СПОСОБ ИОНООБМЕННОГО УПРОЧНЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СТЕКЛОКЕРАМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА БЕТА-СПОДУМЕНОВОГО СОСТАВА
METHOD FOR ION-EXCHANGE REINFORCEMENT OF CERAMIC ARTICLES MADE FROM GLASS-CERAMIC MATERIAL WITH BETA-SPODUMENE COMPOSITION

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.
Известен способ ионообменного упрочнения стеклокристаллического материала, полученного по керамической технологии (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 при 450-550°C в течение 0,5-5 часов. По окончании обработки изделие извлекают из расплава и охлаждают инерционно. Использование данного способа обеспечивает прирост механической прочности до 34%.
Недостатком способа является то, что длительная выдержка при обработке изделий в расплаве нитрата натрия при 450-550°C создает жесткие условия ионообменного упрочнения, что неблагоприятно сказывается на качестве поверхности изделия. На поверхности изделия появляются раковины и неровности, что не может считаться удовлетворительным в производстве изделий с высокими требованиями к качеству поверхности. Кроме того, для реализации способа на натурных изделиях требуется создание инженерных сооружений, выполненных для условий с повышенными требованиями пожаро- и взрывобезопасности.
Наиболее близким техническим решением является способ упрочнения изделий из стеклокерамического материала β-сподуменового состава путем ионного обмена (патент РФ №2272004 от 20.03.2006 г.), включающий нанесение на изделие слоя нитрата натрия толщиной 0,5-2,0 мм из однородной пасты, его сушку в течение 0,8-1,0 часа при 80-100°C, термообработку при температуре 525-600°C в течение 0,75-1,0 часа, охлаждение изделия, причем процесс ионообменного упрочнения изделия выполняют 3-4 раза. Использование данного способа обеспечивает прирост механической прочности в пределах 25-40%.
К недостаткам известного способа следует отнести то, что его применение целесообразно только для упрочнения мелкогабаритных изделий простой формы. В процессе же изготовления крупногабаритных сложнопрофильных изделий, какими, в частности, являются головные антенные обтекатели ракет, в результате механической обработки под воздействием режущего инструмента поверхностный слой обрабатываемого изделия приобретает дефектную структуру. В дальнейшем на операции упрочнения при воздействии на обработанное изделие дополнительной термообработки в пределах температур 525-600°C происходит так называемое снятие напряжения поверхностного слоя изделия, в результате чего на поверхности изделия появляются всевозможные дефекты (раковины, сколы и др.). Причем на количество образовавшихся дефектов огромное влияние оказывают геометрия и размеры упрочняемых изделий. Так, например, на некоторых типах изделий величина брака на операции упрочнения достигала 50%.
Еще одним недостатком известного способа является его трудоемкость. Так, длительность одного цикла упрочнения от приготовления однородной пасты нитрата натрия до полного охлаждения упрочненного изделия занимает порядка 7 часов, а весь процесс 21-28 часов.
Задачей настоящего изобретения являются повышение качества упрочняемых изделий и снижение трудоемкости самой операции упрочнения.
Поставленная задача достигается тем, что предложен способ ионообменного упрочнения керамических изделий из стеклокерамического материала β-сподуменового состава, включающий нанесение на изделие слоя нитрата натрия толщиной 0,5-2,0 мм из однородной пасты, его сушку в течение 0,8-1,0 часа при 80-100°C, термообработку в течение 0,75-1,0 часа, охлаждение изделия, отличающийся тем, что термообработку производят при температуре 380-420°C, а процесс ионообменного упрочнения изделия выполняют 1-2 раза.
Авторами экспериментально установлено, что оптимальная температура обработки составляет 380-420°C. Снижение температуры ниже 380°C нецелесообразно в виду того, что при данных условиях не происходит плавления нитрата натрия, а соответственно, и обмен ионов. Превышение установленного температурного интервала также нецелесообразно из-за увеличения вероятности возникновения дефектов на поверхности упрочняемого изделия.
Экспериментально установлено, что оптимальная кратность ионообменного упрочнения не должна превышать 2 циклов, так как при этом материал испытывает максимальный прирост прочности (до 35%) и дальнейшее увеличение циклов упрочнения приводит к существенному росту трудозатрат при достаточно незначительных увеличениях прочности.
Установлено, что предложенный способ упрочнения изделий обеспечивает относительное увеличение механической прочности материала до 35%.
Реализация предложенного способа ионообменного упрочнения изделий из стеклокерамического материала β-сподуменового состава представлена в следующем примере.
Пример.
Из стеклокерамики β-сподуменового состава по керамической технологии была изготовлена партия крупногабаритных сложнопрофильных керамических изделий (диаметр основания 400 мм, высотой 1000 мм).
Часть изготовленных изделий упрочнили по способу, описанному в прототипе, а часть по предложенному техническому решению.
Относительные изменения прочности и качество изделий после упрочнения приведены в таблице.
Из приведенных в таблице данных видно, что использование предложенного технического решения позволяет полностью уйти от брака на операции упрочнения. При этом превышение максимально допустимой температуры всего на 30°C (эксперимент №6) приводит к появлению бракованных изделий.
Кроме того, снижение минимальной температуры ниже 380°C (эксперимент №2) практически не обеспечивает упрочнения.
Как следует из данных эксперимента №1, проведение циклов упрочнения больше двух раз не приводит к существенному росту прочности, при этом трудозатраты увеличиваются в 1,5-2,0 раза.
Таким образом, предложенное техническое решение позволяет существенно снизить уровень брака на операции упрочнения при двукратном сокращении трудозатрат.
Источники информации
1. Суздальцев Е.И., Рожкова Т.И. Перспективы упрочнения стеклокерамики литийалюмосиликатного состава // Огнеупоры и техническая керамика, 2003, №1, с.9-11.
2. Патент РФ №2272004 от 20.03.2006 г.
Таблица
№ эксперимента
Температура термообработки, °C
Кратность ионообменного упрочнения
Относительное изменение предела прочности при поперечном изгибе, %
Трудозатраты, час
Количество брака, %
1
+30
1
550
2
+38
28
50
(прототип)
3
+40
4
+43
2
370
1
+3,5
14
0
2
+6,4
3
380
1
+15
14
0
2
+20
4
400
1
+23
14
0
2
+30
5
420
1
+26
14
0
2
+35
6
450
1
+27
14
10
2
+38