Шихта для получения изделий из нитрида алюминия

 

Союз Советсиик

Социалистическик

Республик

ОП ИСАЫИЕ

ИЗОБРЕТЕЫ ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (11) 1 002273 (6I ) Дополнительное к авт. саид-ву (22)Заявлено 17.11.81 (21) 3381327/29-33 (53)M. Кл.

С 04 В 35/58 с присоединением заявки М

Гесудврствелный камлтет (23) Приоритет

Опубликовано 07 ° 03 83. бюллетень № 9

Дата опубликования описания 07 . 03 . 83

te аелаи нзовретеннй н открытий (53) УД3(666, 798 .. . 2 (088.8) Н. А. Грачева, И. Г. Кузнецова, О. Е. Суркова, А,С,,Власов, T.M.ÑàðêèñÿH, Э.Е.Неделько, М.Д.Бершадская, "

8. Г. Авети ов, П.H. Ермаков, И. Е. Онегин, M. tl. Погожева: и Е. Н. Челноков

1 (72) Авторы изобретения (7! ) Заяви ель (54) ШИХТА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ НИТРИДА

АЛОМИНИЯ

Изобретение относится к составу шихты для получения изделий из нитрида алюминия, которые могут быть использованы в качестве огнеупорного, электроизоляционного, химически стойкого в агрессивных средах материала.

Известен ряд составов на основе нитрида алюминия, содержащих значительное количество добавок до 50 мас. i в том числе и металлов 1, (2), P) . Эти составы относятся к композиционным материалам, повышающим, прочность керамики, Однако такое значительное количество добавок в материале снижает его огнеупорность, стойкость в агрессивных средах, ухудшает

15 его электроизоляционные свойства, увеличивает деформацию под нагрузкой при высоких температурах.

Известна шихта на основе нитрида

20 алюминия, содержащая 5,0-10,0 мас. добавок оксида иттрия и оксида кремния j4) . Изделия обжи -ают при 1700 и 1800оС с выдержкой 1 и в среде

2 азота. Эта шихта используется для пос лучения композиционного материала в системе А1М- у2О Ь- Si02 с целью создания волокнистой структуры. Однако данный состав шихты не позволяет по" лучать высокоплотные изделия из нитрида алюминия несмотря на относительно высокие температуры обжига и удельные давления прессования. Минимальную.пористость 4,5l имеют иэделия с добавкой 5 0 мас.i У2 О и 5 0 мас.3

Si0>. Давление прессования " 500 МПа

-Ь температура обжига — 1800 С.

Известна шихта для получения высокоплотных изделий из нитрида алюминия, состоящая из 90,00-99,85 мас;Ф порошка AIN и 10,00-0,15 мас.l окси- дов иттрия или лантана, или иттрийалюминиевого граната 5). Такой состав позволяет получить высокоплотную керамику с меньшим количеством добавок и при меньших удельных давлениях прессования (150-200 МПа7, но при значительных температурах обжига

3 1002 (f750-1850 C).Ïðè более низких температурах открытая пористость образцов достигает 10-25 .

Недостатком такого состава являются относительно высокие температуры обжига для получения плотных изделий что приводит к загрязнению керамики материалом деталей печей (углеродом, тугоплавкими металлами и т.д.), а также к диссоциации A IN на составляю!в щие элементы. Кроме того, используемые добавки являются тугоплавкими сое динениями с температурой плавления:

УцО - 2420 С, La>0 2450 С, У,!А!

1950оС, а спекание нитрида алюминия обусловлено жидкой фазой, образующейся при взаимодействии тугоплавких до" бавок с примесями А!20, Л! ОС, ЯION

Fe, присутствующими в нитриде алюминия. Следовательно, при использовании такого состава нельзя получить высокоплотные изделия при температурах обжига 1750- 1900 С, используя порошки повышенной чистоты с содержа" нием AIN более 99,0 масс.Ф (содержа" ние А!<О>, A!ON, AI OC менее 0,5 мас,Ж).

