1.4.2. Термическая стойкость

вызывающая разрушение (возникновение трещины) при полном ограниче­ нии температурной деформации, определяется выражением

R = ств(1 - v/£a),

где ств - предел прочности;

v - коэффициент Пуассона; £ - модуль упругости;

a - коэффициент теплового расширения.

Значения фактора термостойкости для некоторых материалов приве­ дены в табл. 1.3.

Таблица 1.3

Значение фактора термостойкости R

Пористость и другие дефекты строения образца, включая дефекты решетки, в общем случае приводят к снижению термостойкости керамики. При этом падает прочность, а модуль упругости уменьшается незначи­ тельно. Однако образование трещины может стать причиной скалывания или разрушения изделия. В этом случае увеличение пористости может по­ высить стойкость к скалыванию.

Для керамики, используемой при изготовлении турбинных лопаток, оптимальной является пористость 32—42 %.

1.5. Химическая стойкость огнеупоров

Эта стойкость нередко лимитирует возможность применения огне­ упоров, особенно когда одновременно несколько огнеупоров работают в газовой среде и с расплавленным металлом. Как правило, все огнеупоры устойчивы в сухом воздухе в окислительной атмосфере до температуры плавления.

В восстановительной атмосфере и в присутствии углерода огнеупоры теряют свою инертность. Устойчивость окисла определяется максималь­ ной отрицательной величиной свободной энергии, которая была затрачена при его образовании. По устойчивости окислов к расплавленному металлу высокоогнеупорные окислы можно расположить в ряд: MgO, AI2O3, Z1O 2, ВеО, ТЮ2-

Если одновременно используется несколько огнеупоров, то они влия­ ют на химическую стойкость друг друга. При высоких температурах они взаимодействуют между собой (табл. 1.4), образуя легкоплавкие эвтектики. Точки плавления таких эвтектик, как правило, ниже температуры плавле­ ния любого из реагирующих компонентов.

1.6. Состав и свойства материалов для керамических стержней

1.6.1. Огнеупорные материалы

По минералогическому и химическому составам основные огнеупор­ ные материалы делятся на три группы: силикаты, алюмосиликаты и корунды. По степени огнеупорности они подразделяются также на три груп­

пы:

- огнеупорные (температура плавления 1580-1770 °С) - каолин, ша­ мот, кремнезем;

-высокоогнеупорные (температура плавления 1770-2000 °С) - алю­ мосиликаты высокоглиноземистые, корунды (плавленый и естественный);

-высшей огнеупорности (температура плавления выше 2000°С) -

MgO, CaO, Z r0 2и другие окислы.

Электрокорунд. В России наибольшее применение при литье лопаток газотурбинных двигателей нашел электрокорунд - материал третьей груп­ пы по минералогическому и химическому составу и второй группы по ог­ неупорности. Корунд содержит от 96 % и более а-А120з. По кристалличе­ ской структуре он относится к самой устойчивой a -модификации безвод­ ной окиси алюминия.

Корунд - минерал природного происхождения, единственный мине­ рал, представляющий собой чистую окись алюминия. В минералогии и технике различают две разновидности корунда - благородный и обыкно­ венный. Благородный корунд имеет чистые, прозрачные кристаллы раз­ личного цвета: красные - рубины, синие - сапфиры, дымчатые - топазы.

Цвет зависит от примесей железа, титана, марганца, никеля и т.д. Обыкно­ венный корунд непрозрачен, серого цвета, иногда с синеватым или сирене­ ватым оттенком. Промышленное применение в литейном производстве находит корунд, получаемый из глинозема высокой очистки плавлением в электропечах и называемый белым электрокорундом. По внешнему виду это белый порошок. Он имеет следующий химический состав:

По фракционному составу белый электрокорунд делится на 4 класса (группы):

-шлифзерно с величиной частиц от 200 до 160 мкм;

-шлифпорошок с величиной частиц от 120 до 50 мкм;

-микропорошок с величиной частиц от 40 до 5 мкм;

-тонкий микропорошок с величиной частиц менее 5 мкм. Нормы зернового состава приведены в табл. 1.5-1.8.

