Шихта на основе оксида алюминия и способ получения прочной керамики



Шихта на основе оксида алюминия и способ получения прочной керамики
Шихта на основе оксида алюминия и способ получения прочной керамики

 


Владельцы патента RU 2534864:

Закрытое акционерное общество "НЭВЗ-КЕРАМИКС" (RU)
Холдинговая компания "Новосибирский Электровакуумный Завод-Союз" в форме открытого акционерного общества (RU)

Изобретение относится к технологии получения керамического материала с высокими прочностными характеристиками и может быть использовано для изготовления износо- и химически стойких изделий, а также для изготовления изделий военной техники, а именно керамических бронеэлементов. Шихта на основе оксида алюминия содержит минерализующую добавку. Минерализующая добавка состоит из эвтектической добавки системы MgO-Al2O3-SiO2, оксида магния и оксида иттрия. Компоненты шихты содержатся в следующем соотношении, мас.%: Al2O3 97,50-98,70, SiO2 0,60-0,70, MgO 0,43-0,80, Y2O3 0-0,30. Для приготовления эвтектической добавки смешивают глинозем, оксид кремния и оксид магния, затем проводят термообработку при температуре 1280±20°С (ниже температуры эвтектики). Спек измельчают до получения мелкозернистых порошков. Методом мокрого помола в водной среде смешивают глинозём и минерализующие добавки в соответствии с заявленным соотношением, получают пресс-порошок методом распылительной сушки, прессуют и обжигают изделия. Обжиг керамики проводят в тоннельной печи при температуре 1650-1680°С и выдержке 1-2 ч. Достигается повышение прочностных характеристик керамического материала и снижение себестоимости керамического материала. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 пр., 1 табл., 2 ил.

 

Изобретение относится к технологии получения керамического материала с высокими прочностными характеристиками и может быть использовано для изготовления износо- и химически стойких изделий, элементов электротехнической и обрабатывающей промышленностей, а также для изготовления изделий военной техники, в частности для изготовления керамических бронеэлементов для баллистической защиты личного состава и военной техники.

Известен способ получения керамики на основе оксида алюминия Al2O3 с эвтектической добавкой, включающей SiO2, CaO, MgO (A.S.Kosmos, L.I.Belie, D.Susnic Additives in coarse grain alumina ceramics for metallization / Fizika A. - V.5, Is. 2, 1996. - P.85-90). Эвтектическая добавка приготавливается путем сухого смешивания исходных компонентов, прессования брикетов из полученной порошкообразной смеси и получения стекла плавлением брикетов при 1550°C в течение 1 ч с последующей закалкой в воде и измельчением. Смешение 2 мас.% добавки с глиноземом производится в планетарной мельнице в течение 1 ч. Из полученной шихты методом прессования формуются изделия, которые обжигаются в электрической печи при температуре 1700-1750°С. Недостатками предлагаемого метода являются высокая температура обжига 1700-1750°C, большая выдержка 4 часа и, как следствие, крупнокристаллическая структура (размер зерен более 15 мкм), которая приводит к снижению прочностных характеристик.

Известно техническое решение по патенту США №6159885 (опубл. 12.12.2000, С04В 35/10) «Спеченный материал на основе оксида алюминия». Однородный материал изготавливают на основе оксида алюминия с добавкой, содержащей MgO, СаСО3, SiO2. Все компоненты смешиваются в водной среде. Спеченный материал приготавливается на основе субмикронного порошка глинозема со средним размером частиц 0,68 мкм. Из полученной суспензии методом распылительной сушки приготавливается пресс-порошок. Из пресс-порошка формуются изделия на гидростатическом прессе, которые затем обжигаются при 1650°С и выдержке 2 часа. Недостатками материала и способа его получения является использование исходного глинозема с высокой дисперсностью, что удорожает технологию, прессование изделий на гидростатическом прессе и усложняет технологию, кроме того, полученный материал имеет низкий предел прочности при изгибе 320 МПа.

Известен также способ получения керамического материала, описанный в патенте США №3905845 (опубл. 16.09.1975, С04В 35/10) «Полупрозрачная окись алюминия, содержащая окиси магния, иттрия и лантана». Керамический материал содержит Al2O3≥99 мас.%, Y2O3 0,05-0,5 мас.%, La2O3 0,5 мас.%, MgO 0,01-0,1 мас.%. Сырые образцы на основе шихты, приготовленной путем тщательного смешивания указанных компонентов, предварительно обжигаются при 1200-1450°C, затем осуществляется окончательный обжиг в вакууме до 1800°C. Недостатком предложенного способа являются высокая температура обжига, необходимость проведения обжига в вакууме, предварительная термообработка сырых образцов, высокое содержание дорогостоящих оксидов редкоземельных элементов в шихте.

