СПОСОБ ТЕРМООБРАБОТКИ СТЕКЛОКЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ
METHOD FOR THERMAL TREATMENT OF GLASS CERAMIC PRODUCTS

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.
Известен способ термообработки стеклокерамики (Макмиллан П.У. Стеклокерамика. - М.: Мир, 1967. - 263 с.), включающий последовательную термообработку заготовок сначала при температуре зародышеобразования, а затем при верхней температуре кристаллизации.
К недостаткам этого метода следует отнести то, что он рассчитан только на термообработку монолитных аморфных заготовок отформованных из стекла по стекольной технологии. При термообработке же заготовок, отформованных по керамической технологии из водных шликеров, приготовленных на основе аморфного стекла, появляется новая задача по спеканию отдельных тонкоизмельченных частиц, из которых состоит отформованная заготовка.
Известен способ термообработки заготовок из стеклокерамического материала литийалюмосиликатного состава (Суздальцев Е.И. Синтез высокотермостойких, радиопрозрачных стеклокерамических материалов и разработка технологии изготовления на их основе обтекателей летательных аппаратов. //Диссертация на соискание ученой степени д.т.н. М., РХТУ им.Д.И.Менделеева, 2002, 430 с.), включающий следующие основные операции: сушка заготовки при температуре 120-250°С, с выдержкой в течение 1-2 часов; ступенчатый обжиг заготовки со скоростью подъема температуры в печи 20-60°С/час сначала при температуре зародышеобразования 630-670°С, с выдержкой при этой температуре в течение 5 часов, а затем при верхней температуре кристаллизации и спекания 1230-1250°С, с выдержкой при этой температуре в течение 4-7 часов, после чего осуществляют печь охлаждают до температуры 250-300°С.
К недостаткам этого способа относится длительность процесса термообработки заготовок полученных по керамической технологии. В результате чего при серийном производстве стеклокерамических изделий возникает необходимость увеличения парка высокотемпературных печей обжига (с рабочей температурой в пределах 1250°С).
Наиболее близким техническим решением является способ термообработки заготовок из стеклокерамического материала (Патент РФ №2266269, 20.12.2005, бюл. №35), включающий сушку заготовки при температуре 120-250°С с выдержкой в течение 1-2 ч и обжиг при температуре зародышеобразования 630-670°С, с выдержкой в течение 5 ч в низкотемпературных печах, охлаждение заготовки в пределах температур от комнатной до 250°С, окончательный обжиг при верхней температуре кристаллизации и спекания 1230-1250°С, с выдержкой в течение 4-7 ч в высокотемпературных печах, после чего осуществляют охлаждение печи до температуры 250-300°С.
-7
-1
-7
-1
К недостаткам этого способа относится то, что исходное литийалюмосиликатное стекло, используемое для производства стеклокерамики, обладает достаточно высоким коэффициентом теплового линейного расширения (КТЛР), который в интервале температур 20-900°С увеличивается с 36×10 К до 48×10 К, что существенно ограничивает скорость подъема температуры при термообработке стеклокерамических изделий в высокотемпературных печах. В настоящее время максимальная скорость подъема температуры ограничена 60°С/час, что существенно увеличивает длительность процесса. Превышение указанной скорости подъема температуры приводит к существенному увеличению количества брака (растрескивание крупногабаритных сложнопрофильных изделий), который тем больше, чем толще стенка обжигаемого изделия. Кроме того, стеклокерамические изделия после обжига при температуре зародышеобразования (630-670°С) обладают низкой прочностью (прочность при изгибе составляет 5-7 МПа), что зачастую приводит к образованию дефектов на изделиях при их извлечении из низкотемпературных печей и установке в высокотемпературные печи, следствием чего является разрушение изделий, часто обнаруживаемое только после окончательного обжига.
Задачей настоящего изобретения является сокращение длительности термообработки стеклокерамических изделий в высокотемпературных печах обжига и снижение брака.