Такие порошки получают низкотемпературными методами синтеза из солей и .оксидов, плаэмохимическим методом синтеза, газофаэным осаждением и т.д.

Эти порошки имеют высокую дисперс30 ность (Q - 5-30 м /г) и поэтому не требуют последующего измельчения при изготовлении изделий, которое сопровождается намолом мелющих тел (железом, оксидом алюминия, карбидом воль- Зз фрама, а также гидролизом Al с обра-. зованием Аl(ОН), из которого при обжиге изделий образуются примеси AI Р, ° А!ОН, А! ОС.

4Q

Наиболее близка предлагаемой шихта на основе порошка нитрида алюминия и добавки иттрий - алюминиевого граната У А! 0, позволяющая получить

В 12. плотную керамику при более низкой температуре обжига. Эта шихта содержит 0,1-10,0 масс.Ж УЗ А! 0 . Из та" кой шихты с относительной плотностью

92,5t изделия получают при температуре обжига 1700-1800чС. Прессуют изделия при удельном даЬлении 500 МПа(6)

Недостатки последнего состававысокая температура обжига изделий, что осложняет технологию получения изделий, а также необходимость использовать высокие давления прессования 1,500 ИПа) для получения плотных изделий. Такие высокие давления прессования затрудняют получение ка273 ф чественных прессовоы беэ расслоений и перепрессовок иэ порошков нитрида алюминия, отличающикся высокой дисперсностью, а следовательно, приводят к большому проценту брака при производстве изделий. Такие высокие давления прессования также ограничивают получение крупногабаритных иэделий иэ нитрида алюминия, так как весьма сложно изготавливать пресс"формы, выдерживающие подобные давления, а также требуются прессы более сложной конструкции. Кроме того, эта шихта ыедостаточно эффективна, так, как полученный материал имеет пористость 7,5 что снижает его прочность, увеличивает газопроницаемость, снижает его химическую стойкость в агрессивных средах, а следовательно, ограничивает его область применения в технике.

Целью изобретения является снижеwe температуры обжига изделий, удельного давления прессования при одновременном уменьшении пористости иэделий.

Поставленная цель достигается тем что шихта, включающая AlN и добавку, содержит в качестве добавки СаО и

SiO, и/или СаО и В О . при следующем соотношении компонентов, масс. :

СаО 0,1-9,0

S iс2„ 0,4-13,6

А!!! Остальное причем отношение по массе CaO:Si! сЬставляет от 1:10 до 1,6;1 или СаР 0 1-12,0

><с> 0,2-13,6

AlN Остальное при отношении по массе СаО:Р О от

1:10 до 8:l.

Укаэанные добавки оксида кальция и оксида кремния или оксида кальция и оксида бора могут быть взяты вместе или порознь, так как они дают аналогичный результат.

Сущность изобретения заключается в следующем. При обжиге (температура обжига 1500-1900 С) укаэанные добавки образуют жидкую фазу, по-видимому, растворяющую нитрид алюминия, что активирует процесс спекания нитрида алюминия, вероятно, протекающего по механизму жидкофазного спекания с частичным растворением твердой Фазы.

Зтд приводит к снижению температуры обжига;, снижению прристости материала и снижению необходимого для

273 4

Пример исполнения. Промышленный порошок нитрида алюминия с содержанием A1N более 99,0 масс. 4 смешивают с добавкой состава, указанного в таблице. Из шихты формуют заготовки, которые обжигают в высокотемпературной печи в бескислородной атмосфере в интервале температур 1500-1900 С.

В табл.l приведены примеры опытных составов и достигаемые результаты по свойствам изделий, изготс зленных из предлагаемой шихты.

Предлагаемый состав шихты более

% 1002 получения плотных иэделий удельного давления прессования.

