СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОРУНДОВЫХ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 2012 года по МПК C04B35/10 

Изобретение относится к изготовлению корундовых изделий и может найти применение в производстве керамических бронеэлементов для бронежилетов, бронетранспортеров, бронеавтомобилей, военных вертолетов, катеров и другой специальной техники, а также в качестве изоляторов и подложек для электронной техники.

Алюмооксидные керамические материалы с содержанием Аl₂О₃ 95 мас.% и более, у которых основной кристаллической фазой является корунд (α-Аl₂O₃), относятся к корундовым изделиям и обладают уникальным сочетанием свойств: высокой механической прочностью, огнеупорностью, теплопроводностью, химической стойкостью, низким уровнем диэлектрических потерь. Это обусловило широкое применение их в электронной технике, радиотехнике и электротехнике [Батыгин В.Н., Метелкин И.И., Решетников A.M. Вакуумноплотная керамика и ее спаи с металлами. - М.: Энергия, 1973, 408 с.].

Корунд имеет высокую температуру плавления (2050°С), благодаря чему нашел широкое применение в производстве различных керамических изделий, обладает рядом ценных электрофизических и химических свойств и используется в химически стойких изделиях, предназначенных для работы при нормальных или умеренно высоких температурах.

Повышение плотности и механической прочности корундовых изделий обеспечивают путем введения в состав различных специальных добавок или за счет изменения параметров процесса спекания.

Известен способ изготовления корундовых изделий путем приготовления шихты на основе Аl₂O₃ и стеклянного порошка, формования заготовок с последующим их обжигом, при котором с целью повышения механической прочности используют стекло с коэффициентом термического расширения менее 4·10^-6 1/°С [Авторское свидетельство №361157, МПК С04b 35/10, заявл. 31.08.70, опубл. 07.12.72].

Полученные этим способом изделия имеют среднее значение механической прочности. Однако в процессе спекания стекловидная фаза растворяет в себе дополнительно 9-12% Аl₂O₃, увеличивая свою массу и самопроизвольно выпадая на поверхности кристаллов корунда в процессе кристаллизации. При этом существенно увеличивается количество межкорундового вещества, что снижает электрические, вакуумные и теплопроводящие свойства корундовых изделий.

Известен способ изготовления корундовых изделий с повышенной плотностью, теплопроводностью и наименьшей шероховатостью, получаемых на основе шихты из Аl₂O₃ и добавок нанопорошков системы Аl₂O₃-ZrO₂, формование заготовок с последующим их обжигом [Е.С.Лукин и др. Анализ микроструктуры, качества поверхности и свойств подложек из оксида алюминия. Стекло и керамика. №9, 2010, стр.9]. Изготовленные упомянутым способом корундовые подложки имеют однородную структуру с размером кристаллов 4-6 мкм. Между кристаллами располагается в виде непрерывной прослойки эвтектическая фаза, обеспечивающая спекание образцов по механизму вязкого течения и образование когерентных (сросшихся) границ кристаллов. Однако присутствуют кристаллы размерами 8-10 мкм и внутрикристаллические и межкристаллические поры размерами до 1 мкм, что приводит к снижению адгезионной прочности и качества последующей металлизации подложки.

Известен способ изготовления корундовых изделий (прототип), включающий спекание заготовок в процессе цикличной термообработки в интервале температур 1300-1750°С, согласно которому после каждого из циклов термообработки осуществляют полное охлаждение и перекладку изделий [Авторское свидетельство №500205, кл. С04b 35/10, приоритет 30.06.67, опубл. 19.04.76]. Использование этого способа при изготовлении корундовых изделий обеспечивает абсолютную линейную усадку изделий, что исключает разрыв и сплющивание изделий.

Однако при спекании заготовок в процессе цикличной термообработки в электрических печах с окислительной атмосферой или в газовых печах не обеспечиваются требуемые плотность и микротвердость, что приводит к деформациям и снижению механической прочности и других технических характеристик изделий, а в случае изготовления бронеплиток - к снижению пулестойкости броневых элементов.

