Изобретение касается спеченного материала на базе оксида алюминия и золь-гелевого способа его получения.
Оксидные абразивы, как алюминиевый корунд или циркониевый корунд, получают обычно путем плавления оксидов или смеси оксидов, застывания расплава, измельчения и разделения на фракции.
Недостатком этого способа являются большие энергетические затраты и ограниченная возможность оказания влияния на механические свойства продукта, обусловленная в основном составом и условиями охлаждения.
Известны также спеченные заготовки на основе оксида алюминия, пригодные для применения в качестве абразивов, одни из которых были получены из чистого оксида алюминия или гидроксида ключиния или из боксита путем тонкого измельчения, в соответствующем случае добавками вспомогательного спекающего средства или образователя стеклофазы, уплотнения и спекания или горячего прессования. Однако оказалось, что полученные таким образом материалы не обладают еще оптимальными абразивными свойствами, так как величина их кристаллитов лежит в интервале от 5 до 20 мкм, в то время как для достижения максимальной твердости и вязкости необходимы значительно меньшие кристаллиты. Было предложено измельчать глинозем с добавками до величины частиц менее 0,1 мкм и затем подвергать многоступенчатой термообработке и спеканию. Способ хотя и исходит из благоприятного по стоимости сырья, однако процесс измельчения требует больших затрат и его осуществление в больших масштабах сомнительно.
Проблема измельчения отпадает при способе золь-геля. Известные формы осуществления золь-гелевого способа требуют, как правило, добавки оксида магния или его предшественника или другого соединения, образующего шпинель металла.
Известен керамический материал, полученный смешиванием глинозема с размером частиц 0,063 мм с титансодержащей добавкой, формованием и спеканием при 1450-1750оС. Однако этот материал и в силу использования глинозема с указанным размером частиц, и в силу достаточно высоких температур обжига имеет более крупно кристаллическое строение и иные механические свойства, обусловленные этим.
Известно модифицирование продукта, получаемого из шихты, содержащей Al2O3 и TiO2, с введением добавок, например MgO или MgO и SiO2.
Желательно, чтобы можно было пpостым способом влиять на свойства спеченного продукта, в частности на его вязкость при разрыве и твердость, без применения многочисленных различных добавок.
Задачей изобретения является создание способа получения керамического материала на основе оксида алюминия, который просто осуществляется при применении относительно малых количеств предпочтительно оксидных добавок и дает продукты, которые пригодны в качестве абразивов, и позволяет оказывать влияние на их механические свойства просто и воспроизводимо.
Было обнаружено, что в результате добавки оксида титана или титаната алюминия в тонкоизмельченной форме или смеси обоих компонентов или соответствующих их предшественников к полученным обычными методами золям гидроксида алюминия или гидроксида алюминия также без дополнительных добавок обычными методами работы могут быть получены плотные тела с большой твердостью и вязкостью и очень тонкой структурой, если выдерживаются подходящие условия спекания.
Хотя было известно, что на Al2O3 и TiO2 без дополнительных добавок могут быть получены плотные спеченные продукты, но они состоят из эквимолярных количеств Al2O3 и TiO2 или из Al2TiO5 и получаются плотными лишь после горячего прессования.
Добавляемый в соответствии с изобретением двуоксид титана имеет предпочтительно среднюю величину частиц, выраженную в виде значения d50, менее 5 мкм, предпочтительно менее 1 мкм. Особенно предпочтительно так называемый высокодисперсный, полученный путем пламенного гидролиза безводный тетрахлорид титана со средней величиной первичных частиц 10-50 нм. Такой продукт получает, например, фирма Дегусса и обозначает его как двуокись титана Р25.
При другой форме осуществления способа в соответствии с изобретением применяют тонкоизмельченный титанат алюминия со средней величиной зерна, выраженной в виде значения d50 менее 5 мкм, предпочтительно менее 1 мкм. Особенно предпочтительно высокодисперсный продукт со средней величиной частиц 10-50 нм.
