Способ изготовления искусственной шпинели

 

Способ изготовления искусственной благородной шпинели относится к производству оптической керамики и может быть использован в оптической и ювелирной промышленности. Задачей изобретения является получение искусственной благородной шпинели розового и красного цветов, имеющей высокую механическую прочность. Способ заключается в том, что в раствор двойного алкоксида магния и алюминия вводят, ат.%: раствор нитрата хрома 0,11-0,6 при содержании магния 13,4-14,2, алюминия 28,2-29,0, затем подвергают смесь термообработке в кислородной атмосфере при 600-800°C с последующим горячим прессованием в вакууме при 1250-1300°C с приложением давления при температуре не ниже 1200°C. 1 табл.

Изобретение относится к производству оптической керамики и может быть использовано в оптической и ювелирной промышленности.

Керамика из алюмомагниевой шпинели, оптически прозрачная в видимой и ИК области спектра, механически и термически прочная с высокими значениями вязкости разрушения используется в жестких эксплуатационных условиях при повышенных термических и механических нагрузках.

Известные способы получения оптической керамики позволяют изготавливать оптическую керамику с высоким направленным спектральным пропусканием. Патентуются условия синтеза мелкодисперсного исходного порошка с высокой степенью фазовой однородности и условия формирования прозрачной керамики.

Так, например, известен способ получения оптической керамики из алюмомагниевой шпинели, включающий синтез из растворов алкоксидов магния и алюминия в молярном соотношении от 0,502-0,498 до 0,524-0,476, термообработку в окислительной атмосфере при 900-1100^оС с целью кристаллизации осадка после гидролиза растворов алкоксидов, спекание в водороде при температуре выше 1700^оС со скоростью нагрева 50^оС в час при 800-1400^оС и введение уплотняющей добавки фторида лития в количестве 0,05-0,15 мас. (патент США N 4584151, 1986).

Известен способ получения порошка алюмомагниевой шпинели для производства керамики методом горячего прессования, включающий смешение соединений магния и алюминия, их прокаливание при 1150-1300^оС, обработку прокаленного продукта фторидами металлов, вводимых в качестве добавки, способствующей уплотнению, отличающийся тем, что фторид лития вводят в виде раствора в количестве 0,1-0,5 мас. при концентрации 0,4-2,3 г/л, а фторид магния в виде раствора в количестве 0,2-1,0 мас. при концентрации 0,7-4,0 г/л (авт.св. СССР N 1196333, 1985).

Известные способы позволяют получить оптическую керамику из алюмомагниевой шпинели с достаточно высоким пропусканием. Однако недостатком их является трудноконтролируемое улетучивание оксида магния при спекании при температурах выше 1400^оС, приводящее к снижению пропускания, наличие фазы фторидов металлов в керамике, концентрирующейся по границам зерен и приводящей к межзеренному излому и низкой механической прочности ( σ_изг 103-120 МПа) и трещиностойкости К_1с до 1,20 МПа/м.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату заявленному техническому решению является способ изготовления прозрачной керамики из оксида алюминия красно-пурпурного цвета (Патент Японии N 51-6163, 1976).

Согласно этому способу к порошку α -Al₂O₃ чистотой более 99,95% добавляют хром в количестве 0,006-3,40 ат% и магний в количестве 0,006-2,50 ат% или их соединения и смешивают. Порошок брикетируют и спекают в восстановительной атмосфере при температуре 1750^оС с выдержкой более 30 мин. Данный способ позволяет получить просвечивающийся глиноземный спек красно-пурпурного цвета.

Целью предлагаемого способа является получение искусственной благородной шпинели розового и красного цветов, повышение механической прочности.

Поставленная цель достигается тем, что в отличие от известных способов получения керамики, включающих смешивание соединений магния, алюминия и хрома, термообработку смеси в кислородной атмосфере и последующее горячее прессование полученного порошка в вакууме, в качестве соединения магния и алюминия используют раствор двойного алкоксида магния и алюминия при содержании, ат. хром 0,11-0,6; магний 13,4-14,2; алюминий 28,2-29,0; термообработку смеси ведут при 600-800^оС, а горячее прессование производят при 1250-1300^оС с приложением давления при температуре не ниже 1200^оС.

Ионы хрома обладают способностью входить в решетку шпинели, замещая ионы в октаэдрических пустотах, с образованием твердого раствора Мg (Al_xCr_1-x)₂O₄, что гарантирует низкое рассеяние в видимой и ИК областях спектра для оптической керамики из алюмомагниевой и шпинели, легированной хромом.

П р и м е р 1. В раствор двойного изопропилата магния алюминия MgAl₂(OC₃H₇)₄ вводят раствор нитрата хрома, взятый в соотношении, ат. алюминия 28,4; хром 0,11; магния 14,2.

Термообработку смеси ведут при 600^оС в течение 24 ч в кислородной атмосфере. Горячее прессование ведут по режиму: приложение давления 150 МПа при 1300^оС в течение 60 мин.

П р и м е р 2. В раствор двойного изопропилата магния алюминия МgAl₂(OC₃H₇)₄ вводят раствор нитрата хрома, взятый в соотношении, ат. алюминий 28,2; хром 0,57; магний 14,01.

Термообработку смеси ведут при 800^оС в течение 6 ч в кислородной атмосфере. Горячее прессование ведут по режиму: приложение давления 150 МПа при температуре 1300^оС в течение 60 мин.

Для получения искусственной благородной шпинели предложенным способом могут использоваться и другие двойные алкоксиды магния и алюминия.

Оптические и механические свойства искусственной благородной шпинели приведены в таблице.

Наличие окраски двух видов: розовой и красной (балэ и альмандиновой) у искусственной благородной шпинели объективно подтверждены методом цветовых координат. Окраска, показатель преломления, красная люминесценция искусственной благородной шпинели соответствует благородной шпинели Кухилалского месторождения. Механическая прочность и трещиностойкость искусственной шпинели выше в 2-3 раза по сравнению с природной керамикой и получаемой по авт.св. СССР N 1196333 и патенту США N 4584151.

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИСКУССТВЕННОЙ ШПИНЕЛИ, включающий смешивание соединений магния, алюминия, хрома и термообработку, отличающийся тем, что смешивание соединений магния, алюминия и хрома осуществляют путем введения раствора нитрата хрома в количестве 0,11 0,6 ат. в раствор двойного алкоксида магния и алюминия при содержании магния 13,4 14,2 ат. и алюминия 28,2 29,0 ат. термообработку ведут в кислородной атмосфере 600 - 800^oС с последующим горячим прессованием при 1250 1300^oС с приложением давления при температуре не ниже 1200^oС.

РИСУНКИ

Рисунок 1