При изготовлении стержней применяются шлифпорошки, микропо­

рошки и тонкие микропорошки. Белый электрокорунд отвечает требовани­ ям, предъявляемым к огнеупорным материалам: обладает высокой огне­ упорностью, химической стойкостью к расплавленному металлу, термиче­ ской стойкостью, малым термическим расширением.

Физические и теплофизические свойства электрокорунда:

При изготовлении стержней следует учитывать не только зернистость электрокорунда (или какого-либо применяемого тугоплавкого сырья), но и его удельную поверхность. В табл. 1.9 приведены значения расчетной и измеренной удельной поверхности электрокорунда нескольких номеров зернистости.

Таблица 1.5 Нормы зернового состава шлифзерна и шлифпорошков

по ГОСТ 3647-80

Таблица 1.9

2

Удельная поверхность электрокорунда различной зернистости, см /г

Как видно, удельная поверхность, рассчитанная по данным грануло­ метрического состава, допускаемого стандартом, колеблется для отдель­ ных порошков в тем больших пределах, чем мельче порошок. Следова­ тельно, качество стержней, изготовленных из различных партий порошка одинаковой (по паспорту) зернистости (при том же химико-минера­ логическом составе), может быть различным даже в том случае, если были взяты равные количества одного и того же связующего. Это справедливо не только для стержневых смесей, но и для любых других керамических масс вообще.

При введении, например, 3 % (по массе) S1O2 в электрокорунд зерни­ стости 8, удельная поверхность которого может колебаться в пределах от 138 до 225 см /г, распределение кремнезема (SiC>2) на поверхности электрокорундового порошка различных партий может находиться в пределах от 2,24 до 1,37 г/м2

Поэтому из каждой вновь прибывшей на производство партии элек­ трокорунда должны отбираться пробы не только для обычных анализов, но и для определения удельной поверхности.

2Количество связующего вещества на единице поверхности шихты (г/м ) может быть рассчитано по формуле

S o ( l O O - C ) ’

где С - количество связующего в шихте, %;

SQ- удельная поверхность электрокорундового порошка, м2/г.

В табл. 1.10 приводятся данные, характеризующие распределение свя­ зующего вещества, взятого в количестве 1 ;3 и 5 % (по массе), на единице поверхности электрокорундовых порошков зернистости 12, 6 и 3. Приво­ димые в этой таблице значения удельной поверхности получены опытным путем.

Таблица 1.10 Распределение связующего вещества на поверхности

зерен электрокорундовых порошков

Из табл. 1.10 видно, что при введении в стержневую смесь различной зернистости одинакового количества (по массе) связующего количество его на единице поверхности смеси оказывается различным. Например, на

1 м поверхности порошка для электрокорунда (зернистость 12) при 3 % связки количество ее составит 2,41 г, а для зернистости 3 - всего 0,12 г.

Поскольку действие связующего вещества наиболее активно проявля­ ется в местах контакта зерен, то роль связки, приходящейся на единицу поверхности смеси, тем значительнее, чем больше поверхность контакта зерен или чем выше дисперсность исходной смеси (шихты).

Характер распределения связующего оказывает непосредственное влияние на прочностные и другие свойства стержней. Поэтому необходи­ мо помимо других факторов постоянно учитывать также и количество связки, приходящейся на единицу поверхности стержневой смеси. Распре­ деление связующего зависит от способов его введения в шихту, условий смешения и других технологических факторов.

Карбид кремния (карборунд). Карбид кремния представляет собой соединение углерода с кремнием. Получается карбид кремния восстанов­ лением кремнезема коксом с последующим соединением образовавшегося кремния с избытком углерода. Процесс протекает при высоких температу­ рах в несколько стадий и может быть выражен суммарной реакцией:

S i0 2 + ЗС + 122 кал SiC + 2СО.

По отношению к окислителям карбид кремния не является устойчи­ вым соединением. При окислении его образуется S i02, в результате по­ верхность зерен карбида кремния покрывается пленкой кремнезема, кото­ рая защищает их от дальнейшего окисления.

На воздухе карбид кремния начинает заметно окисляться при темпе­ ратуре 800 °С. С повышением температуры жаростойкость карбида крем­ ния снижается (табл. 1.11).