Можно также применять другие источники тонкоизмельченного диоксида титана, например гидролизованные тетаралкоксититанаты, или вместо титаната алюминия использовать смесь двуокиси титана и оксида алюминия. В качестве оксида алюминия в этом случае предпочтительно применять высокодисперсный оксид алюминия со средней величиной частиц 5-50 нм, который преимущественно состоит из γ -модификации. Такие высокодисперсные оксиды алюминия получают путем пламенного гидролиза безводного хлорида алюминия и выпускается, например, фирмой Дегусса с маркировкой: оксид алюминия С.
Двуокись титана или иные титансодержащие добавки целесообразно добавлять к золю оксида алюминия или гидроксиду алюминия в таком количестве, чтобы содержание оксида титана в готовом спеченном продукте составляло 0,1-10 мас.%. Под содержанием диоксида титана здесь следует понимать элементарно-аналитический состав, а не фазовый состав, т.е. не играет роли, в какой форме находится титан в готовом продукте: TiO2 или Al2TiO5 или в какой-либо еще форме. Предпочтительно содержание TiO2 в готовом спеченном продукте составляет 1-5 мас.%.
Двуокись титана или иные титансодержащие добавки целесообразно интенсивно диспергировать в золе, чтобы достигнуть наилучшего гомогенного распределения. Этого можно достичь в результате перемешивания высокоскоростной мешалкой или, например, путем обработки в шаровой или в вибрационной мельнице. В случае золей с большим содержанием твердого вещества гомогенное распределение добавок достигается предпочтительно с помощью барботера, кнетмашины, экструдера или подобных устройств.
Разумеется, что можно применять также дополнительно к двуокиси титана или его предшественнику или титанату алюминия еще вспомогательные спекающие вещества, ингибиторы роста зерна, зародышеобразователи или образователи стеклофазы. Такие дополнительные добавки известны из уровня техники и охватывают например SiO2, MgO или ZrO2 или предшественников этих оксидов, как, например, эфиры кремневой кислоты, соли магния, соли цирконила или алкокголяты циркония, кроме того, MgAl2O4, MgTiO3, α -Fe2O3, FeAl2O4, ViO, NiTiO3, NiAl2O4, α-Al2O3, α -Cr2O3, CeO2, ZrO2ZnTiO3, ZnAl2O4 или Y2O3. Эти добавки добавляют предпочтительно в количестве 0,001-5 мас.%, считая на спеченный продукт, и таким образом можно модифицировать свойства в соответствующем случае спеченного продукта в соответствии с изобретением. Золь непосредственно после этого переводят известным образом в гель и при температуре менее 100оС высушивают.
Гелеобразование осуществляют предпочтительно путем длительного добавления азотной, соляной или уксусной кислоты в плоских чашках при толщине слоя менее сантиметра.
Сушку предпочтительно проводят в сушильном шкафу и продолжают ее предпочтительно при 75оС несколько дней. После высушивания гель можно измельчить известным способом, если конечный продукт должен применяться в виде абразива, разделяют на соответствующие желаемые фракции, при этом целесообразно принимать во внимание усадку во время процесса спекания.
Процесс спекания целесообразно проводить многостадийно. Сначала высушенный гель нагревают менее 1 ч до температуры 300-700оС, чтобы физически и химически связанную воду и иные летучие при этой температуре составные части удалить и гидроксилы и гидраты оксидов перевести в оксиды. Непосредственно после этого таким образом кальцинированный материал нагревают снова до температуры спекания, причем в соответствующем случае может быть выгодно перед собственно спеканием дать еще выдержку при температуре, например, 1100оС, лежащей несколько ниже температуры спекания. Спекание осуществляют предпочтительно при температуре 1250-1500оС, причем в зависимости от температуры время выдержки составляет от нескольких минут до нескольких часов. Оптимальное время выдержки зависит существенно также от скорости нагрева и охлаждения и должно определяться опытным путем, как это известно в технике керамики и известно специалистам. Полученный таким образом спеченный материал состоит из кристаллитов, самое меньшее 95% которых имеют величину менее 4 мкм, предпочтительно менее 2 мкм. Они пронизаны многочисленными микропорами, которые преимущественно имеют величину 10-500 нм и не связаны друг с другом. Эти микропоры находятся частично между кристаллитами, частично в отдельных кристаллитах. Их количество можно оценить по величине поглощения кристаллической решетки в электронной растровой микроскопии (РЭМ) на поверхности излома. Как правило материал на один кристаллит содержит одну пару.
