СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ α -ОКСИДА АЛЮМИНИЯ Российский патент 1994 года по МПК C01F7/02 

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано в станкостроении (абразивная обработка материалов), электронике (наполнитель), электротехнике (сырье для керамики).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ получения α -оксида алюминия, позволяющий получать из аморфного гидроксида алюминия посредством гидротермальной обработки в автоклаве мелкокристаллический материал, состоящий из кристаллов корунда ромбоэдрического габитуса и имеющий абразивную способность 125-130% по сравнению с электроплавленным корундом. Недостатком данного способа является необходимость использования в качестве исходного сырья аморфного гидроксида алюминия, а также его предварительного вымачивания в течение суток в маточном растворе.

Целью изобретения является повышение физико-механических характеристик монокристаллического α -оксида алюминия, в частности микротвердости, проявляющейся в повышенной абразивной способности материала, повышение производительности процесса синтеза.

Цель изобретения достигается тем, то гидроксид алюминия, независимо от содержания воды и степени упорядоченности структуры, смешивают с достаточно растворимым в воде основанием и в полученную смесь дополнительно вводят хромсодержащее соединение. Основание берут в количестве 0,05-5,0 мас.%. а хромсодержащее соединение - в количестве 0,05-10,0 мас.% от массы гидроксида алюминия. Подготовленную смесь вместе с необходимым количеством воды, обеспечивающим требуемое давление, загружают в автоклав. Кристаллизацию проводят при температуре 370-450^оС и давлении 100-800 атм в течение 0,3-170 ч.

В результате образуется монофазный мелкокристаллический α -оксид алюминия имеющий окраску от бесцветной до интенсивно-розовой,с Гауссовым распределением размеров частиц, состоящий из отдельных хорошо ограненных кристаллов или их сростков. Абразивная способность продукта, полученного с помощью данного метода, составляет 110-250% по отношению к прототипу.

Данный способ не требует предварительного вымачивания исходного материала, что обеспечивает повышение производительности процесса.

Сравнивали абразивную способность для зернистости М40 материала, полученного данным способом, и материала-прототипа, выделенного в количестве, достаточном для проведения испытаний. Примеры, включающие варианты вводимых соединений и используемые режимы, приведены в табл.1.

Для реализации способа используют достаточно растворимое в воде основание, что не требует увеличения его количества по отношению к массе гидроксида алюминия более 5,0 мас.%. Применение слабого основания потребовало бы увеличения его концентрации, что нецелесообразно, так как снижает выход продукта и его чистоту. Предпочтительно использование сильных оснований, например гидроксидов щелочных металлов. Количество гидроксида щелочного металла выше 2,0 мас.% нецелесообразно из-за повышенного окисления материала автоклава и не способствует дальнейшему улучшению качества продукта (табл. 1, примеры 18), а ниже 0,05 мас.% не обеспечивает 100%-ного выхода α-оксида алюминия (пр.5).

В качестве хромсодержащего соединения можно использовать, например, достаточно растворимые в воде соли. Количество хромсодержащего соединения может быть до 10 мас.%. Однако предпочтительно использование хорошо растворимых солей с высоким содержанием хрома, например хроматов (бихроматов) щелочных металлов. В этом случае достаточно введение в исходную смесь добавки в количестве 0,05-2,5 мас.%. Добавка хромата (бихромата) щелочного металла в количестве ниже 0,05 мас.% от массы гидроксида алюминия не дает увеличения абразивной способности продукта по сравнению с прототипом (пр.6), а в количестве выше 2,5 мас.% не приводит к дальнейшему увеличению абразивной способности и потому нецелесообразно (пр.7,25). Температура ниже 370^оС при всех условиях не обеспечивает фазового превращения гидроксид - оксид алюминия (пр. 8), а выше 450^оС нецелесообразна ввиду повышенного износа оборудования (пр. 9). Предпочтительным является температурный интервал 400-430^оС. Температура ниже 400^оС требует значительного увеличения времени реакции и не обеспечивает достаточно высокого качества материала (пр.10,11), а выше 430^оС не приводит к дальнейшему росту абразивной способности (пр.12). Использование давления ниже 100 атм способствует агрегированию кристаллов, что отрицательно сказывается на абразивной способности продукта (пр.13), а выше 800 атм нецелесообразно ввиду повышенных требований к прочности автоклава. Предпочтительным является давление до 500 атм, так как более высокое давление не приводит к дальнейшему росту абразивной способности материала, однако при необходимости максимального повышения производительности процесса давление в автоклаве может быть повышено до 800 атм. Время гидротермальной обработки менее 0,3 ч не позволяет получить 100%-ный выход α-оксида алюминия (пр.16), а более 170 ч во всех случаях является избыточным.

