выдержкой не менее 1-3 ч, после чего внутреннюю поверхность заготовки пропитывают метилфенилспиросилоксаном на глубину 1-5 мм. Затем на внутреннюю поверхность наносят покрытие из того же полимера с наполнителем из нитрида кремния в количестве от 30 до 70 % с последующей его полимеризацией, а обжиг проводят при температуре 950-1000°C. 2 пр.
Изобретение относится к производству керамических изделий радиотехнического назначения типа стеклокерамической оболочки головного антенного обтекателя скоростных зенитных и авиационных ракет. Техническим результатом изобретения является снижение диэлектрической проницаемости и усадки материала при обжиге до нулевых значений водопоглощения с сохранением других физико-технических свойств на высоком уровне. Способ изготовления стеклокерамического материала включает получение водного шликера литийалюмосиликатного стекла, формование заготовок в пористые формы, сушку и обжиг. При этом сушку заготовок осуществляют при температуре 150°C в течение 2-3 ч, затем их пропитывают раствором олигометилфенилспиросилоксана в ацетоне и обжигают при 1250°C в течение 2-3 ч. 1 табл.

Изобретение относится к материалам для ювелирной промышленности. Прозрачный, полупрозрачный или непрозрачный композиционный нанокристаллический материал на основе наноразмерных оксидных и силикатных кристаллических фаз содержит одну из кристаллических фаз: шпинель, кварцеподобные фазы, сапфирин, энстатит, петалитоподобную фазу, кордиерит, виллемит, циркон, рутил, титанат циркония, двуокись циркония с содержанием ионов переходных, редкоземельных элементов и благородных металлов от 0,001 до 4 мол. %. В качестве одной из кристаллических фаз материал дополнительно содержит кварцеподобные твердые растворы литиевомагниевоцинковых алюмосиликатов со структурой виргилита следующего состава, в мол. %: SiO2 - 45-72; Al2O3 - 15-30; MgO - 0,1-23,9; ZnO - 0,1-29; Li2O - 1-18; PbO - 0,1-7,0; ZrO2 - 0,1-10; TiO2 - 0,1-15; NiO - 0,001-4,0; CoO - 0,001-3,0; CuO - 0,001-4,0; Cr2O3 - 0,001-1,0; Bi2O3 - 0,001-3,0; Fe2O3 - 0,001-3,0; MnO2 - 0,001-3,0; CeO2 - 0,001-3,0; Nd2O3 - 0,001-3,0; Er2O3 - 0,001-3,0; Pr2O3 - 0,001-3,0; Au - 0,001-1,0. Изобретение позволяет повысить термостойкость и понизить коэффициент термического расширения. 2 табл.
Изобретение касается стеклокерамических материалов на основе системы дисиликата лития, которые применяются в качестве стоматологического материала. Техническим результатом изобретения является получение материалов с улучшенными механическими и оптическими свойствами, а также химической стабильностью. Стеклокерамический материал имеет следующий состав: от 55 до 70 вес.% SiO2, от 10 до 15 вес.% LiO2, от 10 до 20 вес.% стабилизатора, выбираемого из группы, состоящей из ZrO2, HfO2 или их смеси, от 0.1 до 5 вес.% K2O, от 0.1 до 5 вес.% Al2O3,от 0 до 10 вес.% добавок, выбираемых из группы, состоящей из оксида бора, оксида фосфора, фтора, оксида натрия, оксида бария, оксида стронция, оксида магния, оксида цинка, оксида кальция, оксида иттрия, оксида титана, оксида ниобия, оксида тантала, оксида лантана и их смесей, а также от 0 до 10 вес.% красителей. Изобретение также касается способа изготовления указанных стеклокерамических материалов. 4 н. и 6.з.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к производству высокотермостойких радиопрозрачных керамических материалов в бесщелочной магнийалюмосиликатной системе, используемых в изделиях радиотехнического назначения. Способ включает измельчение закристаллизованного стекла магнийалюмосиликатного состава мокрым способом до получения водного шликера, формование заготовок в пористые формы и их термообработку со скоростью подъема и снижения температуры не выше 500°С в час. На стадии измельчения вводят диспергатор в виде натриевой соли полиакриловой кислоты в количестве 1,6-2,0% от объема загружаемой дисперсионной среды, причем измельчение стекла осуществляют до получения водного шликера плотностью ρ=2,06-2,20 г/см3, рН=8,0-9,5 и тониной с остатком на сите 0,063 мм Т63=6-12%. Технический результат заключается в получении отливок плотностью более 2,00 г/см3 и пористостью не выше 25%, что обеспечивает получение плотного спеченного стеклокерамического материала кордиеритового состава плотностью до 2,60 г/см3 и пористостью не более 0,06%. 1 табл., 3 пр.
Наверх