Вязкость при разрыве К1с этого материала благодаря многочисленным микропорам высокая и составляет предпочтительно по крайней мере 4,5 МПа˙ м1/2, микротвердость составляет предпочтительно самое меньшее 16 ГПа.
В рентгеновской дифрактограмме этого материала можно определить в случае TiO2 содержания около 2% наличия фазы рутила.
В результате термообработки после спекания при температуре, которая лежит ниже температуры спекания, предпочтительно ниже на 100оС, и продолжается предпочтительно 1-8 ч, можно сильно уменьшить число микропор, и даже возможно довести до полного исчезновения. Размер кристаллитов при этом процессе увеличивается, причем, однако, можно без дополнительных усилий получить продукт со средней величиной кристаллитов, например 2 мкм, в котором по крайней мере 95% кристаллитов имеют величину меньше 4 мкм и который в основном свободен от микропор. В результате дополнительный термообработки микротвердость увеличивается приблизительно до 18 ГПа, в то время как вязкость при разрыве снижается до значения 2-2,5 МПа ˙ м1/2.
После термообработки на рентгеновской диаграмме нет больше дифракционных линий рутила.
Независимо от микропор полученные в соответствии с изобретением продукты спекания еще обладают закрытыми большими порами. Плотность, определяемая с помощью пикнометрии, поэтому испытывает влияние от степени измельчения пробы. Для предпочтительного применения в качестве абразива или для получения керамических порошков это, однако, не является существенным недостатком.
Спеченные продукты в соответствии с изобретением применяют предпочтительно в качестве абразивов, а именно как в свободной форме, в зависимости от зернистости в виде струйного или протирочного абразива, так и в виде абразива на подложке, например, абразивной бумаги, или ткани, или в керамически связанных или полимерно-связанных абразивах, как например, абразивные, отрезные шлифовальные или обдирочные круги.
Другое предпочтительное применение спеченных материалов в соответствии с изобретением - это получение керамического порошка, который известным образом перерабатывают до керамических строительных деталей или используют в виде керамического распыляемого в плазме порошка.
Другое предпочтительное применение спеченных материалов в соответствии с изобретением представляет собой получение керамических режущих инструментов для обработки путем снятия стружки, в частности для обработки металлов, а также получение измельчающих тел, например, для шаровых мельниц.
П р и м е р ы 1-9. Общее описание.
В перемешиваемой емкости 20 л дистиллированной воды ( ≅ 5 μ s) и 5 кг пураля ® SB (Condea Chemie GmbH) смешивают с помощью пропеллерной мешалки (n = 100 мин-1). Непосредственно после этого добавляют соответствующее количество высокодисперсной двуокиси титана Р 25 (Дегусса АГ) и полученную таким образом смесь низкой вязкостью интенсивно диспергируют по меньшей мере в течение 24 ч. После этого путем добавления около 0,75 л концентрированной уксусной кислоты устанавливают значение рН = 3,5 и смесь толщиной слоя 2-3 см выливают в чашку из жести. При комнатной температуре образуется в течение 45 мин - 60 мин плотный гель, который высушивают при 75оС в течение 2-3 дней в сушильном шкафу.
Высушенный гель спекают большими кусками в печи быстрого обжига при различных условиях. Характеризуют спеченный продукт путем определения следующих свойств:
плотность, пикнометрически в ксилоле раздробленных проб с величиной зерна 0-0,5 мм;
микротвердость по Викерсу (сила воздействия 1 N);
микротвердость по Викерсу (сила воздействия 100 N);
вязкость при разрыве К1с по Анстису и Ниихара на полированных поверхностях;
величина кристаллитов и пор с помощью снимков РЭМ на поверхности излома.
