Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время, в качестве одной из важнейших проблем науки и техники стоит задача создания новых, высокоэффективных материалов. Так, интенсификация тепловых процессов в металлургии и других производствах, развитие специальных отраслей науки, проводящиеся исследования в области высоких температур требуют создания и использования новых стойких высокоогнеупорных материалов.
В связи с этим значительное внимание уделяют материалам из чистых оксидов (А1203, MgO, CaO, BeO, Zr02, и др.), имеющим температуру плавления выше 2000-2500С. Однако часть чистых оксидов из-за дефицитности, высокой стоимости, токсичности, недостаточной устойчивости используется в ограниченном количестве.
Среди указанных оксидов особым вниманием пользуется диоксид циркония, который по некоторым своим свойствам заметно отличается от других материалов.
Высокие огнеупорные свойства диоксида циркония, хорошая химическая устойчивость при повышенных температурах, электропроводность в нагретом состоянии и другие специфические свойства определяют достаточно широкую возможность применения материалов и изделий на основе диоксида циркония в различных областях техники.
Исходя из свойств диоксида циркония его в основном применяют по трем направлениям: огнеупорная керамика, твердые электролиты и нагревательные элементы, конструкционная керамика.
Осложняющими особенностями, в известной мере ограничивающими использование диоксида циркония, являются его относительно высокая стоимость, а также присущее диоксиду циркония явление полиморфизма. Полиморфизм диоксида циркония, проходящий со значительными объемными изменениями и приводящий к растрескиванию изделий, не позволяет применять диоксид циркония в чистом вида как^гдШМй^йЛчЛАотвращения
'А
4 объемных инверсий диоксид циркония стабилизируют переводом его в
устойчивую высокотемпературную модификацию путем введения добавок
структурно близких к нему оксидов, образующих устойчивые твердые
растворы с кристаллической структурой типа флюорита.
В настоящее время в качестве стабилизирующих добавок используют оксиды щелочноземельных и редкоземельных металлов: MgO, CaO, Y2O3 и др., образующие с Z1O2 твердые растворы. В промышленности для получения керамики используются химически чистые ингредиенты, в том числе и стабилизаторы. В последние годы за рубежом для улучшения свойств огнеупоров на основе Zr02 используют комбинированные добавки стабилизирующих оксидов. Стабилизацию ЪхОг осуществляют смесью оксидов кальция и магния в количестве 16-18% мол. Важнейшими вопросами разработки и внедрения новых материалов становятся не технические, а экономические факторы. Перспектива существенного снижения себестоимости керамики заключается в поиске способов использования минерального сырья, многокомпонентного по составу и содержащего соединения, соответствующие вводимым в керамику стабилизирующим добавкам. При этом достигается существенное снижение стоимости производства за счет исключения гидро- и пирометаллургических процессов.
Настоящая работа выполнялась по темам: ГР № 01.9.60001427 "Создание научных основ и разработка новых материалов и изделий из них на основе тугоплавких соединений при использовании минерального сырья Дальнего Востока" (1996 - 2000 гг.) и ГР № 01.2.00106190 "Разработка и получение функциональных материалов и покрытий с использованием минерального сырья и исследование их свойств" (2001- 2005 гг.)
Цель и задачи исследования. Целью работы является получение композиционных порошков тугоплавких соединений переработкой цирконийсодержащего минерального сырья и создание новых керамических жаростойких материалов на их основе.
5 Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих
задач:
исследовать возможности получения борида циркония углеборотермическим восстановлением бадделеитового и циркониевого концентратов;
изучить влияние стабилизирующих добавок на полиморфные превращения в многокомпонентной системе ZrC>2-Si02 - оксиды щелочноземельных металлов;
разработать составы и технологические режимы для создания жаростойких тиглей, предназначенных для плавки металла;
исследовать влияние термообработки на физико - механические свойства разрабатываемых керамических материалов.
Научная новизна.
-
Впервые экспериментально показано непосредственное (минуя гидро- и пирометаллургический переделы) использование бадделеитового концентрата (БК), брусита и глины для получения жаростойкого керамического композиционного материала на основе Zr02, стабилизированного MgO.
-
Изучен процесс восстановления бадделеитового и циркониевого концентратов в присутствии оксида бора и углерода в вакууме в интервале температур 1000 - 1600С. Показано, что восстановление происходит через образование фаз: ZrB2, ZrC, SiC, В4С, СаВ6.
-
Изучено влияние стабилизирующей добавки MgO (брусита) на полиморфные превращения диоксида циркония в бадделеитовом концентрате. Установлено, что кубическая модификация Zr02 образуется при температуре на ~ 200С ниже, чем по диаграмме состояния Zr02 - MgO.
-
Установлено оптимальное соотношение компонентов и размер зерна в шликере, при котором достигается наиболее высокое качество отливок - 50% (85% БК + 15% брусита) + 50% глины, значение дисперсности твердой фазы шликера в пределах 5-10 мкм.
Практическая значимость работы. Создан новый порошковый композиционный материал на основе стабилизированного диоксида циркония.
Использование минерального сырья позволяет значительно снизить затраты на производство многокомпонентного композиционного материала за счет исключения стадии выделения чистых компонентов. Способ получения защищен патентом № 2167128.
С использованием разработанного материала, защищенного патентом № 2229457, получены жаростойкие керамические тигли для плавки металла, по свойствам не уступающие традиционным аналогам и меньшей себестоимости. Тигли прошли апробацию в стоматологической поликлинике и рекомендованы к внедрению в производство.
На защиту выносятся:
-
Способ получения и состав композиционного порошкового материала на основе Zr02, стабилизированного MgO, защищенный патентом № 2167128.
-
Результаты исследования процесса восстановления бадделеитового и циркониевого концентратов углеродом в вакууме.
-
Результаты изучения влияния стабилизирующей добавки (брусита) на полиморфные превращения диоксида циркония в бадцелеитовом концентрате.
-
Разработанные составы на основе многокомпонентной системы Zr02-Al203-Si02, используемые для изготовления медицинских тиглей повышенной термостойкости (патент № 2229457).
Апробация работы. Основные результаты исследований были представлены на III Дальневосточной региональной конференции с всероссийским участием "Новые научные технологии в Дальневосточном регионе", 1999 г, г. Благовещенск; международном научном семинаре "Инновационные технологии - 2001" (проблемы и перспективы организации наукоемких производств), 2001 г, г. Красноярск; международном симпозиуме "Принципы и процессы создания неорганических материалов", г. Хабаровск, 2002г; всероссийской научно - практической конференции "Проблемы и пути решения инвестиционной и инновационной политики на предприятиях
7 Хабаровского края. Технопарки. Инновационные центры", 2004 г., г.
Комсомольск-на-Амуре.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 8 научных работ и получено 2 патента на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и списка литературы. Работа содержит 181 страницу машинописного текста, 39 таблиц, 25 рисунков, список использованной литературы из 131 наименования.
Автор выражает сердечную благодарность и признательность заслуженному деятелю науки Российской Федерации, доктору технических наук, профессору Верхотурову А.Д. за оказанное содействие в планировании экспериментов и обсуждении их результатов, большую консультативную работу наставника. Отдельную благодарность автор выражает сотрудникам лаборатории Куценко B.C., Комаровой Г.П., Баранову В.А. за помощь в проведение исследований.
