книги из ГПНТБ / Пивинский, Ю. Е. Кварцевая керамика

рост и высшие показатели 0ПЗг отмечаются для керами­ ки, полученной на основе высокоплотных отливок (кри­ вые 3). С уменьшением пористости отливок до 10% и при среднедисперсном составе (кривая 1) наблюдается еще более резкое увеличение прироста прочности.

Для всех трах партий материала наблюдается близ­ кая к прямолинейной зависимость аизг от пористости до тех пор, пока пористость обожженного материала не уменьшается вдвое по сравнению с пористостью отливки. В дальнейшем наблюдается или замедленный рост оИзг (кривые 1—<3), или ее падение (кривая 4). Указанная особенность, видимо, обусловлена следующим. Темпера­ тура спекания, необходимая для достижения низких значений пористости, находится в интервале температур 1300—1400°С, т. е. в области температур возможной кристаллизации. Особенно существенно это сказывается на материале, полученном на основе крупнодисперсных шликерных отливок с повышенной пористостью (кри­ вая 3). Если для материала, соответствующего кривым 1—3, пористость менее 5% достигается при температу­ рах 1260—1300°С, то для материала, соответствующего кривой 4, при 1350—1400°С. Это и обусловливает суще­ ственную кристаллизацию материала и, как следствие, падение ее прочности.

Характерно то, что дл-я керамики, полученной из высокоплотных отливок, высокие значения прочности до­ стигаются при малых показателях огневых усадок. Как следует из рис. 107, даже при усадке 1% для мате­ риала, соответствующего кривой 1, достигается проч­ ность 640 кгс/см2. В то же время материал на основе менее плотных отливок (кривые 3, 4) при усадке 1% обладает прочностью 50—90 кгс/см2. Аналогичная за­ висимость проявляется и при других величинах усадок.

Показаная на рис. 107 зависимость ст„3г. — Яи явля­ ется закономерной для случая, когда образцы- с повы­ шенной пористостью получены двустадийным методом без стабилизации. Если же образцы с повышенной по­ ристостью получены посредством литья из коагулиро­ ванных (добавкой кислоты до рН=1-У-2) предваритель­

Яотл=П% были получены образцы с исходной пори­ стостью 20%*. Образцы, спеченные до пористости 16,5%, имели при этом аиэг=400, а до Яи= 1 3 0/о — 700 кгс/см2.** При дальнейшем спекании (уменьшении пористости) прочность несколько уменьшались вслед­ ствие начальной кристаллизации. Характерно, что ука­ занные образцы при равной прочности е образцами на основе высокоплотных отливок обладали меньшими на 20—40% значениями модуля упругости. Последнее мо­ жет представить существенный интерес для получения кварцевой керамики с повышенной термостойкостью.

Способность керамики упрочняться в процессе спека­ ния в зависимости от величины огневой усадки или, что эквивалентно, от уменьшения пористости, можно оце­ нить посредством удельного прироста прочности 0 УД и'з соотношения

прочность керамики в рассматриваемом интервале по­ ристости Лп. Например, для кривых, показанных на рис.

202

мости по сравнению с наиболее вероятным (670 кгс/см2) приходится большее число образцов.

Одной из характерных особенностей кварцевой кера­ мики, по сравнению с другими керамиками, является ■увеличение значений прочности с ростом температуры, что было отмечено или исследовано в целом ряде работ [16, 18, 37, 69, 70]. Известно [90], что прочность проз­ рачного и непрозрачного кварцевого стекла возрастает от значений 1100 и 450 кгс/ом2 при 20°С до 1420 и

Рис. 109. Зависимость предела прочности кварцевой керамики при изгибе от температуры (а) и плотности (б)

550 кгс/ем2 при 800°<3; 1700 и 650 кгс/см2 при 1200°С соответственно.

Температурная зависимость прочности при изгибе в зависимости от пористости (плотности) кварцевой кера­ мики, полученной из высокшлотных шликерных отли­ вок, исследовалась в работе [69]. Прочность при этом исследовалась «а образцах с кажущейся плотностью 1,95; 2,00; 2,12; і2Д9 г/см3 при 20, 500, 700 и 1100°С по ме­

стает. Особенно резкое возрастание прочности при изме­ нении кажущейся плотности от 1,95 до 2,00 г/ом3 связа­ но, по-видимому, с тем, что образцы, имеющие плот­ ность 1,95 г/см3, фактически почти «е подвергались про­ цессу спекания в обжиге; плотность походных отливок колеблется в пределак 1,90—1,94 г/см3, т. е. весьма близка к плотности образцов, обожженных при 1180°С

(1,93—1,97 г/см3). Из рис. ПО видно, что и при значени­ ях плотности выше 2,10 г/см3 наблюдается рост прочно­ сти, что соответствует обычной закономерности для раз­ личных керамических материалов, у которых прочность возрастает с уменьшением пористости вплоть до> нулево­ го значения последней [203].