Условия спекания и результаты.
П р и м е р ы 1-3. Добавляемые количества двуоксида титана Р 25 составляют 0,1 мас.% (пример 1), 1 мас.% (пример 2) и 2 мас.% (пример 3) ,считая соответственно на используемый пураль ® .
Высушенный гель нагревали в течение 1 ч до 400оС, при этой температуре выдерживали 1 ч, затем нагревали в течение 30 мин до 1100оС, при этой температуре выдерживали 3 ч, затем нагревали 30 мин до конечной температуры 1300оС, выдерживали при этой температуре 15 мин и охлаждали.
Свойства полученных таким образом материалов представлены в табл.1.
П р и м е р ы 4-6. Добавляемое количество диоксида титана Р 25 составило 2 мас.% (пример 4), 3,5 мас.% (пример 5) и 5 мас.% (пример 6), считая соответственно на используемый пураль.
Высушенный гель в течение 1 ч нагревают до 400оС и выдерживают при этой температуре 1 ч. Непосредственно после этого нагревают в течение 30 мин до 1330оС, выдерживают при этой температуре 5 мин и охлаждают.
Полученные при этих условиях свойства приведены в табл.2.
П р и м е р ы 7-9. Добавляемое количество двуокиси титана Р 25 составляет 2 мас.% (пример 7), 3,5 мас.% (пример 8) и 5 мас.% (пример 9), соответственно считая на используемый пураль ® .
Опыт проводили как в примерах 4-6, однако после времени выдерживания 5 мин при температуре 1330оС не сразу охлаждали до комнатной температуры, а еще 5 ч выдерживали при 1250оС. Микропоры в спеченном материале были при этом полностью ликвидированы, свойства полученных таким образом материалов приведены в табл.3.
П р и м е р ы 10-11. Получение геля осуществляют, как в примерах 1-9, вместо высокодисперсного двуоксида титана используя эквимолярное количество смеси высокодисперсного оксида алюминия С (Дегусса АГ) и двуокиси татанa Р 25 (Дегусса АГ), используя соответственно состав 56 мас.% Al2O3 и 44 мас.% TiO2. Общее количество аддитивной смеси составило 2 мас.%, считая на массу пураля ® SB.
Далее представлены условия спекания и результаты.
П р и м е р 10. Высушенный гель нагревали в течение 1 ч до 400оС, 1 ч выдерживали при этой температуре, в течение 10 мин нагревали до 730оС и 30 мин выдерживали при этой температуре. В течение 30 мин температуру поднимали до 1100оС и выдерживали еще 10 мин и охлаждали до комнатной температуры.
Свойства полученных таким образом продуктов следующие: Плотность 3,66 г/см3 Микротвердость 19,0 ГПа Макротвердость 15,2 ГПа К1с 5,1 МПа˙ м1/2 Средняя величина кристал- литов 0,7 мкм Средняя величина микро- пор 0,15 мкм
П р и м е р 11. Температурный режим выдерживали, как в примере 10, однако материал перед охлаждением выдерживали еще 5 ч при температуре 1250оС. Микропоры после этой термообработки исчезали. Свойства полученного таким образом материала следующие: Плотность 3,66 г/см3 Микротвердость 20,2 ГПа Макротвердость 15,4 ГПа К1с 2,4 МПа˙ м1/2 Средняя величина кристаллитов 2,5 мкм Средняя величина микро- пoр Нет микропор (мкм)
П р и м е р ы 12-13. Получение геля осуществляют, как в примерах 10-11, однако вместо диспергирования золя мешалкой проводят тонкое измельчение в вибрационной мельнице с шариками оксидов алюминия ( ≥ 97% Al2O3, ⊘ 1,50-2 см). Продолжительность измельчения составляла 30 мин, массовое соотношение измельчающих шариков и используемого пураля около 10:1.