Данный состав позволяет получать изделия из нитрида алюминия с плотностью, близкой к теоретической, иэ порошков повышенной чистоты с содержанием Alk более 99,0 масс.3 в связи с тем что для образования жидкой фазы из предлагаемого состава шихты не требуется взаимодействия с примеся- to ми А 1 0, A10N, А1 ОС. Жидкая фаза образуется благодаря плавлению или образуюшихся при обжиге или введенных легкоплавких стекол, боратов или силикатов кальция. Жидкая фаза обра- з зуется в интервале температур 11001500 С.

Нижний предел соотношения компонентов шихты (,1,0 масс.i) обусловлен невысокой эффективностью малого коли- 10 чества добавки, верхний (15,0 мас. i )деформацией образцов при обжиге и припеканЬем к засыпке или контейнеру. У керамики, содержащей добавку в количестве, большем 15,0 мас. 1 снижается р огнеупорность, увеличивается деформация под нагрузкой, ухудшается химическая стойкость.

Пределы соотношенио по массе -СаО:

SiP< ov 1:10 до 1,6:1 или СаО: В О зо от 1: 10 до 8: 1 — связаны с общим количеством добавки и вероятно влияют на растворимость нитрида алюминия -в жидкой фазе, а следовательно, на процесс жидкофазного спекания нитрида алюминия. Нижние пределы соотношения по массе оксида кальция к оксиду кремния CaO:S10 (1:10) или оксида кальция к оксиру бора Ca0:В О (1:10) относятся к максимальному количеству добавки, верхние — СаО

:SiC> (1,6:1) или СаО : Г. О> 8:1 к минимальному количеству добавки.

Добавку можно вводить в виде порошков оксидов, различных кремний45 или бороорганических соединений и веществ, содержащих укаэанные оксиды: синтезированного стекла или кристаллических соединений (боратов кальция, силикатов кальция).

Из предлагаемого состава шихты изделия могут быть изготовлены любым известным способом: не только полусуким прессованием, но и шликерным литьем из суспензий в органических растворителях, горячим литьем, протяжкой, горячим прессованием и т.д.

Укаэанные составы готовят смешанием компонентов. эффективен, чем известный, так как позволяет получать плотные изделия при 1500-1650О С, что значительно снижает энергозатраты на изготовление изделий, уменьшает загрязнение керамики материалом деталей печей, а также диссоциацию нитрида алюминия на составляющие элементы. Данный состав шихты дает возможность использовать для обжига изделий высокопроиэводи; тельные, менее энергоемкие промышленные печи с. корундовой футеровкой, работающие при температуре до 1700 С.

Изделия из предлагаемой шика могут быть сформованы при давлениях

100-150 МПа. Эти давления ниже„ чем давления формовки изделий из шихты известного состава, что позволяет по. лучать изделия без перепрессовок и расслоений из тонкодисперсных порошков нитрида ал миния. Такой состав позволяет получать крупногабаритные изделия из AlN, не используя при этом сложных пресс-форм и прессового оборудования.

Предлагаемый состав шихты позволяет получать изделия с относительной плотнос ью 95,0-99,01 при общей пористости 1,0-$,03 во всем интерва ле температур обжига 1500-1900 С (открытая пористость 0,0-0,3>u).

Предлагаемые добавки более дешевы и более распространены в природе, в то время как соединения иттрия и лантана мало распространены в земной коре. Оксиды иттрия и лантана дефицитны и дороги,, а иттрий - алюминиевый грант, кроме того, сложен в изготовлении, Экономический эффект от замены добавки У А1 О„ на предла" гаемые на 10 т продукции составит около 25000 рублей.

Свойства полученного материала приведены в табл.2.