Поставленная задача достигается тем, что предложен способ термообработки стеклокерамических изделий, включающий сушку изделия при температуре 120-250°С, с выдержкой в течение 1-2 ч и обжиг при температуре зародышеобразования 630-670°С, с выдержкой в течение 5 ч в низкотемпературных печах, охлаждение изделия в пределах температур от комнатной до 250°С, окончательный обжиг при верхней температуре кристаллизации и спекания 1230-1250°С, с выдержкой в течение 4-7 ч в высокотемпературных печах, после чего осуществляют охлаждение печи до температуры 250-300°С, отличающийся тем, что перед охлаждением изделия осуществляют дополнительный обжиг при температуре 850-900°С в течение 1-5 часов, а подъем температуры при окончательном обжиге проводят со скоростью 100-500°С/час.
Авторами экспериментально установлено, что при дополнительном обжиге при температуре 850-900°С в течение 1-5 часов исходное литийалюмосиликатное стекло приобретает кристаллическую структуру β-эвкриптита. Эта кристаллическая фаза характеризуется минимальными значениями КТЛР (в 10-30 меньшими, чем у исходного литийалюмосиликатного стекла). Низкие значения КТЛР позволяют вести окончательный обжиг в высокотемпературных печах с большой скоростью подъема температуры, что существенно снижает длительность термообработки. При этом значительно снижается брак при обжиге изделий.
Экспериментально установлено, что только проведение обжига при температурах 850-900°С в течение 1-5 часов обеспечивает минимальные значения КТЛР (см. таблицу 1). Как следует из данных таблицы 1 снижение температуры обжига и времени выдержки на ней ниже указанных значений не обеспечивает необходимые значения КТЛР, а дальнейшее увеличение этих параметров нецелесообразно. Кроме того, дополнительный обжиг позволяет существенно повысить прочность изделий обожженных в низкотемпературных печах (предел прочности при изгибе таких изделий составляет 70-85 МПа). В результате значительно сокращается количество брака изделий, вызванного их разрушением при извлечении из низкотемпературной печи и перемещении их в высокотемпературную печь.
Кроме того, установлено, что увеличение скорости подъема температуры в высокотемпературных печах от комнатной температуры до температуры кристаллизации и спекания вплоть до 500°С/час не приводит к возникновению разрушающих напряжений в заготовках, а уменьшение скорости подъема температуры ниже значений 100°С/час не приводит к существенному сокращению длительности режима термообработки.
В таблице 2 представлены данные по изделиям, обожженным по способу предложенному в аналоге, прототипе и по предложенному техническому решению.
Анализируя данные, представленные в таблице 2, можно заключить, что применение предложенного способа позволяет сократить продолжительность термообработки крупногабаритных, сложнопрофильных керамических изделий в высокотемпературных печах обжига практически в 2 раза, при этом качество данных изделий остается на высоком уровне.
Источники информации
1. Макмиллан П.У. Стеклокерамика. - М.: Мир, 1967. - 263 с.
2. Суздальцев Е.И. Синтез высокотермостойких радиопрозрачных стеклокерамических материалов и разработка технологии изготовления на их основе обтекателей летательных аппаратов. // Диссертация на соискание ученой степени д.т.н. М., РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2002, 430 с.
3. Патент РФ №2266269, 20.12.2005, бюл. №35.
Таблица 1
№ образца
Температура обжига, °С
Время выдержки, час
Прочность при изгибе, МПа
Коэффициент теплового линейного расширения, α×10<sup>-7</sup>, K<sup>-1</sup>, при температуре:
20°С
900°С
0 (прототип)
650
5
6
36
48
1
800
1
74
29
35
2
800
3
77
24
30
3
800
5
68
20
26
4
850
1
79
4
11
5
850
3
80
2
8
6
850
5
81
1
7
7
900
1
82
1
4
8
900
3
81
1
3
9
900
5
83
0
3
Таблица 2
№
Режим обжига
Скорость подъема температуры, °С/час
Продолжительность режима термообработки в высокотемпературной печи, час
Плотность, г/см<sup>3</sup>
Диэлектр. прониц.
Прочность при изгибе, МПа
1
По аналогу
60
64
2,50
7,09
117
2
По прототипу
60
57
2,49
7,03
120
3
По предложенному решению
100
51
2,49
7,05
119
4
300
42
2,50
7,02
122
5
500
38
2,49
7,02
118