С увеличением температуры испытаний значение пре­ дела прочности при изгибе возрастает. По мере увеличе­ ния плотности образцов рост их прочности, вызываемой повышением температуры испытаний, становится все более значительным. Для высокоплотной керамики при 1100°С достигаются значения Оизг, равные 1750 кпс/см2, а для прозрачного кварцевого стекла при этой же тем­ пературе— 1650 кгс/ем2. Увеличение прочности кварце­ вой керамики можно объяснить, если учесть, что она состоит из отдельных зерен стекла. Для стекла же нет четко выраженной границы начала вязкого течения при повышении температуры. Переход из твердого состояния в жидкое проявляется в непрерывном снижении вязко­ сти с ростом температуры. И поэтому наблюдаемое увеличение прочности кварцевой керамики с повышени­ ем температуры можно объяснить возрастающей ролью вязкого течения материала, в первую очередь по праницам зерен в местах воздействия больших локальных напряжений. Благодаря аморфной структуре допустимы большие микродеформации, которые в кристаллических зернах обычно вызывают появление трещин. Это обу­ словливает снижение концентрации напряжений на сты­ ках зерен уже при температурах 400°С и повышает пре­ дел прочности. При дальнейшем повышении темпера­ туры вязкое течение проявляется уже в самих зернах и наблюдается общее деформирование нагружаемого об­ разца [70].

Прочность при сжатии

В зависимости от технологических параметров и по­ ристости прочность кварцевой керамики при сжатии из­ меняется от 500 до 6000 кпс/см2. Зависимость прочности при сжатии от температуры обжига (в интервале 1210— 1270°С) изучена как при спекании в вакууме, так и в воздушной среде [42]. Установлено, что асж достигает максимальных значений 5000 кгс/см2 при спекании в воздушной среде и 6000 кгс/см2 — в вакууме. При этом

204

плотность материала, спеченного в вакууме, была зна­ чительно большей (до 2,15 г/см3).

Прочность пенокварцевой керамики при сжатии в интервале пористости 70—85% находится в пределах 30-—60 кгс/см2 [41].

В работе [70] была изучена температурная зависи­ мость прочности при сжатии и изгибе іня кваццевой ке-

сравнительно малая скорость нагружения способствова­ ла существенному деформированию образцов при испы­ тании. При этом образцы, испытанные при 1100°С, ока­ зались трапецеидальными, а при 1300°С — превраща­ лись в «лепешки». При этом происходил© и дополнитель­ ное спекание (вплоть до нулевой пористости), т. е. имел место как бы процесс горячего прессования.

Прочность при растяжении

В связи .с методическими трудностями измерение прочности при растяжении хрупких керамических мате­ риалов производится редко. Не является исключением в этом отношении и кварцевая керамика. Поэтому дан­ ные по ее прочности при растяжении крайне редки.

205

Прочность кварцевой керамики при растяжении изу­ чалась на образцах с пористостью материала 8—12%*. Испытания велись по методу «хрупких колец» [218], исключающему неосевые усилия. Размер колец при этом находился в пределах: по диаметру 200—350 мм, высоте 10 мм, толщине стенки 5—10 мм. Параллельно опреде­ лялась прочность образцов при поперечном изгибе. Зна­ чения прочности керамики при растяжении колебались в пределах 190—260 кгс/см2, прочности при изгибе 220— 320 кгс/см2. Прочность 'Материала при растяжении со­ ставила 75—85% от прочности при изгибе. Это очень высокое и необычное для керамических материалов соотношение. Чаще всего прочность керамики при ра­ стяжении в три-четыре раза меньше ее прочности при изгибе.

С увеличением температуры прочность кварцевой ке­ рамики при растяжении также возрастает [16, 18, 176, 177]. О характере зависимости .можно судить, по дан­ ным работы [176, 177]: при 26, 500 и 1000°С прочность керамики при растяжении соответственно равна 112; 126 и 184 кгс/см2.

Длительная прочность

Существенной характеристикой керамики является ее прочность при продолжительных нагружениях (дли­ тельная прочность). ‘Последнюю исследовали в работе [69]. Испытания проводились при температурах 700 и 1000°С при изгибающих напряжениях до 105 кгс/см2 по методике и на установке, описанной в раіботе [219]. В процессе испытания определялась длительная прочность (время до разрушения при постоянной нагрузке) и соот­ ветствующая величина деформации (прогиб). Испытания проводились на образцах с размерами 7X4X70 мм3. На основании предварительно установленных значений кратковременной прочности при выбранных температу­ рах были рассчитаны величины нагрузки, составляющие 60, 50 и 40—35% от разрушающей для каждой темпера­ туры. Испытания проводились на образцах с пористо­

* Н е о п у б л и к о в а н н ы е д а н н ы е Н . В . Т и т о в а ,

206

Т а б л и ц а 14. Время до разрушения и прогиб в зависимости от плотности керамики и температуры испытания

Проведенные испытания показали, что при относи­ тельно равных нагрузках длительная прочность и вели­ чина прогиба выше у образцов с пористостью 10%. С повышением нагрузки длительная прочность уменьша­ ется при всех значениях пористости образцов и темпера­ турах испытания. Соответствующие величины прогиба либо остаются постоянными, либо несколько падают.