Полученный материал может быть использован в электронной, радиотехТ а б л и ц а

Примеры к шихте

Уд.давление прессования, МПа

Состав .шихты, масс.Ф

Соотношение

СаО: S10< (или В О ) Ч п/и

A IN сао S i о В203

200

1:10

1,0

100

1,6:1

6,0

100

2,0

1,6: 1

200

0;4

1:10 стекло 150

13,6

200

l:10

0,27

100

10,0

200

8 99,0 0,5

:9 950 35

0,5

2,4:1 соедине- 200 ние ЗСаО.С О>

150

1,0

10 989 01

1,5

86,5 12,0

8;1

100

200

12 982 16

0,2

13,6.13 85,0 1,34

14 99,8 0,03

150

1:10

1:5

200

0,17

15 79,0 10,5

10>5

100

16 965 15 1О 10

17 92,0 5,0 1,0 2,0

18 90,0 10, 04 У Р,1 О„, прототип

200

500 нической, авиационной идругих отраслях промышлечн"сти в качестве огне" упорного конструкционного материала, 98,9 О,1

2 85,0 9,0

3 ° 96,0 2,0,4 990 06

5 850 13>

6 99,7 0,03

7 800 100

1002273 8 термостойких эле кт роизоляторов, контейнеров для работы в агрессивных средах, таких, какжидкий алюминий, галлий и т.д.

1002273

Продолжение табл, 1

Т

И и/и

Температура обжига," С

Достигаемые результаты гористость открытая, П„ плотность от носит. У 3

96,0

1600

1600

97,0

99,0

0,3

0,09

95,0

1670

2,0

1,8

95,0

1500

19,6

80,4

1670

Образец деформирован, из засыпки не извлекается

97,6

1500

1670

0,4

1600

98,0

0,5

1600

96,4

1,0

97,2

1500

0,7

1670

98,0

0,6

2>5

96,5

13 500

1670 76,5 24,5

15

Образец деФормирован, из засыпки не извлекается

1500

16

1650.

99,0

0,4

98 Ä0

17 1600

0,3

1700

Таблица 2

Результаты измерений

Наименование свойств

n/è

95,0-99,И

0,0-0,3

Относительная плотность, о

Открытая пористость, с

7 2000 С в неокислительной

Огнеупорность соеде

18 92,5 дрммеры 8 м 1Д садершат добавку е копмчестее выше предполагаемого интервала, а примеры 17 и 15 содержат ее ниже этого интервала.

Материал в этом случае значительно уступает по свойствам заявляемому материалу.

1002273

Продолжение табл. 2

10 - 10

Удельное объемное электросопротивление,ом.см,20 С в

Линейный коэффициент термического расширения 20-800 С

1/град.

5.10

Температура начала деформации под нагрузкой 2 кг/см

-т 1800 С

Формула изобретения

Составитель Н, Соболева

Редактор Б. Федотов Техред Т.фанта Корректор Ю. Макаренко

Заказ 1716/8 Тираж 620 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП "Патент", r. Ужгород ул Проектная, 4

Шихта для получения изделий из нитрида алюминия, включающая Я!N и добавку, отличающаяся тем, что, с целью снижения температуры обжига, уменьшения удельного давления прессования, снижения пористости изделий, она содержит в качестве добавки Са0 и 51п2 и/или СаО и 8203 при следующем соотношении ком понентов, масс.3

СаС 0,1-9,0

sio . 0,4-13,6

AlN Остальное причем отношение по массе СаО:SlÎ составляет от 1:10 до 1,6:1 или

СаО 0,1-12,0

В О 0,2-13,6

AIM Остальное при отношении по массе СаО:В О от

1:10 до 8:1 °

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

20 1. Патент Японии М 49-20369, кл, 20/3/С239, опублик. 1974.

2. Патент Японии И 50-1569, кл. 20/3/C33, опублик. 1975.

Авторское свидетельство СССР

И и 410001, кл. С 04 8 35/58, 1974.

4. Фахретдинов Ф.А,, Калинин В,Б. и др. Керамика повышенной термостойкости из нитрида алюминия. М., Огнеупоры, 1980, N 3, 50-53.

5. Рябцев К.И., Кузнецова И,Г. и др. Влияние некоторых добавок на спекание и микроструктуру керамики из нитрида алюминия, труды МХТИ им.

A.È..ÌåHäåëåå8à, в. 108, М., 1979, 84-86

6. Патент Японии М 48-18925, кл. 20/3/С229, опублик,1973 (прототип) .