Наиболее близким аналогом (прототипом) является керамический материал на основе оксида алюминия с добавками оксидов различных элементов (патент РФ №2096384, пр. от 20.11.1997, С04В 35/111, «Керамический материал»). Керамический материал на основе оксида алюминия содержит в качестве минерализующихся добавок оксиды магния, кремния и титана, а также примеси оксида кальция, оксида железа, оксида натрия, находящиеся в исходных компонентах, дополнительно содержит оксид иттрия при следующем соотношении компонентов: оксид алюминия 95,025 вес.%, оксид кремния 1,25 вес.%, оксид кальция 0,005 вес.%, оксид железа 0,04 вес.%, оксид магния 0,63 вес.%, оксид титана 2,0 вес.%, оксид иттрия 1,0 вес.%, оксид натрия 0,05 вес.%. Недостатками материала являются:

- невысокий предел прочности при изгибе 423 МПа;

- присутствие добавки оксида титана, увеличивающего рост зерна, снижающего прочностные характеристики и соответственно отрицательно сказывающегося на баллистической стойкости материала,

- присутствие значительного количества примесей в тальке, отрицательно сказывающихся на свойствах керамики;

- нестабильность состава талька;

- высокое содержание оксида иттрия, являющегося дорогостоящим компонентом.

Керамический материал был получен следующим способом.

В качестве исходных материалов использовались глинозем марки ГОО, ГК, ГН, оксид титана, оксид иттрия и тальк кусковой Онотского месторождения, в состав которого входят оксид магния, оксид кремния и примеси оксида кальция, оксида железа, оксида натрия, находящиеся в исходных компонентах.

Тальк предварительно сортируют, дробят и обжигают при температуре 1170°C. Все исходные компоненты керамического материала диспергируют отдельно в разных мельницах. Смешивание компонентов мокрым помолом производят в шаровой мельнице с использованием дистиллированной воды. Приготовленную суспензию (в прототипе шликер) обезвоживают, высушивают, просеивают, прокаливают при 900°С, опять просеивают, отмагничивают. Из полученной шихты приготавливают пресс-порошок, из которого прессуют заготовки двусторонним прессованием на гидравлических прессах (фиг.1).

Недостатками способа являются:

- возможное непостоянство химического состава минерализирующей добавки из талька в связи с его природным происхождением и вследствие этого нестабильная температура образования расплава, что может привести к непостоянству свойств керамического материала;

- необходимость прокаливания всей массы при 900°C перед приготовлением пресс-порошка, что усложняет технологию изготовления керамики;

- необходимость обезвоживания и сушки суспензии, просеивания и отмагничивания шихты, что также усложняет технологию изготовления керамики.

Технической задачей данного изобретения является повышение прочностных характеристик керамического материала, снижение себестоимости керамического материала за счет упрощения технологии и уменьшения количества дорогостоящих компонентов.

Технический результат при осуществлении изобретения достигается за счет того, что шихта на основе оксида алюминия, содержащая минерализующую добавку, которая состоит из эвтектической добавки системы MgO-Al2O3-SiO2, оксида магния и оксида иттрия. Компоненты шихты содержатся в следующем соотношении, мас.%:

Al2O3 97,50-98,70
SiO2 0,60-0,70
MgO 0,43-0,80
Y2O3 0-0,30

Для реализации способа получения прочной керамики используется вышеуказанная шихта на основе оксида алюминия. В качестве оксида алюминия используется глинозем. Приготовление шихты включает в себя приготовление эвтектической добавки, смешивание компонентов, последующую термообработку, измельчение спека до получения мелкозернистых порошков и введение в качестве добавки оксида иттрия. Затем методом мокрого помола в водной среде смешивают компоненты и получают суспензию для приготовления пресс-порошка. Готовят пресс-порошок, формуют изделия методом прессования и обжигают. Эвтектическую добавку готовят путем смешивания глинозема, оксида кремния и оксида магния, при этом термообработку проводят при температуре ниже температуры эвтектики 1280±20°C, а пресс-порошок получают из суспензии порошков глинозема, приготовленной эвтектической добавки, оксида иттрия и оксида магния. Пресс-порошок из суспензии может быть получен методом распылительной сушки. Обжиг керамики может быть проведен в тоннельной печи при температуре 1650-1680°C и выдержке 1-2 ч.

На фиг.1 представлена блок-схема способа получения керамического материала-прототипа. На фиг.2 представлена блок-схема предлагаемого способа получения прочной керамики.