С увеличением температуры испытания длительная прочность уменьшается у пористых образцов, а у плот­ ных образцов наблюдается некоторое ее увеличение. Это явление, вероятно, связано с тем, что для пористых образцов способность к пластической деформации и со­ ответствующей релаксации локальных напряжений про­ является при более низких температурах, поэтому воз­ никающие в материале напряжения успевают релаксировать. Кроме того, нагрузка для плотных образцов бо­ лее высокая по отношению к прочности материала при температуре 20°С. Величина прогиба в момент разруше­ ния с ростом температуры испытания в целом возраста­

207

ет как у пористых, так и у плотных образцов. Установ­ лена связь между временем до разрушения (длительная прочность) и величиной приложенного напряжения, ко­

торая практически не зависит от пористости обіразцов и даже температуры испытания

о - 7 (рис. 111) в исследованных пределах этих параметров.

внешний вид. Дилатометрические, рентгеновские иссле­ дования, а также метод ИК-спектроскопии показали от­ сутствие структурных изменений после термообработки при 1100°С в течение 50 ч.

старения не меняется, при 1І50°С наблюдаются скалы, трещины, чешуйчатая поверхность.

208

В результате термообработки при 1150°С у пори­ стых образцов отмечено дополнительно спекание, обра­ зование сколов и трещин, резкое падение прочности вплоть до разрушения. У более плотных образцов на­ блюдается разрыхление наружного слоя и отделение чешуек с поверхности. Дилатометрическое исследование показало, что :на плотных образцах коэффициент линей­ ного расширения не изменялся, что свидетельствует об отсутствии изменений во внутренних слоях. Рентгено­ граммы и ИК-опектры, снятые с поверхностного слоя, показали явное наличие кристобалита. Следовательно, природа «старения» кварцевой керамики заключается в кристаллизации. Этот процесс протекает вначале на по­ верхности образцов и лишь при весьма длительном вре­ мени етарения может распространиться на внутренние слои.

Модуль упругости

Кварцевая керамика, как и большинство других ее видов и стекол, является при комнатной температуре хрупким материалом, для которого полностью справед­ лив закон Гука. При нулевой пористости .модуль упру­ гости кварцевой керамики соответствует значению моду­ ля кварцевого стекла, равного 0,71-ІО6 кгс/ем2 [202]. С увеличением пористости модуль упругости может умень­

шаться на порядок.

Зависимость модуля упругости от пористости кварце­ вой керамики была исследована авторами при комнатной температуре динамическим (кривая 1) и статическим (кривая 2) методами на образцах 120X20X3 мм [45]. Полученные экспериментальные данные для образцов с пористостью 1,5; 8,6 и 18,2% представлены на рис. 112. Исходная пористость сырца составляла 22—26%. Кри­ вая 3 на рис. 112 соответствует изменению статического

разной степенью спекания образцов. Под степенью спе­ кания в данном случае понимается показатель, опреде­ ляющий, насколько полно происходит процесс сраста­ ния и скрепления отдельных зерен стекла друг с другом. В частности, у необожженного материала каждое зерно

209

не скреплено с соседними, кроме сил трения, и ‘поэтому он-характеризуется нулевой степенью спекания.

Для получения в спеченном материале одинаковой пористости при меньшей плотности исходной отливки необходима большая степень опекания. С повышением степени спекания зерна образуют монолитный плотный каркас, тогда как малая степень спекания допускает

Рис. 112. Зависимость динамического (/) и статического

некоторую свободу перемещения зерен по границам. Сте­ пень спекания для исследовавшихся образцов регулиро­ валась за счет изменения температуры от 1100 до 1350°С при постоянном времени обжига (1ч).

вызывает снижение модуля упругости на 4% в диапазо­ не пористости от 0,5 до 18%.

Значения динамического модуля упругости, опреде­ ленного резонансным методом на тех же образцах,'ока­ зались на 5—10% выше статического. Его зависимость от пористости также описывается уравнением (76), но До= 0,74ІО6 кгс/см2.

Полученная линейная зависимость модуля упругости согласуется с данными для других, видов окисной кера­ мики, но расходится с данными работы [30], в которой отмечается степенная зависимость модуля упругости

210