Способ получения изделий на основе оксида алюминия
Владельцы патента RU 2322422:
Федеральное государственное унитарное предприятие Научно-исследовательский Институт Научно-производственное объединение "Луч" (RU)
Изобретение относится к производству керамических изделий, в частности к получению материалов на основе оксида алюминия, которые используются при изготовлении износостойких керамических деталей. Предложен способ получения изделий на основе оксида алюминия, который включает смешивание предварительно отожженного оксида алюминия с добавками оксидов кремния, кальция, магния и бора с одновременным мокрым их измельчением в шаровой мельнице, сушку порошка с последующим отжигом на воздухе, сухое измельчение, формование с пластификатором, отгонку пластификатора, механическую обработку заготовки, спекание, при этом в исходную шихту вводят компоненты в следующих количествах (мас.%): В2О3 5,0-7,0, SiO2 3,0-4,3, CaO 4,0-5,7, MgO 0,3-0,4, Al2O3 - остальное. Отжиг высушенного порошка проводят при температуре 950-1050°С, а спекание заготовок осуществляют при температуре 1275-1295°С. Техническим результатом изобретения является упрощение способа получения изделий на основе оксида алюминия при одновременном достижении их высоких характеристик по плотности, прочности и твердости. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.
Изобретение относится к производству керамических изделий, в частности к получению материалов на основе оксида алюминия, которые используются при изготовлении износостойких керамических деталей.
Известен способ изготовления керамического материала на основе оксида алюминия, который включает измельчение и смешение глинозема со спекающими добавками, прессование и спекание керамики при температуре 1500-1550°С, причем глинозем смешивают со стеклодобавкой - минерализатором, содержащей оксиды кремния, кальция, бора и фторидсодержащую добавку, при их общем максимальном содержании в оксиде алюминия порядка 7 мас.% (см. патент РФ №2119901, МПК6 С04В 35/10, опубл. 10.10.98). Недостатком этого способа является высокая температура спекания материала, что усложняет технологию его изготовления.
Известен способ изготовления корундовой керамики, в котором основной корундообразующий компонент шихты - глинозем ГК и/или гидрооксид алюминия в пересчете на оксид алюминия (88-92 мас.%) смешивают с предварительно спеченной стеклодобавкой - минерализатором (8-12 мас.%), при этом стеклодобавка содержит оксиды магния, кальция, кремния и бора, взятые в массовом соотношении 0,5:0,5:1:1, шихту синтезируют при 1350°С, снова измельчают в вибромельнице, формуют заготовки прессованием при усилии 80-100 МПа, сушат на воздухе и спекают при температуре 1440-1460°С (см. патент РФ №2171244, МПК7 С04В 35/111, опубл. 27.07.01). Этот способ позволил снизить температуру спекания материала и изделий из него, однако и он не лишен недостатков, указанных выше.
Известен керамический материал на основе оксида алюминия, который содержит 3,0-5,8% оксида кальция, 2,0-4,4% оксида кремния, 2,0-4,4% оксида бора и 0,3-0,4 оксида магния (см. патент РФ №2145312, МПК7 С04В 35/111, опубл. 10.02.2000). Описанный в патенте состав материала и способ изготовления изделий из этого материала является наиболее близким к заявляемому. Технология изготовления вполне традиционна и включает операции смешивания компонентов шихты в шаровой мельнице в присутствии воды и мелющих тел в течение 10-12 часов. После сушки и гранулирования смесь отжигали на воздухе при 1300-1330°С. Отожженный порошок размалывали в шаровой мельнице, смешивали с пластификатором и прессовали образцы, которые спекали при температуре 1330-1440°С. Получали плотные изделия с практически нулевым водопоглощением. Недостатком данного изобретения при его использовании является сложность проведения операции измельчения после отжига вследствие получения из шихты данного состава плотного спека, требующего длительного помола в мельнице с железными шарами в течение порядка 40 часов, что загрязняло исходный материал и, в конечном счете, усложняло технологию получения изделий с требуемыми характеристиками по плотности и прочности.
Задачей изобретения было упростить способ получения изделий на основе оксида алюминия при одновременном достижении их высоких характеристик по плотности, прочности и твердости.
Поставленная задача решается тем, что предложен способ получения изделий на основе оксида алюминия, включающий смешивание предварительно отожженного оксида алюминия с добавками оксидов кремния, кальция, магния и бора с одновременным их мокрым измельчением в шаровой мельнице, сушку порошка с последующим отжигом его на воздухе, сухое измельчение, формование с пластификатором, отгонку пластификатора, механическую обработку заготовки, спекание, в котором количество вводимой добавки оксида бора составляет не менее 5 мас.% при содержании общей суммы вводимых оксидов не более 17,4 мас.%, отжиг высушенного порошка проводят при температуре 950-1050°С, а спекание полученных заготовок осуществляют при температуре 1275-1295°С. При этом в исходную шихту, содержащую отожженный оксид алюминия, вводят добавки оксидов при следующем их содержании, мас.%: оксид кремния 3,0-4,3; оксид кальция 4,0-5,7; оксид бора 5,0-7,0; оксид магния 0,3-0,4. Сухое измельчение осуществляют в течение 6-8 часов в мельнице, футерованной материалом состава изготавливаемого изделия и с мелющими телами того же состава. Формование осуществляют путем гидростатического прессования, при этом в качестве пластификатора используют дистиллированную воду, взятую в количестве 4-6 мас.%, а отгонку пластификатора проводят в интервале температур 860-900°С. Механическую обработку изделия перед спеканием осуществляют резцом со вставной головкой, выполненной из керамики состава изготавливаемого изделия.