Технический результат повышения прочностных характеристик материала достигается за счет увеличения содержания в шихте оксида алюминия и использования минерализующей добавки, представляющей собой смесь предварительно приготовленной эвтектической добавки системы MgO-Al2O3-SiO2 и оксидов Y2O3 и MgO.

Увеличение содержания в шихте оксида алюминия достигнуто главным образом за счет исключения из состава шихты оксида титана, который, снижая температуру спекания керамики, приводит к резкому росту ее зерна и тем самым существенно снижает прочностные свойства. В прототипе для компенсации роста зерна, вызванного присутствием оксида титана, дополнительно вводится оксид иттрия, который ограничивает рост зерна в спеченной керамике, упрочняя ее. Таким образом, при исключении оксида титана из состава керамики была увеличена прочность за счет увеличения доли оксида алюминия и снижена массовая доля добавки оксида иттрия, обеспечивая тем самым технический результат по снижению себестоимости полученной керамики.

Технический результат в способе получения прочной керамики достигается за счет приготовления эвтектической добавки, представляющей собой смесь оксидов, которая обеспечивает спекание корунда до плотного состояния за счет образования жидкой фазы. Меньшее количество примесей в исходных компонентах добавки по сравнению с добавкой, используемой в прототипе, позволяет улучшить свойства материала. Возможность точно выбирать соотношение компонентов добавок обеспечивает достижение поставленной задачи, в частности, по прочности керамики. Оксид иттрия уменьшает рост кристаллов, позволяет сохранять мелкозернистую структуру, уменьшает внутрикристаллическую пористость и микротрещины, таким образом повышает прочностные характеристики. Оксид магния интенсивно задерживает рост кристаллов, способствует образованию мелкозернистой структуры: тормозящий рост кристаллов объясняется образованием на поверхности корунда микронных прослоек магнезиальной шпинели MgO·Al2O3, также он увеличивает поверхностную диффузию, что приводит к мобильности пор, уменьшает скорость усадки и поверхностное натяжение и в целом существенно упрочняет алюмооксидную керамику.

Необходимость термообработки смеси компонентов эвтектической добавки обусловлена тем, что добавка вводится в небольшом количестве, и если ввести ее в виде отдельных оксидов, то эти компоненты рассредоточатся по объему глинозема и будут действовать как отдельные добавки. Термообработка смеси обеспечивает образование первичных контактов компонентов добавки. При этом наилучшие результаты могут быть получены при температуре термобработки ниже температуры эвтектики, а именно при 1280±20°С.

Керамический материал получают следующим образом. Сначала готовят эвтектическую добавку, используя глинозем, оксид кремния и соль магния. Смесь компонентов подвергают термообработке при 1280±20°C. Спек измельчают до состояния, при котором средний размер частиц равен 1-2 мкм. Затем смешивают мокрым способом глинозем, эвтектическую добавку системы MgO-Al2O3-SiO2 и оксидов Y2O3 и MgO. Полученную суспензию распыляют в сушиле с получением пресс-порошка, из которого прессуют и обжигают изделия прочной керамики.

Затраты на увеличение температуры обжига сырых изделий компенсируются за счет отсутствия ряда операций: обезвоживания, сушки и термообработки всей массы после смешивания компонентов.

Примеры конкретного выполнения

Пример 1. Эвтектическую добавку готовят, используя 21 мас.% глинозем, 60 мас.% оксид кремния и 19 мас.% (в пересчете на MgO) соль магния. Смесь компонентов подвергают термообработке при 1280°C. Спек измельчают до состояния, при котором средний размер частиц равен 1-2 мкм.

Затем смешивают мокрым способом глинозем, 1 мас.% минерализатор и модификаторы: 0,23 мас.% Y2O3, 0,27 мас.% (в пересчете на MgO) соль магния. К суспензии добавляют связку и пластификатор. Из полученной массы с помощью распылительного сушила готовят пресс-порошок, из которого методом одноосного прессования формуют образцы. Обжиг проводят в тоннельной печи непрерывного действия при температуре Тобжига=1650°C.

Пример 2. Эвтектическую добавку готовят, используя 16 мас.% глинозем, 62 мас.% оксид кремния и 22 мас.% (в пересчете на MgO) соль магния. Смесь компонентов подвергают термообработке при 1280°C. Спек измельчают до состояния, при котором средний размер частиц равен 1-2 мкм.

