Шихта для изготовления ударостойкой керамики (варианты)
Изобретение относится к области производства ударостойкой керамики и может быть использовано для изготовления керамических бронеэлементов. Технический результат изобретения - разработка шихты для изготовления керамического материала с твердостью и прочностью, достаточными, чтобы противостоять воздействию ударно-динамических нагрузок. Шихта для изготовления керамики содержит карбид кремния, α-оксид алюминия и оксидсодержащую добавку, которая представляет собой смесь оксидов. Согласно первому варианту шихта содержит, масс.%: карбид кремния 30-40, α-оксид алюминия 34-50, диоксид кремния 11,8-25,2, оксид железа (III) 0,25-0,4, оксид кальция 0,2-0,4, диоксид титана 0,2-0,4, оксид магния 0,02-0,4, оксид калия 1,2-3,8, оксид натрия 0,3-1,2. Согласно второму варианту, шихта содержит компоненты в следующем соотношении, масс.%: карбид кремния 20-35, α-оксид алюминия 30-60, оксид кальция 5,0-15,0, диоксид циркония 5,0-15,0, каолин 10,0-17,0. 2 н.п. ф-лы, 6 пр.
Изобретение относится к области производства ударостойкой керамики и может быть использовано, в частности, для изготовления керамических бронеэлементов.
В настоящее время в области производства ударостойких керамических изделий большой интерес представляет использование керамики на основе карбида кремния [см., например, RU 2402507, RU 2455262], которая обладает значительной твердостью и низкой плотностью.
Однако технологии изготовления рассматриваемой керамики являются сложными, что обусловлено, в частности, необходимостью применения специальных приемов для предотвращения окисления карбида кремния. С этой целью процесс спекания осуществляют без доступа кислорода (в условиях вакуума или в атмосфере инертного газа) и при температурах выше 1600°С. Сложность технологии изготовления керамики приводит к увеличению ее стоимости.
Большее распространение в области изготовления ударостойких керамических изделий находит керамика на основе оксида алюминия (алюмооксидная керамика) [см., например, US 5147833]. Указанная керамика обладает высокими твердостью, прочностью, стойкостью к ударным нагрузкам. При этом спекание рассматриваемой керамики может быть проведено в воздушной атмосфере при относительно невысоких температурах.
Однако алюмооксидная керамика обладает большей плотностью, что приводит к повышению массы изготавливаемых с ее использованием изделий.
Известны керамические материалы на основе оксида алюминия и карбида кремния, сочетающие ряд положительных свойств двух вышерассмотренных видов керамики.
Так, известна шихта для изготовления керамического материала [RU 2031886], выбранная в качестве ближайшего аналога.
Рассматриваемая шихта содержит, масс.%: карбид кремния 20-75, α-оксид алюминия 20-79,5 и оксидсодержащую добавку 0,5-5, в качестве которой используют один из оксидов CaO, MgO, MnO, NiO, ZnO.
Керамика, получаемая из указанной шихты, используется для изготовления огнеупорных изделий, обладает значительной прочностью и легкостью, при этом процесс спекания шихты осуществляют в воздушной атмосфере при температурах до 1400°С.
Однако огнеупорный керамический материал, получаемый из рассматриваемой шихты, обладает высокой пористостью (25-45%), в результате чего характеристики рассматриваемого материала в отношении твердости и прочности не являются достаточными, чтобы противостоять воздействию ударно-динамических нагрузок.
Задачей заявляемого изобретения является разработка шихты для изготовления керамического материала, характеристики которого в отношении твердости и прочности являются достаточными, чтобы противостоять воздействию ударно-динамических нагрузок.
Поставленная задача по первому варианту изобретения решается тем, что шихта для изготовления керамики, содержащая карбид кремния, α-оксид алюминия и оксид содержащую добавку, согласно изобретению в качестве оксидсодержащей добавки содержит смесь диоксида кремния, оксида железа (III), оксида кальция, оксида магния, диоксида титана, оксида калия и оксида натрия при следующем соотношении компонентов в шихте, масс.%:
| карбид кремния | 30-40 |
| α-оксид алюминия | 34-50 |
| диоксид кремния | 11,8-25,2 |
| оксид железа (III) | 0,25-0,4 |
| оксид кальция | 0,2-0,4 |
| диоксид титана | 0,2-0,4 |
| оксид магния | 0,02-0,4 |
| оксид калия | 1,2-3,8 |
| оксид натрия | 0,3-1,2 |
Поставленная задача по второму варианту изобретения решается тем, что шихта для изготовления керамики, содержащая карбид кремния, α-оксид алюминия и оксидсодержащую добавку, согласно изобретению в качестве оксидсодержащей добавки содержит смесь оксида кальция, диоксида циркония и каолина при следующем соотношении компонентов в шихте, масс.%:
| карбид кремния | 20-35 |
| α-оксид алюминия | 30-60 |
| оксид кальция | 5,0-15,0 |
| диоксид циркония | 5,0-15 |
| каолин | 10,0-17,0 |
Качественный и количественный состав шихты для изготовления керамики по первому и второму вариантам изобретения были подобраны авторами заявляемого изобретения экспериментально.