Отличием предлагаемого способа от известного является введение в новом количественном составе в шихту добавки оксида бора, а также иные режимные характеристики, указанные выше, в частности, температуры отжига и спекания. Увеличение содержания оксида бора в предлагаемом интервале концентраций позволило снизить температуру отжига высушенного порошка (для образования эвтектической составляющей его компонентов) до 1000±50°С и получить тем самым непрочный спек, требующий кратковременного сухого измельчения в мельнице с керамическими шарами, что позволило избежать загрязнения материала примесями железа, в сравнении с прототипом, и в совокупности с другими признаками, а именно с более низкой температурой спекания, в свою очередь, позволило упростить и удешевить технологию изготовления изделий при одновременном достижении их высоких характеристик по плотности, прочности и твердости. Для формования крупногабаритных изделий предпочтительнее использовать гидростатическое прессование с использованием в качестве пластификатора дистиллированной воды, что проще и дешевле, чем использовать органические пластификаторы. Для получения заготовок, обладающих достаточной прочностью, позволяющей проводить их механическую обработку перед спеканием без разрушения и изменения геометрических размеров, отгонку пластификатора осуществляют в интервале температур 860-900°С.
Из предшествующего уровня техники известны отдельные признаки и приемы, используемые при изготовлении изделий на основе оксида алюминия. Однако сама по себе известность отдельных признаков, операций и технологических приемов не приводила к получению изделий с требуемыми по качеству характеристиками. На основании проведенных авторами многочисленных опытов и экспериментов было выявлено, что при использовании новой совокупности признаков, найденной и заявленной авторами, достигается новый технический результат, а именно получение плотных, прочных изделий на основе оксида алюминия при упрощении технологии их изготовлении. Возможность получения качественных изделий при более низкой температуре спекания, кроме того, позволяет увеличить срок службы нагревательных элементов печного оборудования. Выход за пределы заявляемых качественных и количественных режимных характеристик не позволяет получить указанный технический эффект.
Заявляемый способ осуществляют следующим образом.
Глинозем марки Г-000 предварительно отжигают на воздухе при 1200±50°С для его полного перехода в стабильную α-фазу. Исходные компоненты смешивают в следующем соотношении (мас.%): оксид алюминия 82,6-87,7; оксид кремния 3-4,3; оксид кальция 4-5,7; оксид магния 0,3-0,4; борная кислота (в перерасчете на оксид бора) 5,0-7,0; и измельчают мокрым помолом в шаровой мельнице в течение не менее 20 часов при соотношении порошок : вода : шары, равном 1:1:3. Обезвоживание полученной суспензии проводят в распылительной сушилке при температуре 300±50°С. Высушенный порошок отжигают в корундовых капселях при 950-1050°С в течение 1-3 часов на воздухе. Отожженный порошок просеивают, затем сухим способом измельчают в течение 6-8 часов в шаровой мельнице, футерованной материалом состава изготавливаемого изделия с мелющими телами того же состава. После чего вводят пластификатор - дистиллированную воду в количестве 4-6 мас.%, формуют гидростатическим прессованием изделия при давлении 75-100 МПа, отгоняют пластификатор при температуре 880±20°С. Механическую обработку изделий перед спеканием осуществляют резцом со вставной головкой, выполненной из керамики состава изготавливаемого изделия. Спекают изделия на воздухе при температуре 1285±10°С с выдержкой в течение 1-3 часов. Полученные изделия подвергают алмазно-механической обработке и проводят испытания на гидростатическую плотность, твердость, прочность на сжатие. Плотность и пористость изделий измеряли гидростатическим методом, предел прочности на сжатие - на приборе ИП 2000-0, твердость по Виккерсу - на твердомере ТП-7Р-1 (ГОСТ 2999-75).
Более детальное существо предлагаемого способа раскрывается при помощи нижеприведенных примеров конкретного выполнения.
Пример 1.