Затем смешивают мокрым способом глинозем, 1 мас.% минерализатор и модификаторы: 0,3 мас.% Y2O3, 0,5 мас.% (в пересчете на MgO) соль магния. К суспензии добавляют связку и пластификатор. Из полученной массы с помощью распылительного сушила готовят пресс-порошок, из которого методом одноосного прессования формуют образцы. Обжиг проводят в тоннельной печи непрерывного действия при температуре Тобжига=1650°C.

Пример 3. Эвтектическую добавку готовят, используя 16 мас.% глинозем, 62 мас.% оксид кремния и 22 мас.% (в пересчете на MgO) соль магния. Смесь компонентов подвергают термообработке при 1280°C. Спек измельчают до состояния, при котором средний размер частиц равен 1-2 мкм.

Затем смешивают мокрым способом глинозем, 1,2 мас.% минерализатор и модификатор 0,3 мас.% (в пересчете на MgO) соль магния. К суспензии добавляют связку и пластификатор. Из полученной массы с помощью распылительного сушила готовят пресс-порошок, из которого методом одноосного прессования формуют образцы. Обжиг проводят в тоннельной печи непрерывного действия при температуре обжига 1650°C.

В таблице 1 приведены свойства полученного материала в сравнении с прототипом. Использование минерализующей добавки, включающей эвтектическую добавку, оксид иттрия и оксид магния, позволяет получать керамику со значительной прочностью. При исключении оксида иттрия из состава снижаются прочностные характеристики. При снижении количества эвтектической добавки снижается плотность и прочность.

Таблица 1
Показатели По предлагаемому способу По прототипу
Пример 1 Пример 2 Пример 3
Исходный размер частиц глинозема, мкм 1-1,2 1-1,2 2,0-2,2 -
Температура обжига, °C 1650 1650 1680 1440
Выдержка, ч 1 2 2 -
Средний размер зерен керамики, мкм 6-8 8-9 10-12 -
Плотность, г/см3 3,84 3,82 3,79 -
Предел прочности при статическом изгибе, МПа 442 436 425 423
Микротвердость, ГПа 17,36 17,69 15,49 -
Коэффициент трещиностойкости, МПа·м0,5 3,76 4,1 3,54 -
Модуль упругости, ГПа 421 405 380 -

1. Шихта на основе оксида алюминия, содержащая минерализующую добавку, которая состоит из эвтектической добавки системы MgO-Al2O3-SiO2, оксида магния и оксида иттрия, отличающаяся тем, что компоненты, входящие в состав шихты, содержатся в следующем соотношении, мас.%:

Аl2O3 97,50-98,70
SiO2 0,60-0,70
MgO 0,43-0,80
Y2O3 0-0,30

2. Способ получения прочной керамики, состоящий из приготовления шихты на основе оксида алюминия, в качестве которого используется глинозем, заключающегося в приготовлении эвтектической добавки, смешивании компонентов, последующей термообработки, измельчении спека до получения мелкозернистых порошков и введении в качестве добавки оксида иттрия, затем смешивания методом мокрого помола в водной среде и получения суспензии, приготовления пресс-порошка, формования изделий методом прессования и последующий обжиг, отличающийся тем, что эвтектическую добавку готовят путем смешивания глинозема, оксида кремния и оксида магния, при этом термообработку проводят при температуре ниже температуры эвтектики 1280±20°C, а пресс-порошок получают из суспензии порошков глинозема, приготовленной эвтектической добавки, оксида иттрия и оксида магния.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что пресс-порошок получают из суспензии порошков методом распылительной сушки.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что обжиг керамики проводят в тоннельной печи при температуре 1650-1680°C и выдержке 1-2 ч.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технологии изготовления пьезокерамических материалов системы цирконата-титаната свинца (ЦТС) и может быть использовано в составе гидроакустических излучателей и гидрофонов.

Изобретение относится к получению цементных смесей и бетона различного назначения, работающих при высоких деформирующих нагрузках, и может быть использовано в металлургической, строительной и других отраслях промышленности.
Изобретение относится к технологии получения композиционного керамического материала технического назначения состава TiN/Al2O3, который является перспективным для получения жаропрочных и износостойких материалов, а также покрытий для режущих и обрабатывающих инструментов.

Изобретение относится к технологии пористых керамических материалов конструкционного назначения и может быть использовано для изготовления изделий, сочетающих высокие показатели по пористости и прочности при невысокой теплопроводности (теплоизоляция, фильтры для очистки жидких и газовых сред, элементы комбинированной ударопрочной защиты, матрицы для получения композиционных материалов методом пропитки).

