Способ обработки технического ситалла электрическим полем

           Ситалл – стеклокристаллический материал, как известно, отличается термостойкостью, теплопроводностью и высокой износостойкостью [1]. Это позволяет применять этот материал для изготовления деталей с антифрикционными и высокими эксплуатационными свойствами (поршни и гильзы двигателей внутреннего сгорания, роторы компрессоров, корпуса приборов и др.). Однако длительный, двустадийный процесс термообработки для получения технического ситалла существенно усложняет технологический процесс изготовления литых заготовок из этого материала.

           Для определения воздействия электрического поля (ЭП)  на свойства технического ситалла и возможность сокращения времени термической обработки были проведены работы по приготовление ситалла на основе стеклокерамики. Базовая стеклокерамика имела следующий химический состав: диоксид кремния SiO₂  - 62 %: оксид алюминия Al₂O₃ – 23 %: оксид лития Li₂O – 10%: оксид цинка ZnO – 3%: другие оксиды – 2%. Для получения технического ситалла производили добавку к расплаву стеклокерамики в раздаточном ковше диоксид титана TiO₂ в количестве 18 весовых процентов.

          Стеклокерамику выплавляли в электроплавильной печи и при температуре расплава 1200 ⁰С переливали в подогретый раздаточный ковш, в котором производили введение добавки (TiO₂), влияющей на процесс кристаллизации расплава стекла [2]. Затем расплав заливали в специальную металлическую литейную форму с электродами, подключенными к источнику высокого напряжения (ИВН) марки STR «Speller» (см. рис. 1).

Рис. 1 Схема формы для образцов ситалла в экспериментальной установке по обработке электрическим полем

          Время обработки было выбрано на основе анализа результатов специальных опытов по влиянию ЭП на прочностные свойства ситалла. Период обработки ЭП составил 120 секунд с момента заполнения формы расплавом ситалла. После обработки ЭП литейную форму с образцом ситалла помещали в печь отжига и при температуре 900 ⁰С выдерживали в течение одного часа. По традиционном технологическом процессе  термообработку после получения образцов ситалла проводили в два этапа: на первом этапе 1 час (при температуре 600 ⁰С); на втором этапе 4 часа (при температуре 900 ⁰С).

         Испытания образцов ситалла с TiO₂ показали (см. рис. 2), что прочностные свойства образцов ситалла с данным химическим составом достигают максимальных величин около 120 кВ.

Рис. 2 Изменение прочностных свойств ситалла с TiO₂ при различных величинах напряжённости электрического поля

         В процессе исследовательской работы было определено, что прочностные свойства технического ситала и ситалла находятся на одном уровне при различных технологичесих процессах термической обработки (вариант А и вариант Б, данных на рис. 3). 

Рис. 3 Варианты режимов термообработки ситалла (А – без обработки электрическим полем и Б – с обработкой электрическим полем)

По ним можно определить существенное сокращение по времени цикла термообработки образцов ситалла после обработки ЭП, т.е. после второго периода (1 час  при 900 ⁰С) отсутствуют 4 и 5 периоды, по сравнению с традиционным технологическим процессов (вариант А).

Рис. 4 Диаграмма средних величин прочностных свойств технического ситалла TiO₂ при типовой термообработке (1 час + 4часа) - 1 и при обработке электрическим полем (1 час) - 2

         На основе понятий об электростатическом поле [3] можно предположить, что наложение ЭП с напряжением U между электродами, расстояние между которыми равно d, вызывает возникновение величины напряжённости поля Е_о (см. рис. 1)  в расплаве ситалла равного отношению U к d, т.е.                                                                   

                                             U

                                 Е_о = ------- (В/м).                        

                                            d                                                              

Это приводит к поляризации обработанного диэлектрика полученного на основе стеклокерамики. Под влиянием напряжённости Е_о в расплаве ситалла возникают ионы химических элементов, входящих в состав ситалла  с Е_i направленного против внешнего поля Е_о (см. рис. 1) и результирующая напряжённость Е будет равна                            

                                      Е = Е_о - Е_i .

При этом отношение Е_о к Е будет характеризовать диэлектрическую проницаемость среды [4] и оно определяет способность диэлектрика поляризоваться в электростатическом поле.

         Возникновение ионов в процессе обработки расплава ситалла ЭП приводит к росту заряда двойных электрических слоёв на частицах TiO₂ введённых в ситалл, что ускоряет динамику гетерогенных процессов протекающих на границах раздела фаз [5]. Эти гетерогенные процессы непосредственно влияют на протекание кристаллизации, формирующего структуру технического ситалла. При упрочнении структуры ситалла возникает рост его механических и служебных свойств, повышающие эксплуатационные данные изготовленных из этого материала деталей.

        Таким образом, обработка ЭП даёт возможность сократить технологическое время, предусмотренное на термическую обработку отливок из технического ситалла, что позволяет повысить производительность технологического процесса и  получить на его основе конкурентоспособную продукцию.

           ЛИТЕРАТУРА

1. Химическая энциклопедия.- М.: Советская энциклопедия, 1995. Т. 4., 639 с.
2. Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И., Пирайнен В.Ю. Специальные материалы в машиностроении. СПб.: ХИМИЗДАТ, 2004, 640 с.
3. Кухлинг Х. Справочник по физике. Пер. с нем. 2-е изд.. – М. : Мир, 1985. 520 с.
4. Эберт Г. Краткий справочник по физике. Пер. с нем. – М.: Гос. изд. Физматиз, 1963. 552 с.
5. Даркен Л.С., Гурри Р.С. Физическая химия металлов. М., «Металлургиздат», 1962, 582 с.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРЕ

Миненко Георгий Николаевич,  кандидат технических наук, доцент, руководитель Ресурсного центра отраслевого машиностроения министерства образования Московской области;

140002 Московская область, г. Люберцы, Октябрьский пр., 114.

моб. тел.: +7(909) 634-95-97. 

E-mail: minen29ko2009@ya.ru

«Литьё Украины», 2020, № 10, с.17-21