Для осуществления предлагаемого способа использовали глинозем марки Г-000 (ГОСТ 30558-98), оксид кремния (ГОСТ 9428-73), оксид кальция (ГОСТ 86-77-76), борную кислоту (ГОСТ 9656-75 изм. 1, 2, 3), оксид магния (ГОСТ 4526-75). Исходный порошок глинозема обжигали на воздухе при 1250°С в течение 5 часов. Затем смешивали и одновременно измельчали исходные компоненты, взятые в следующих количествах, мас.%: оксид алюминия - 82,6; оксид кремния - 4,3; оксид кальция - 5,7; борная кислота (в перерасчете на оксид бора) - 7,0; оксид магния - 0,4. Смешивание и мокрый помол осуществляли в шаровой мельнице в течение 24 часов при соотношении порошок : дистиллированная вода : шары, равном соответственно 1:1:3. Затем проводили распылительную сушку измельченного порошка при 340°С. После чего осуществляли отжиг высушенного порошка на воздухе при 1000°С в течение 3 часов. Получали неплотный спек, который легко подвергался сухому помолу в шаровой мельнице с керамическими шарами в течение 6 часов при соотношении порошок : шары, равном соответственно 1,5:1. Удельная поверхность полученного порошка составляла 800 м2/кг. В измельченный порошок вводили пластификатор - дистиллированную воду - в количестве 6 мас.% и осуществляли гидростатическое прессование заготовок при давлении 100 МПа. Отгонку пластификатора из формованной заготовки проводили, сначала нагревая сформованные заготовки до 400°С со скоростью 100°С/ч с выдержкой при этой температуре в течение 1 часа, затем повышая температуру до 900°С со скоростью нагрева 200°С и выдержкой при этой температуре в течение 1 часа. Затем проводили токарную обработку заготовок резцом со вставной головкой из состава изготавливаемого изделия для придания им требуемых геометрических размеров. Получали изделия диаметром 14-15 мм и высотой 12-13 мм. После чего окончательно спекали заготовки на воздухе при температуре 1275°С с выдержкой при этой температуре в течение 1 часа. Значения плотности, предела прочности на сжатие и твердости полученных изделий приведены в таблице.
Пример 2 выполнен аналогично примеру 1, за исключением состава исходного порошка (содержания оксидов бора и алюминия).
Пример 3 выполнен также аналогично примеру 1, за исключением содержания оксидов бора и алюминия в смеси исходного порошка, температуры отжига высушенного порошка и стадии измельчения отожженного порошка, которые соответствовали условиям прототипа. Порошок, содержащий оксид бора в количестве 4.4 мас.%, был отожжен при температуре 1300°С. В результате получили плотный спек, который можно было измельчить только в металлической мельнице с железными шарами в течение 40 часов. Основные результаты этих примеров отражены в нижеприведенной таблице. Анализ данных по плотности, прочности и по твердости изделий, полученных в соответствии с заявленной совокупностью признаков, и примером 3 свидетельствует о хорошем качестве полученных изделий при одновременном упрощении технологии их изготовления.
| Таблица. | |||
| Номер примера | 1 | 2 | 3 |
| Содержание добавок в исходной смеси, мас.% | |||
| - оксид бора | 7,0 | 5,0 | 4,4 |
| - общая сумма оксидов | 17,4 | 15,4 | 14,8 |
| Температура, °С | |||
| - отжиг | 1000 | 1000 | 1300 |
| - спекание | 1275 | 1275 | 1275 |
| Плотность | |||
| - г/см3 | 3,45 | 3,32 | 3,20 |
| - относительная, % | 100,0 | 97,6 | 92,7 |
| Пористость, % | |||
| - открытая | 0,0 | 0,5 | 1,6 |
| - закрытая | 0,0 | 1,9 | 5,7 |
| Предел прочности на сжатие, МПа | 187,0 | 154,5 | 111,7 |
| Твердость, МПа | 9110 | 7980 | 7530 |
Таким образом, предлагаемый способ позволяет получить изделия на основе оксида алюминия, обладающими высокими значениями по плотности, прочности и твердости, что позволяет использовать их в качестве элементов для волочильных машин, например, тяговых колец. Проведенные испытания опытных образцов на предприятиях кабельной промышленности показали возможность их длительного использования для волочения медной проволоки.
1. Способ получения изделий на основе оксида алюминия, включающий смешивание предварительно отожженного оксида алюминия с добавками оксидов кремния, кальция, магния и бора с одновременным их мокрым измельчением в шаровой мельнице, сушку порошка с последующим отжигом его на воздухе, измельчение, формование с пластификатором, отгонку пластификатора, спекание, отличающийся тем, что в исходную шихту вводят компоненты в следующих количествах, мас.%:
| В2О3 | 5,0-7,0 |
| SiO2 | 3,0-4,3 |
| CaO | 4,0-5,7 |
| MgO | 0,3-0,4 |
| Al2O3 | остальное, |
при этом отжиг высушенного порошка проводят при температуре 950-1050°С, перед спеканием осуществляют механическую обработку заготовки, а спекание заготовок осуществляют при температуре 1275-1295°С.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после отжига осуществляют сухое измельчение в течение 6-8 ч в мельнице, футерованной материалом состава изготавливаемого изделия и с мелющими телами того же состава.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что формование осуществляют путем гидростатического прессования, при этом в качестве пластификатора используют дистиллированную воду, взятую в количестве 4-6 мас.%, а отгонку пластификатора проводят при температуре 860-900°С.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что механическую обработку изделия осуществляют резцом со вставной головкой, выполненной из керамики состава изготавливаемого изделия.
