Шихта для получения оксинитрида алюминия
Изобретение относится к области получения высокоогнеупорных керамических материалов, в частности к получению оксинитрида алюминия, который может быть использован в качестве компонента керамики и металлокерамики для изготовления режущего инструмента, термостойких и теплопроводных элементов конструкций, а также в окислительных средах вместо нитрида алюминия и в сочетании с ним. Технический результат изобретения - снижение себестоимости готового продукта за счет использования более дешевых компонентов. Предварительно перемешанную исходную шихту, состоящую из порошка алюминия с площадью удельной поверхности менее 0,01 м2/г с содержанием основного вещества 79,4-99,8 мас.% и порошка оксида алюминия с площадью удельной поверхности менее 2,2 м2/г, сжигают в воздухе. Компоненты взяты в следующем соотношении, % мас.: алюминиевая пудра - 5-20, порошок оксида алюминия - остальное. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.
Изобретение относится к области получения высокоогнеупорных керамических материалов, в частности к получению оксинитрида алюминия, который может быть использован в качестве компонента керамики и металлокерамики для изготовления режущего инструмента, термостойких и теплопроводных элементов конструкций, а также в окислительных средах вместо нитрида алюминия и в сочетании с ним.
Известна шихта, состоящая из порошков оксида алюминия и углерода (сажи), для получения оксинитрида алюминия карботермическим азотированием по реакции:
2Al2О3+C+2N2=4AlON+CO2
(Li, Y., Yuan, R. Journal of Material Science Letter, 1997, Vol.16, pp.185-186). Синтез осуществляется в высокочистом азоте (содержание кислорода 7 p.p.m.) при температуре 1400-1600°С в течение 2 часов с добавкой до 10% оксида магния в качестве стабилизатора.
Недостатком шихты, взятой в качестве аналога, являются большие энергозатраты, связанные с использованием высокочистого азота и необходимостью обжига при высоких температурах, а также загрязнение готового продукта оксидом магния, что приводит к ухудшению функциональных характеристик керамики.
Наиболее близкой по составу является шихта для получения оксинитрида алюминия (см. патент РФ № 2171793, кл. С 04 В 35/581, С 01 B 21/072 опубл. 10.08.01 г.). В прототипе ультрадисперсный порошок (УДП) оксида алюминия смешивают с порошком алюминия средней дисперсности и сжигают в воздухе. Процесс горения свободно насыпанной смеси порошков инициируют с помощью нихромовой или вольфрамовой спирали. При исходном соотношении компонентов (УДП Al2О3/АСД-1=60/40 мас.%) получается порошок, который по данным рентгенофазового анализа содержит до 98,5% мас. оксинитрида алюминия.
К недостаткам прототипа относится использование дорогостоящих исходных компонентов - ультрадисперсного порошка оксида алюминия (среднеповерхностный размер частиц 0,1-0,01 мкм, площадь удельной поверхности 15-150 м2/г) и порошка алюминия средней дисперсности (среднеповерхностный размер частиц 80 мкм, площадь удельной поверхности 0,05-0,01 м2/г).
Основной технической задачей данного изобретения является снижение себестоимости готового продукта за счет замены в исходной шихте ультрадисперсного порошка оксида алюминия и порошка алюминия средней дисперсности более дешевыми грубодисперсными порошками, применяющимися в строительной промышленности: алюминиевой пудрой (ПАП-1 и/или ПАП-2) и оксидом алюминия марки ХЧ, имеющим площадь удельной поверхности менее 2,2 м2/г.
Поставленная техническая задача достигается тем, что в шихте для получения оксинитрида алюминия путем сжигания в воздухе смеси порошка алюминия и порошка оксида алюминия в качестве порошка алюминия используют промышленный порошок, характеризующийся площадью удельной поверхности менее 0,01 м2/г, с содержанием основного вещества 79,4-99,8% мас., а в качестве порошка оксида алюминия используют промышленный порошок, характеризующийся площадью удельной поверхности менее 2,2 м2/г, с содержанием основного вещества 88,4-100% мас., перед сжиганием порошки смешивают при следующем соотношении компонентов, % мас.:
| Порошок алюминия | - 5-20, |
| порошок оксида алюминия | - остальное. |
В примере конкретного выполнения используют алюминиевую пудру ПАП-2 или ПАП-1, имеющую площадь удельной поверхности 0,008 и 0,007 м2/г соответственно, и порошок оксида алюминия марки ХЧ (ТУ 6-09-973-71), имеющий площадь удельной поверхности 2,0 м2/г, или природный гамма-глинозём Ачинского месторождения, имеющий площадь удельной поверхности 1,0 м2/г.
Пример конкретного выполнения. Для синтеза оксинитрида алюминия были взяты навески по 10 г смесей следующего состава (массовых частей):
| Порошок алюминия | - 10, |
| порошок оксида алюминия | - 90. |
Затем исходные навески смешивали в сухом виде в барабанном смесителе в течение нескольких минут. Далее образцы подпрессовывались вручную при давлении 1 кгс/см2 для придания им формы таблеток или пластин и сжигались в воздухе. Инициирование процесса горения проводили нихромовой спиралью, нагретой до 600°С. После окончания горения и полного остывания образца до комнатной температуры получали легкоизмельчаемый спек.
Содержание оксинитрида алюминия в полученных образцах определялось по сумме результатов рентгенофазового и химического анализов (на содержание связанного азота).
Из данных таблицы №1 следует, что при содержании Al2О3 в исходной смеси более 95 мас.% горение не инициируется вследствие недостатка горючего, а при содержании пудры ПАП-2 более 20 мас.% выход оксинитрида алюминия составляет менее 10% мас. Таким образом, при сжигании в воздухе заявляемой шихты содержание оксинитрида алюминия в продуктах горения до 98,7%, что не уступает прототипу. Кроме того, в предлагаемой шихте отсутствуют дорогостоящие исходные компоненты - ультрадисперсный порошок оксида алюминия и порошок алюминия средней дисперсности, что приводит к снижению себестоимости конечного продукта.
| ШИХТА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОКСИНИТРИДА АЛЮМИНИЯ | ||||
| Табл. 1. | ||||
| Результаты экспериментов. | ||||
| № п/п | Содержание компонентов, мас.% | Содержание AlON в продуктах горения, | Примечание | |
| Пудра ПАП-2 | Al2O3 | мас.% | ||
| 1 | Менее 5 | Более 95 | - | Нет воспламенения |
| 1 | 5 | 95 | 84 | Заявляемый способ |
| 2 | 10 | 90 | 95,5 | |
| 3 | 15 | 85 | 98,7 | |
| 4 | 16 | 84 | 95,3 | |
| 5 | 18 | 82 | 66,8 | |
| 6 | 20 | 80 | 32,1 | |
| 7 | Более 20 | Менее 80 | Менее 10 | Низкий выход AlON |
1. Шихта для получения оксинитрида алюминия сжиганием в воздухе смеси порошка алюминия и порошка оксида алюминия, отличающаяся тем, что в качестве порошка алюминия используют промышленный порошок, характеризующийся площадью удельной поверхности менее 0,01 м2/г с содержанием основного вещества 79,4-99,8 мас.%, а в качестве порошка оксида алюминия используют промышленный порошок, характеризующийся площадью удельной поверхности менее 2,2 м2/г с содержанием основного вещества 88,4-100 мас.%, перед сжиганием порошки смешивают при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Порошок алюминия | 5-20 |
| Порошок оксида алюминия | Остальное |
2. Шихта по п.1, отличающаяся тем, что в качестве оксида алюминия используют α-, γ-, θ- и/или η-глинозем природного или искусственного происхождения.