П р и м е р 1. 100 г гидроксида алюминия Al₂O₃ ˙H₂O заливают 50 мл водного раствора, содержащего 4,0 мас.% гидроксида калия КОН и 1,0 мас.% хромата калия К₂CrO₄, и перемешивают. Полученную смесь вместе с некоторым количеством дистиллированной воды помещают в автоклав из специальной стали с внутренним диаметром 28 мм, имеющим внутренний объем 170 см³ и снабженный цилиндрическим затвором. После этого автоклав герметизируют и выводят на режим. Процесс гидротермальной обработки проводят при температуре 400^оС и давлении 320 атм в течение 41 ч, после чего автоклав охлаждают. Полученный продукт высушивают при температуре 70-90^оС в течение 1-2 ч. Синтезированный материал представляют собой мелкокристаллический порошок розового цвета и имеет дифрактограмму,идентичную дифрактограмме монофазного α -оксида алюминия (табл. 2). Кристаллы α -оксида алюминия, полученного данным способом, имеют близкий к изометриичному габитус с преобладающим развитием граней призмы {110} и ромбоэдра {101}. Абразивная способность составляет 160% по отношению к прототипу.

П р и м е р 2. 60 г гидроксида алюминия Al₂O₃ ˙3H₂O смешивают с 30 мл водного раствора, содержащего гидроксид натрия NaOH и бихромат натрия Na₂Cr₂O₇ ˙2H₂O в количестве соответственно 4,0 и 3,0 мас.% и помещают в автоклав такого же типа, как в примере 1, вместе с необходимым количеством воды. Автоклав герметизируют и проводят реакцию синтеза при температуре 430^оС и давлении 500 атм в течение 25 ч. Высушенный продукт содержит 100% мелкокристаллического α -оксида алюминия интенсивно-розового цвета и имеет абразивную способность 250% по отношению к прототипу.

П р и м е р 3. 300 г гидроксида алюминия Al₂O₃ ˙H₂O, имеющего слабоупорядоченную структуру, смешивают со 100 мл водного раствора, содержащего гидроксид калия КОН в количестве 5,0 мас.% и бихромат калия К₂Cr₂O₇ в количестве 3,0 мас.%, и вместе с требуемым количеством воды помещают внутрь автоклава внутренним диаметром 45 мм, имеющего внутренний объем 500 см³, после чего автоклав герметизируют и помещают в печь. Процесс синтеза проводят при температуре 400^оС и давлении 260 атм в течение 45 ч. Продукт реакции характерного внешнего вида (розового цвета) содержит 100% α -оксида алюминия и имеет абразивную способность 150% по отношению к прототипу.

П р и м е р 4. К 100 г аморфного гидроксида алюминия добавляют 40 мл водного раствора, содержащего гидроксид натрия и хромат калия в количестве соответственно 1,0 и 1,5 мас.%, далее производят операции аналогично примеру 1. Реакцию проводят при температуре 420^оС и давлении 440 атм в течение 72 ч. Продукт реакции - мелкокристаллический α -оксид алюминия розового цвета имеет абразивную способность 200% по сравнению с беспримесным прототипом. Аналогично проводят серию опытов. Остальные примеры приведены в табл.1.

Сопоставительный анализ полученного материала показал, что его абразивная способность значительно выше абразивной способности материала, получаемого с помощью известного технического решения. Кроме того, производительность при реализации данного технического решения выше благодаря исключению стадии предварительного вымачивания исходного материала. Важным в практическом отношении является и то, что данный способ позволяет использовать различные виды сырья.

Использование: для получения a - оксида алюминия, применяющегося в электронике, электротехнике, станкостроении, в частности в абразивной промышленности. Существо изобретения: гидротермальная обработка смеси гидроксида алюминия и основания, в состав которой включено хромсодержащее соединение. 3 з.п.ф-лы, 2 табл.

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ α -ОКСИДА АЛЮМИНИЯ, включающий автоклавную гидротермальную обработку смеси гидроксида алюминия и основания при 370 - 450^oС, отличающийся тем, что в смесь дополнительно вводят хромсодержащее соединение в количестве до 10,0 мас.%, при этом основание берут в количестве 0,05 - 5,0 мас.% от массы гидроксида алюминия, а гидротермальную обработку проводят при давлении 100 - 800 атм. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве основания берут гидроксид щелочного металла в количестве 0,05 - 2,0 мас.%. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве хромсодержащего соединения берут хромат или бихромат щелочного металла в количестве 0,05 - 2,5 мас.%. 4. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что обработку смеси проводят при температуре 400 - 430^oС и давлении 100 - 500 атм.