Fusible Glass-Crystalline Binder in the Spodumene–Manganese Cordierite System
Loading...
Date
2024
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Ukrainian State University of Chemical Technology, Dnipro
Abstract
ENG: Low-melting glass-crystalline materials with a low temperature coefficient of linear expansion (TCLE) are widely used in various engineering fields. These materials are utilized for joints, protective coatings, additives in sintering of ceramic materials, including as matrices for high-strength dispersion-reinforced materials based on oxygen-free silicon compounds. This paper presents the results of a study on glass-crystalline materials in the pseudo-binary spodumene–manganese cordierite system. Based on experimental data, a fusibility diagram was constructed. Crystalline phases formed during the cooling of the glass melts were identified using X-ray phase analysis and their crystallization tendency was evaluated. It was found that the crystallization ability of the glasses decreases with an increasing content of manganese cordierite. The most promising, low-melting glass composition was identified, with a LiAlSi2O6:Mg2Al4Si5O18 ratio of 30:70 wt.%. The glass formation temperature for this compostion lies in the range of 1200–1250 oC, and the practical melting temperature is 1450 oC. The synthesized glass exhibits softening and intensive crystallization onset temperatures of 760 oC and 960 oC, respectively. The TCLE of the glass is 34.9⋅10–7 oC–1. The primary crystalline phase, β-spodumene, forms bundles of needle-like crystals 10–15 μm in length within the residual glass phase, reducing the material’s TCLE to 20.9⋅10–7 oC–1. The developed material shows potential as a glass-crystalline binder for producing high-strength ceramic materials (wear-resistant and impact-resistant) based on SiC and Si3N4 with reduced sintering temperatures.
UKR: Легкоплавкі склокристалічні матеріали з низьким температурним коефіцієнтом лінійного розширення (ТКЛР) широко використовуються в багатьох галузях техніки. Такі матеріали використовують для з'єднань, захисних покриттів, добавок при спіканні керамічних матеріалів, у тому числі як матрицю для високоміцних дисперсно-зміцнених матеріалів на основі безкисневих сполук кремнію. У даній роботі наведено результати досліджень склокристалічних матеріалів у псевдобінарній системі сподумен-марганцевий кордієрит. На основі експериментальних даних побудовано діаграму плавкості. Методом рентгенофазового аналізу визначено кристалічні фази, що утворюються при охолодженні отриманих склорозплавів, та оцінено їхню схильність до кристалізації. Встановлено, що кристалізаційна здатність стекол зменшується зі збільшенням вмісту марганцевого кордієриту. Визначено перспективний, найбільш легкоплавкий склад скла, що має співвідношення LiAlSi2O6:Mg2Al4Si5O18 = 30:70 мас. Температура скловаріння для нього лежить в інтервалі 1200-1250 оС, а температура практичного варіння – 1450 оС. Синтезоване скло характеризується температурами початку розм'якшення та інтенсивної кристалізації 760 оС та 960 оС відповідно. ТКЛР скла становить 34,9⋅10-7 оС-1. Основна кристалічна фаза – β-сподумен, що утворює в залишковій скляній фазі пакети голчастих кристалів довжиною 10-15 мкм, – сприяє зниженню ТКЛР матеріалу до 20,9⋅10-7 оС-1. Розроблений матеріал може бути використаний як перспективне склокристалічне зв'язуюче для одержання високоміцних керамічних матеріалів (зносостійких та ударостійких) на основі SiC та Si3N4 зі зниженими температурами спікання.
UKR: Легкоплавкі склокристалічні матеріали з низьким температурним коефіцієнтом лінійного розширення (ТКЛР) широко використовуються в багатьох галузях техніки. Такі матеріали використовують для з'єднань, захисних покриттів, добавок при спіканні керамічних матеріалів, у тому числі як матрицю для високоміцних дисперсно-зміцнених матеріалів на основі безкисневих сполук кремнію. У даній роботі наведено результати досліджень склокристалічних матеріалів у псевдобінарній системі сподумен-марганцевий кордієрит. На основі експериментальних даних побудовано діаграму плавкості. Методом рентгенофазового аналізу визначено кристалічні фази, що утворюються при охолодженні отриманих склорозплавів, та оцінено їхню схильність до кристалізації. Встановлено, що кристалізаційна здатність стекол зменшується зі збільшенням вмісту марганцевого кордієриту. Визначено перспективний, найбільш легкоплавкий склад скла, що має співвідношення LiAlSi2O6:Mg2Al4Si5O18 = 30:70 мас. Температура скловаріння для нього лежить в інтервалі 1200-1250 оС, а температура практичного варіння – 1450 оС. Синтезоване скло характеризується температурами початку розм'якшення та інтенсивної кристалізації 760 оС та 960 оС відповідно. ТКЛР скла становить 34,9⋅10-7 оС-1. Основна кристалічна фаза – β-сподумен, що утворює в залишковій скляній фазі пакети голчастих кристалів довжиною 10-15 мкм, – сприяє зниженню ТКЛР матеріалу до 20,9⋅10-7 оС-1. Розроблений матеріал може бути використаний як перспективне склокристалічне зв'язуюче для одержання високоміцних керамічних матеріалів (зносостійких та ударостійких) на основі SiC та Si3N4 зі зниженими температурами спікання.
Description
O. Zaichuk: ORCID 0000-0001-5209-7498
Keywords
glass-crystalline binder, spodumene, manganese cordierite, melting diagram, crystallization, phase composition, microstructure, склокристалічне в'яжуче, сподумен, марганцевий кордієрит, діаграма плавкості, кристалізація, фазовий склад, мікроструктура
Citation
Polozhaj S. G., Zaichuk O. V., Polozhaj A. G. Fusible Glass-Crystalline Binder in the Spodumene–Manganese Cordierite System. Voprosy Khimii i Khimicheskoi Tekhnologii. 2024. No. 6. P. 117–122. DOI: http://dx.doi.org/10.32434/0321-4095-2024-157-6-117-122.