Условия спекания были такими же, как в примерах 10 и 11.
Свойства полученных таким образом продуктов приведены в табл.4.
П р и м е р ы 14-15. Получение геля осуществляют, как в примерах 1-9, однако вместо высокодисперсного двуоксида титана применяют 2 мас.%, считая на используемое количество пураля® (порошок титаната алюминия H.C. Stark, величина зерна 0-10 мкм, d50 = 4,5 мкм). Высушенный гель нагревали в течение 1 ч до 400оС, 10 мин выдерживали при этой температуре и тотчас же (пример 14) или через 5 ч при 1250оС (пример 15) охлаждали до комнатной температуры.
Свойства полученных таким образом продуктов приведены в табл.5.
П р и м е р 16. В сосуде с мешалкой энергично диспергировали 300 мл дистиллированной воды, 100 г пураля ® SB, 3 г двуоксида титана Р 25, 0,53 г ацетата магния (тетрагидрата) и 3 мл глицерина в течение 20 ч.
Непосредственно после этого в смеси с низкой вязкостью добавлением приблизительно 12 мл концентрированной соляной кислоты устанавливали значение рН около 3,5 и выливали на сушильный лист с толщиной слоя около 3 см. Желирование осуществляли приблизительно в течение 45 мин при комнатной температуре. Гель высушивали в сушильном шкафу при 80оС.
Высушенный гель нагревали в течение 1 ч при 400оС в печи быстрого обжига, выдерживали при этой температуре 1 ч, затем нагревали 1 ч до 700оС и 30 мин выдерживали при этой температуре и непосредственно после этого нагревали 1 ч до 1310оС, 10 мин выдерживали при этой температуре и охлаждали.
Свойства полученного продукта следующие: Плотность 3,72 г/см3 Микротвердость 21,4 ГПа Макротвердость 15,0 ГПа К1с 5,5 МПа ˙м1/2 Средняя величина кристал- литов 2,5 мкм Средняя величина микро- пор 0,2 мкм
П р и м е р 17 (сравнительный пример): диспераль ® без добавок.
П р и м е р 18: диспераль ® с 2 мас.% диоксида титана Р 25.
П р и м е р 19: диспераль ® с 1,12 мас.% оксида алюминия С и 0,88 мас.% диоксида титана Р 25.
П р и м е р 20: диспераль ® с 2 мас.% титаната алюминия (Н.С. Stark).
Свойства полученных таким образом спеченных продуктов приведены в табл. 6.
П р и м е р 21. От полученного по примеру 4 геля с 2 мас.% TiO2была отсеяна фракция с величиной зерна < 200 мкм и подвергнута кальницированию при 1200-1300оС 4 ч. Кальцинированный продукт, который более чем на 80% состоял из α-Al2O3, был диспергирован с измельчающими телами из α-Al2O3 (⊘ = 2 мм) при добавлении 0,2 мас.% оксида магния в воде в течение около 2 ч так, что была получена суспензия с содержанием твердого вещества около 35%. Средняя величина частиц (d50-значение) составила около 0,4 мкм.
Суспензию обезвоживали в фильтровальном прессе, плотную массу после фильтрования высушивали. Из полученного таким образом порошка, способного спекаться, был получен шликер.
80 мас. ч. порошка и 20 мас.ч. дистиллированной воды диспергировали с 0,7 мас. ч. долапикса ® CE 64 (изготовитель Цшиммер и Шварц) и 0,2 мас.ч. поливинилового спирта в барабанной мельнице с измельчающими телами из Al2O3 ( ⊘= 15 мм) в течение 3 ч. Массовое соотношение порошка и измельчающих тел составило около 1:2. Шликер подвергали влажному просеиванию (проходили частицы < 53 мкм), чтобы отделить грубые агломераты, и заливали в гипсовые формы к тиглям с диаметром ≈ 50 мм, высотой около 50 мм и толщиной стенок 2-3 мм. Заливку высушивали при 100оС и спекали 15 мин при 1350оС. Общая линейная усадка при сушке и спекании составила около 26%.