Задачей изобретения является повышение плотности и микротвердости корундовых изделий, поскольку эти параметры определяют баллистические свойства броневой керамики. При хрупком механизме разрушения броневой керамики сопротивление внедрению пули можно увеличить за счет существенного повышения значений плотности и твердости керамики.

Технический результат решения данной задачи достигается тем, что в известном способе изготовления корундовых изделий, включающем в себя спекание заготовок в процессе цикличной термообработки, полное охлаждение изделий, согласно предлагаемому изобретению спекание выполняют в процессе проведения двух циклов термообработки, при этом первый цикл осуществляют в окислительной среде при температуре 1560-1620°С, а второй - в водороде при температуре 1620-1700°С.

Согласно прототипу спекание корундовых изделий выполняют в процессе пятикратной цикличной термообработки в интервале температур 1300-1750°С лишь в одной газовой среде, а в соответствии с предлагаемым способом - в процессе двукратной цикличной термообработки в интервале температур 1560-1700°С в разных газовых средах.

Возможность воспроизведения настоящего изобретения, охарактеризованного приведенной выше совокупностью признаков, а также возможность реализации назначения изобретения может быть подтверждена описанием следующих примеров.

Пример 1

Для формования корундовых изделий используют метод прессования. В качестве материала для изготовления броневой керамики используют порошок оксида алюминия, состоящий из сферических гранул со средним размером 120 мкм с использованием примесей Mg, Si, Ca и содержанием основного компонента (оксида алюминия) 98,5 мас.%. Затем проводят сухое одноосное компактирование порошка в специальной пресс-форме на прессе ТРА-50 при давлении P_пр=160-400 МПа. Далее предварительно уплотненные при формовании мелкодисперсные частицы керамической массы в виде бронеплитки размером 50×50×7 мм спекают в окислительной среде в атмосферной конвейерной печи типа «Wistra-III» при температуре 1560°С с выдержкой в течение 4 часов. В результате термической обработки происходит образование и взаимное перераспределение структурных элементов, слагающих керамическое тело, а структурные элементы формируют свою внутреннюю структуру, в результате чего материал приобретает определенные, свойственные ему технические характеристики. В процессе спекания происходит геометрическое изменение самого тела бронеплитки - усадка, приводящая к повышению плотности тела, изменение размера, формы и взаимного распределения зерен, стекла и пор и возникновение вторичных фаз - стеклофазы, новых химических соединений и их перераспределение в основной кристаллической фазе. Спеченные корундовые бронеплитки остужают, после чего укладывают в тару. Далее корундовые бронеплитки подвергают второму циклу термообработки в водороде при температуре 1660°С с выдержкой в течение 4 часов.

Пример 2

Формование корундовых изделий производят методом литья.

Алюмооксидный порошок с содержанием 98,5% окиси алюминия смешивают с органической связкой из парафина с добавкой олеиновой кислоты и воска. Полученную массу с целью удаления воздушных включений вакуумируют в вибровакуумном смесителе ВМ-40А, который обеспечивает качественное размешивание и вакуумирование шликера. Далее осуществляют литье корундовой бронеплитки с использованием литьевой формы на полуавтомате М-902 с автоматическим регулированием температуры и времени выдержки. Затем для удаления связки изготовленные методом литья бронеплитки помещают в абсорбент из порошка глинозема и осуществляют предварительный обжиг на воздухе при температуре 240°С в течение 40 часов со средней скоростью нагревания 10°С в час, после чего бронеплитки подвергают термообработке в окислительной среде в конвейерной печи типа «Wistra-III» при температуре 1560°С с выдержкой в течение 4 часов. Спеченные корундовые плитки остужают. Далее корундовые бронеплитки подвергают второму циклу термообработки в водороде при температуре 1660°С с выдержкой в течение 4 часов.

В табл.1 приведены данные анализа микроструктуры и полученных значений плотности и микротвердости корундовых бронеплиток, изготовленных прессованием или литьем и затем спеченных только в окислительной среде.