Основу заявляемой шихты по первому и второму вариантам изобретения составляют карбид кремния (SiC) и α-оксид алюминия (α-Аl2О3), благодаря чему в изготавливаемой из шихты керамике обеспечивается комплекс полезных свойств, присущих как керамике на основе карбида кремния, так и алюмооксидной керамике, а именно изготовленная из заявляемой шихты керамика обладает значительной твердостью и прочностью при малой плотности, и при этом процесс спекания шихты оказывается возможным осуществлять в воздушной атмосфере при относительно невысоких температурах.
Принципиально важным является использование в заявляемой шихте оксид содержащей добавки специального состава.
По первому варианту изобретения оксидсодержащая добавка содержит смесь диоксида кремния (SiO2), оксида железа (III) (Fe3O3), оксида кальция (СаО), оксида магния (MgO), диоксида титана (ТiO2), оксида калия (К2O) и оксида натрия (Na2O) в указанных выше диапазонах количественного содержания.
По второму варианту изобретения оксидсодержащая добавка содержит смесь оксида кальция (СаО), диоксида циркония (ZrO2) и каолина в указанных выше диапазонах количественного содержания.
Благодаря наличию оксидсодержащей добавки указанного выше состава, как по первому, так и по второму вариантам выполнения изобретения, при проведении спекания керамики в атмосфере воздуха на поверхности спекаемого материала образуется тонкая окисная пленка, препятствующая дальнейшему окислению карбида кремния и, как следствие, его полному разрушению. При этом, как показали исследования, указанная пленка, будучи прочно связанной со спекаемым материалом, способствует как бы газостатическому уплотнению последнего и образованию его плотной беспористой структуры. Указанные факторы способствуют улучшению характеристик получаемой из шихты керамики в отношении твердости и прочности.
Таким образом, техническим результатом, достигаемым при реализации изобретения по первому и второму вариантам его выполнения, является получение шихты для изготовления керамического материала, характеристики которого в отношении твердости и прочности являются достаточными, чтобы противостоять воздействию ударно-динамических нагрузок.
Для получения шихты ее компоненты смешивают в требуемом массовом соотношении по известным технологиям с получением однородной смеси мелкодисперсных частиц шихты. В частности, используют технологию совместного мокрого или сухого помола компонентов шихты с одновременным их перемешиванием, например, в планетарной мельнице или вибромельнице. Размер полученных в результате совместного помола частиц в шихте - от 0,2 до 5 мкм.
Керамические изделия из шихты получают по традиционной технологии, включающей формование изделия, например, методом полусухого прессования, холодного или горячего литья, экструзии, последующую сушку полученной сырой заготовки и спекание (обжиг) при температуре 1300-1400°С в воздушной среде.
Возможность реализации заявляемого изобретения по первому варианту изобретения показана в примерах 1, 2, 3 конкретного выполнения.
Возможность реализации заявляемого изобретения по второму варианту изобретения показана в примерах 4, 5, 6 конкретного выполнения.
Пример 1.
Готовили шихту следующего состава, масс.%:
| SiC | 35,0 |
| α-Аl2О3 | 42.6 |
| SiO2 | 19.1 |
| Fе2O3 | 0,2 |
| CaO | 0,3 |
| TiO2 | 0,3 |
| MgO | 0,5 |
| K2O | 1,7 |
| Na2O | 0,3 |
Осуществляли мокрый помол и одновременное смешивание компонентов шихты в планетарной мельнице. Средний размер частиц в полученной после помола шихте составлял 0,4 мкм.
Температура спекания шихты составляла 1350°С.
Полученный после спекания шихты керамический материал имел следующие характеристики.
Плотность - 2,90 г/см3, твердость по Виккерсу (HV) - 13,6 ГПа, прочность при изгибе - 160 МПа, вязкость разрушения - 6,1 МПа·м-3/2, открытая пористость - 0%.
Пример 2.
Готовили шихту следующего состава, масс.%:
| SiC | 30,0 |
| α-Аl2О3 | 53,9 |
| SiO2 | 12,7 |
| Fе2О3 | 0,2 |
| CaO | 0,2 |
| TiO2 | 0,2 |
| MgO | 0,1 |
| К2O | 2,4 |
| Na2O | 0,3 |
Осуществляли мокрый помол и одновременное смешивание компонентов шихты в шаровой мельнице. Средний размер частиц в полученной после помола шихте составлял 0,4 мкм.
Температура спекания шихты составляла 1370°С.
Полученный после спекания шихты керамический материал имел следующие характеристики.
Плотность - 3,1 г/см3, твердость по Виккерсу (HV) - 12,5 ГПа, прочность при изгибе - 170 МПа, вязкость разрушения - 6,3 МН·м-3/2, открытая пористость - 0%.
Пример 3.