Полученный таким образом тигель имел следующие свойства: спеченная плотность > 99% от теоретической плотности; микротвердость 20 ГПа; К1с5-6 МПа˙ м1/2.
Таким же методом получали пробные палочки для измерения прочности при разрыве при изгибе и шлифовали их до поперечника 4х4 мм.
Измеренная прочность при изгибе на разрыв (4-точка опыта на изгиб: расстояние от балки 40 мм, расстояние от точки приложения нагрузки 20 мм) составила 700-750 МПа.
П р и м е р 22. Опыт проводили, как описано в примере 21, однако вместо фильтровального пресса применяли распылительную сушилку. Свойства полученного продукта согласуются с данными примера 21.
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СПЕЧЕННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ α МОДИФИКАЦИИ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ | 1992 |
|
RU2076083C1 |
Способ получения и материал алюмооксидной керамики | 2020 |
|
RU2738880C1 |
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКООБРАЗНОГО ЦЕОЛИТА ТИПА 4А | 1990 |
|
RU2005692C1 |
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО КЕРАМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА | 2013 |
|
RU2524061C1 |
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОПЛОТНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ Al2O3 - TiCN | 2020 |
|
RU2741032C1 |
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АБРАЗИВНОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ СПЕЧЕННОГО КОРУНДА | 1992 |
|
RU2061011C1 |
НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ СПЕЧЕННЫЕ ТЕЛА НА ОСНОВЕ АЛЬФА-ОКСИДА АЛЮМИНИЯ, СПОСОБ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ, А ТАКЖЕ ПРИМЕНЕНИЕ | 2006 |
|
RU2383638C2 |
Способ получения керамических композитов на основе ортофосфата лантана | 2022 |
|
RU2791913C1 |
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА ALTOTINOX - T ИЗ ТИТАНАТА АЛЮМИНИЯ | 1993 |
|
RU2054399C1 |
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОМПОЗИТНОЙ ВЫСОКОГЛИНОЗЕМИСТОЙ НАНОКЕРАМИКИ | 2007 |
|
RU2351571C2 |
Назначение: материалы в соответствии с изобретением пригодны в частности в качестве абразивов или для получения керамических порошков или частей инструментов. Сущность изобретения: получают спеченный материал, содержащий 95 - 99 мас.% a = A2O3 и 1 - 5% TiO2, причем самое меньшее 95% кристаллитов имеет размер 4 мкм (предпочтительно < 2 мкм), микротвердость ≥ 16 ГПа (предпочтительно > 18 ГПа), вязкость на излом ≥ 2 МПa·м1/2 , (предпочтительно ≥ 45 МПa·м1/2 ) материал может содержать 0,001 - 4 мас.% одной добавки из: SiO2, MgO, ZrO2 , MgAl2O4 , MgTiO3 , α-Fe2O3 , NiO; FeAl2O4 , NiTiO3 , NiAl2O4 , α-A2O3 , α-Cr2O3 , CeO2 , ZnTiO3 , ZnAl2O4, Y2O3 . Материал получают путем приготовления золя, гелеобразования, сушки, измельчения, разделения на фракции, формования и спекания. Причем золь содержит тонкоизмельченный или высокодисперсный компонент из группы: TiO2 и/или Al2TiO5 и Al2O3 и/или вещество, разлагающееся с образованием TiO2 и/или Al2TiO5 и Al2O3 , а спекание ведут с двумя изотермическими выдержками - при 300 - 700°С и при 1250 - 1500°С. После спекания возможна дополнительная термообработка при T2 800 - 1300°С, однако T2 по меньшей мере на 20°С ниже температуры спекания. Спекание можно вести при атмосферном давлении, в качестве соединения алюминия используют бемит или Al(OH)3 . 2 с. и 11 з.п. ф-лы, 6 табл.
T.Winier, J.Non - Cryst, Solids, 1988, 100, 325-329. |
Авторы
Даты
1994-10-15—Публикация
1990-07-06—Подача