В табл.2 приведены данные анализа микроструктуры и полученных значений плотности и микротвердости корундовых бронеплиток, изготовленных прессованием или литьем, причем процесс спекания выполнен сначала в окислительной среде, а затем в среде водорода.

Таблица 1 № п/п Вариант формования корундового изделия Микроструктура Характеристики Средний размер кристаллов, мкм Стеклофаза, % Поры, % Плотность, г/см³ Микротвердость 1 Прессованная бронеплитка 12 12-13 2,5 3,63 19,3 2 Литая бронеплитка 9 9 2,6 3,62 16,8

Таблица 2 № п/п Вариант формования корундового изделия Микроструктура Характеристики Средний размер кристаллов, мкм Стеклофаза, % Поры, % Плотность, г/см³ Микротвердость 1 Прессованная бронеплитка 10 9-10 1,5 3,86 20 2 Литая бронеплитка 9 9 2,0 3,83 17

Как видно из приведенных в табл.2 данных, в результате цикличной термообработки первый цикл осуществляют в окислительной среде при температуре 1560°С, затем изделия полностью охлаждают, перекладывают и проводят второй цикл в водороде при температуре 1660°С, при этом значительно увеличилась плотность керамической бронеплитки. У бронеплитки, полученной методом прессования, плотность увеличилась с 3,63 г/см³ до 3,86 г/см³, а у бронеплитки, полученной методом литья, - с 3,62 г/см³ до 3,83 г/см³. Следовательно, лучшие показатели у керамической бронеплитки, сформованной методом прессования и прошедших термообработку в два этапа в разных средах - окислительной и водородной. У таких бронеплиток сочетается высокая плотность (выше, чем у литых, обожженных в том же режиме), высокая микротвердость и более низкая пористость.

Таким образом, опытная проверка подтвердила получение заявленного технического результата. Спекание в процессе цикличной термообработки с выполнением первого цикла термообработки в окислительной среде при температуре 1560°С, а второго - в водороде при температуре 1660°С позволяет, по сравнению с прототипом, снизить количество циклов (с пяти до двух), сократить количество операций полного охлаждения и перекладывания, что влечет за собой сокращение общего времени на изготовление изделия, уменьшение энергозатрат и, как следствие, снижение себестоимости изготовления корундовых изделий, улучшить основные показатели, а именно повысить их плотность и твердость, снизить пористость и водопоглощение. Такой режим спекания оказал существенное влияние на размеры и степень срастания кристаллов по границам, которые получаются малоугловатыми и не отличаются от остального объема кристаллов, при этом корундовое изделие имеет монолитное строение. Такое строение достигнуто за счет предложенного режима спекания, при котором в процессе удаления пористости кристаллы под действием сил поверхностного натяжения перемещаются в объем пор и при этом поворачиваются до совпадения кристаллических решеток, срастаясь между собой. Подобная структура обеспечивает высокую плотность и твердость, позволяет повысить сопротивление внедрению пули в бронеплитки из корундовой керамики.

Корундовые изделия, изготовленные предлагаемым способом, могут найти применение в качестве керамических бронеэлементов для изготовления индивидуальных и транспортных средств защиты, а также в качестве изоляторов и подложек для электронной техники. Отформованные заготовки из порошка оксида алюминия спекают в процессе проведения двух циклов термообработки. После завершения каждого цикла осуществляют полное охлаждение и перекладку заготовок. Первый цикл осуществляют в окислительной среде при температуре 1560-1620°С, а второй - в водороде при температуре 1620-1700°С. Технический результат изобретения - повышения плотности и микротвердости корундовых изделий, что позволяет улучшить баллистические свойства броневой керамики. 2 пр., 2 табл.

Способ изготовления корундовых изделий, включающий спекание заготовок в процессе цикличной термообработки, после завершения каждого цикла осуществляют полное охлаждение изделий, причем последующий цикл термообработки проводят при более высокой конечной температуре, чем предыдущий, отличающийся тем, что спекание выполняют в процессе проведения двух циклов термообработки, при этом первый цикл осуществляют в окислительной среде при температуре 1560-1620°С, а второй - в водороде при температуре 1620-1700°С.