Готовили шихту следующего состава, масс.%:
| SiC | 40,0 |
| α-Аl2O3 | 40,0 |
| SiO2 | 16,9 |
| Fе2O3 | 0,3 |
| CaO | 0,3 |
| ТiO2 | 0,3 |
| MgO | 0,2 |
| К2O | 1,7 |
| Na2O | 0,3 |
Осуществляли мокрый помол и одновременное смешивание компонентов шихты в шаровой мельнице. Средний размер частиц в полученной после помола шихте составлял 0,3 мкм.
Температура спекания шихты составляла 1300°С.
Полученный после спекания шихты керамический материал имел следующие характеристики.
Плотность - 2,8 г/см3, твердость по Виккерсу (HV) - 12,3 ГПа, прочность при изгибе - 155 МПа, вязкость разрушения - 6,1 МН·м-3/2, открытая пористость - 0%.
Пример 4.
Готовили шихту следующего состава, масс.%:
| SiC | 20,0 |
| α-Аl2О3 | 59.5 |
| CaO | 5,5 |
| ZrO2 | 5,0 |
| каолин | 10,0 |
Осуществляли мокрый помол и одновременное смешивание компонентов шихты в шаровой мельнице. Средний размер частиц в полученной после помола шихте составлял 0,3 мкм.
Температура спекания шихты составляла 1350°С.
Полученный после спекания шихты керамический материал имел следующие характеристики.
Плотность - 3,0 г/см3, твердость по Виккерсу (HV) - 13,7 ГПа, прочность при изгибе - 180 МПа, вязкость разрушения - 6,2 МН·м-3/2, открытая пористость - 0%.
Пример 5.
Готовили шихту следующего состава, масс.%:
| SiC | 25,0 |
| α-Аl2О3 | 48,0 |
| CaO | 6,0 |
| ZrO2 | 8,0 |
| каолин | 13,0 |
Осуществляли мокрый помол и одновременное смешивание компонентов шихты в шаровой мельнице. Средний размер частиц в полученной после помола шихте составлял 0,3 мкм.
Температура спекания шихты составляла 1360°С.
Полученный после спекания шихты керамический материал имел следующие характеристики.
Плотность - 3,0 г/см3, твердость по Виккерсу (HV) - 13,0 ГПа, прочность при изгибе - 160 МПа, вязкость разрушения - 6,1 MH·м-3/2, открытая пористость - 0%.
Пример 6.
Готовили шихту следующего состава, масс.%:
| SiC | 35,0 |
| α-Аl2O3 | 35,0 |
| CaO | 7,2 |
| ZrO2 | 10,0 |
| каолин | 12,8 |
Осуществляли мокрый помол и одновременное смешивание компонентов шихты в шаровой мельнице. Средний размер частиц в полученной после помола шихте составлял 0,3 мкм.
Температура спекания шихты составляла 1330°С.
Полученный после спекания шихты керамический материал имел следующие характеристики.
Плотность - 2,9 г/см3, твердость по Виккерсу (HV) - 12,1 ГПа, прочность при изгибе - 155 МПа, вязкость разрушения - 5,9 МН·м-3/2, открытая пористость - 0%.
Как видно из примеров конкретного выполнения, керамический материал, полученный из заявляемой шихты, как по первому, так и по второму вариантам выполнения изобретения, имеет плотную беспористую структуру, обладает характеристиками в отношении твердости и прочности, достаточными, чтобы противостоять воздействию ударно- динамических нагрузок, имеет относительно небольшую плотность. Температура спекания шихты является относительно низкой и не превышает 1400°С.
Баллистические испытания бронеблока, содержащего расположенные на стандартной арамидной подложке пластины 50×50×8,5 мм, изготовленные из материала, полученного из заявляемой шихты, показали, что его ударостойкость соответствует 5 классу защиты по ГОСТ 50744-95. "Бронеодежда. Классификация и общие технические требования".
Материалу, изготовляемому из заявляемой шихты, присвоено наименование АЛС.
1. Шихта для изготовления керамики, содержащая карбид кремния, α-оксид алюминия и оксидcодержащую добавку, отличающаяся тем, что в качестве оксидсодержащей добавки шихта содержит смесь диоксида кремния, оксида железа (III), оксида кальция, оксида магния, диоксида титана, оксида калия и оксида натрия при следующем соотношении компонентов в шихте, масс.%:
| карбид кремния | 30-40 |
| α-оксид алюминия | 34-50 |
| диоксид кремния | 11,8-25,2 |
| оксид железа (III) | 0,25-0,4 |
| оксид кальция | 0,2-0,4 |
| диоксид титана | 0,2-0,4 |
| оксид магния | 0,02-0,4 |
| оксид калия | 1,2-3,8 |
| оксид натрия | 0,3-1,2 |
2. Шихта для изготовления керамики, содержащая карбид кремния, α-оксид алюминия и оксидсодержащую добавку, отличающаяся тем, что в качестве оксидсодержащей добавки шихта содержит смесь оксида кальция, диоксида циркония и каолина при следующем соотношении компонентов в шихте, масс.%:
| карбид кремния | 20-35 |
| α-оксид алюминия | 30-60 |
| оксид кальция | 5,0-15,0 |
| диоксид циркония | 5,0-15 |
| каолин | 10,0-17,0 |
