Повышение прочности керамической литейной формы на основе бескремнеземного связующего материала Алюмозоль А

Алюмозоль А – водный коллоидный раствор оксида алюминия Al₂O₃. Полидисперсная система, размер частиц в пределах 80-200нм. Данное связующее изготавливается в Казани компанией ООО «НТЦ „КОМПАС“.

Алюмозоль А обладает свойствами тиксотропии — при длительном стоянии застудневает и после механического перемешивания возвращается в исходное состояние. При замерзании и размораживании Алюмозоль А своих свойств не теряет. После высыхания образует твердую массу, при добавлении воды и механическом перемешивании вновь образует коллоидную систему.

При повышении pH выше 5 необратимо образует гель. Необратимые и наилучшие связующие свойства Алюмозоль А проявляет после прокалки при температуре 500–600 °С, образуя активную фазу α-Al₂O₃, вследствие чего может использоваться до температуры 2000 °С.

На рисунке 1 показан вид связующего Алюмозоль А. Внешне связующее представляет мутную сижность светло-коричневого цвета.

Рисунок 1. Внешний вид связуюшего Алюмозоль А

В качестве спекающих добавок в данной работе рассмотрены алюминиевая пудра марки АСД4 и диоксид титана.

В качестве огнеупорной составляющей использовали электрокорунд различной фракции. Алюминиевую пудру марки АСД4 и диоксид титана вводили в количестве 10 % от массы суспензии. Спекающие добавки показаны на рисунке 2.

Рисунок 2. Спекающие добавки

Перед тем, как добавить волокна (рисунок 3) в суспензию, они нарезались примерно на 3–6 мм в длин. Волокна в суспензию добавляли в количестве 0,1 % и 0,5 % от массы суспензии. 

Рисунок 3. Волокна на основе оксида алюминия

Формирование керамического покрытия производилось методом послойного нанесения керамической суспензии и обсыпочного огнеупорного материала на модельную пластину с последующей сушкой каждого слоя покрытия.

Прокалку керамических образцов проводили при температурах 1350, 1400 и 1500 ºС. Наиболее оптимальная спеченность у керамики прокаленной при 1500 ºС, поэтому все результаты далее, представлены для образцов после прокалки в 1500 ºС.

После прокалки все образцы испытывались на статический изгиб на испытательной машине.

После испытаний мы провели СЭМ керамических образцов, с добавлением диоксида титана или волокон. В случае добавления волокон мы получили полностью монооксидную форму состава Al₂O₃, в случае добавления диоксида титана у нас получился состав диоксид титана и оксид алюминия.

Керамические образцы показаны на рисунке 4.

Рисунок 4. Керамические образцы

Рассмотрим данные, которые получили в ходе испытаний керамических образцов:

1. Механические испытания на статический изгиб показали, что среднее значение прочности у образцов без добавок составило ~ 1,7 МПа (что очень мало для заливки химически активных сплавов), у образцов с добавлением алюмооксидных волокон ~ 3,7 МПа (при добавлении 0,1 %) и 4,76 МПа (при добавлении 0,5 %), у образцов с добавлением алюминиевой пудры марки АСД4 ~ 6,5 МПа, у образцов, содержащих в качестве спекающей добавки диоксид титана — ~ 4,4 МПа.
2. При работе с такими составами, было выявлено, что связующее Алюмозоль А вступает в реакцию с алюминиевой пудрой АСД4. Спустя примерно 5–7 часов суспензия становится твёрдой, похожей на губку. В пределах реального производства наличие данного факта является критичным, несмотря на значительное увеличение прочности, следовательно, такой состав не может использоваться в реальном производстве.
3. Добавка диоксида титана хорошо влияла на суспензию. Не было проблем в работе с данным составом. Огнеупорная составляющая суспензии не оседала долгое время, что очень важно в реальном производстве. Добавка диоксида титана позволила увеличить предел прочности образцов примерно до 4,36 МПа в среднем. Что показывает возможность развития данного состава керамической формы в дальнейшем.

В виду дороговизцы волокон на основе оксида алюминия, использование в качестве спекающей добавки диоксида титана является наиболее оптимальным из всех выбранных упрочнителей керамической формы.

Построим по полученным данным диаграмму зависимости предела прочности от вида добавок в керамические образцы. Диаграмма представлена на рисунке 5.

Рисунок 5. Диаграмма зависимости предела прочности от вида добавок в керамику