Изобретение относится к производству технической керамики кордиеритового состава, обладающей высокой термостойкостью, прочностью и хорошими диэлектрическими свойствами.
Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к технологии изготовления керамических проппантов, предназначенных для использования в качестве расклинивающих агентов при добыче нефти или газа методом гидравлического разрыва пласта.
Изобретение относится к области технической керамики на основе диоксида циркония с трансформируемой тетрагональной (t') кристаллической фазой и может быть использовано для изготовления износостойких деталей в соединительных изделиях для волоконно-оптических линий связи, пар трения в насосах для перекачки абразивосодержащих и агрессивных жидкостей, деталей в условиях повышенных механических нагрузок.
Изобретение относится к химической промышленности, в частности к способам получения тонкодисперсных порошков на основе оксида циркония, который может быть использован для производства плотной износостойкой керамики, материалов для имплантологии, твердых электролитов.

Изобретение относится к области получения материалов на основе диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, и может быть использовано для изготовления композиционных керамических изделий, применяемых в электротехнике, машиностроении, химической, металлургической и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к химической промышленности, а именно к оборудованию для производства твердофазных композиционных материалов на основе сложных оксидов, и может быть использовано, в частности, при получении современных электродных материалов для вторичных литий-ионных источников тока.

Изобретение относится к технологиям получения керамических материалов, в частности к способам легирования керамики, и может быть использовано в области электротехники и машиностроения для изготовления высокопрочных керамических изделий.

Изобретение относится к технологии пористых керамических материалов конструкционного назначения и может быть использовано для изготовления изделий, сочетающих высокие показатели по пористости и прочности при невысокой теплопроводности (теплоизоляция, фильтры для очистки жидких и газовых сред, элементы комбинированной ударопрочной защиты, матрицы для получения композиционных материалов методом пропитки).
Изобретение относится к области производства технической керамики и может быть использовано, в частности, для изготовления керамических бронеэлементов. Сущность изобретения заключается в том, что в шихте для изготовления керамики, содержащей смесь частиц оксида алюминия, диоксида титана, диоксида марганца и диоксида циркония, согласно изобретению от 5 до 10% входящих в состав шихты частиц имеет средний размер не более 120 нм, а остальная часть входящих в состав шихты частиц имеет средний размер от 0,5 до 2 мкм, при этом вышеуказанные компоненты входят в состав шихты при следующем соотношении, мас.%: оксид алюминия 92-96; диоксид титана 1-3; диоксид марганца 1-3; диоксид циркония 1-6.
Изобретение относится к керамическому материаловедению, в частности к получению материала для высокотемпературного применения на основе тугоплавких бескислородных и оксидных соединений, характеризующегося высокой прочностью, термической и окислительной стойкостью, стойкостью к термоудару при градиенте температуры до 2000 К в условиях воздействия высокоскоростного окислительного потока.
Изобретение относится к способам получения корундового керамического материала, предназначенного для изготовления изделий из конструкционной керамики с повышенными статическими нагрузками.
Изобретение относится к технологии получения пористого керамического материала и предназначено для получения искусственных эндопротезов костной ткани. .
Изобретение относится к области химической технологии керамических высокопористых ячеистых материалов и предназначено для использования в процессах обращения с газообразными радиоактивными отходами (ГРО) и отработанным ядерным топливом (ОЯТ) на АЭС и радиохимических предприятиях атомной отрасли.
Изобретение относится к волокнам из поликристаллического корунда, по существу состоящим из корунда и оксида элементов главных подгрупп I или II группы Периодической таблицы, которые могут быть использованы для изготовления тканей и композитных материалов.

Изобретение относится к технологии получения керамических изделий на основе оксида алюминия с высокими механическими характеристиками, предназначенных для длительной эксплуатации в условиях повышенных истирающих нагрузок.

Изобретение относится к технологии высокотемпературных керамических материалов конструкционного назначения с повышенными термомеханическими свойствами (футеровка тепловых агрегатов, термостойкий огнеприпас, элементы ударопрочной защиты).

Способ включает плазменное напыление частиц однородного по крупности керамического материала на основе оксида алюминия на удаляемую оправку. Напыление ведут путем формирования монослоев за счет соударения напыляемых частиц керамического материала с поверхностью оправки под углом менее 45°, исключая ноль. Каждый монослой формируют толщиной не более 0,04 мм. Техническим результатом является создание условий для получения открытой канальной пористости в теле (1) изделия. Пористость создается сквозными, параллельно ориентированными между собой и наклонными к рабочей поверхности изделия канальными порами (2) с переменным сечением, из которых наименьшее - со стороны выхода отфильтрованной среды. Геометрия порового пространства повышает проницаемость изделия более чем в два раза. 4 з.п. ф-лы, 4 ил., 2 табл., 11 пр.
Наверх