СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ АЛЮМОМАГНЕЗИАЛЬНОЙ ШПИНЕЛИ Российский патент 2013 года по МПК C04B35/443 

Изобретение относится к способам получения керамических материалов на основе двойных оксидов и может быть использовано в огнеупорной промышленности, металлургии, радиотехнике, энергетике и теплотехнике.

Известен способ получения изделий из корундосодержащих материалов, включающий синтез алюмомагнезиальной шпинели путем измельчения стехиометрической смеси исходных оксидов алюминия и магния с последующим брикетированием и обжигом при 1250-1300°С. Смесь смешивают с огнеупорной глиной при содержании шпинели 30-70 мас.% в шаровой мельнице в течение 2 ч, при соотношении шаров и материала 2:1, затем в массу добавляют 25-30% воды для роспуска глины и оставляют вылеживаться не менее 1 суток. Полученную массу высушивают и просеивают через сито 063. Изделия формуют полусухим прессованием и обжигают при 1200-1300°С (Патент РФ №2100316, опуб. 27.12.97 г., МПК С04В 35/443, 33/00). Недостатком известного способа является высокая открытая пористость (25%) и низкая прочность на изгиб (35 МПа), а температурный интервал обжига изделий не позволяет использовать их при более высоких температурах, так как происходит структурная перестройка материала, приводящая к деградации эксплуатационных характеристик.

Известен способ получения керамики из алюмомагнезиальной шпинели, включающий приготовление шихты из порошков оксида магния и нитрида алюминия состава, масс.%: оксид магния - 32-35%; нитрид алюминия - 65-68% путем их смешения, ее помол, формование заготовок, их сушку и обжиг в кислородсодержащей атмосфере до прекращения изменения массы обжигаемых заготовок. Получают спеченную однофазную керамику из алюмомагнезиальной шпинели с тонкозернистой структурой и пределом прочности при сжатии 340-500 МПа (заявка 92015466/33 от 30.12.92 г., опуб. 09.06.95, МПК С04В 35/10). Недостатком способа является недостаточно высокая прочность.

Наиболее близким к заявляемому является способ изготовления изделий из корундовой керамики, включающий изготовление мелкодисперсной смеси, содержащей тальк и глиноземистый компонент, введение в состав шихты фракционированного корунда и временного связующего, формование, сушку, обжиг и охлаждение изделий. При изготовлении мелкодисперсной смеси в качестве глиноземсодержащего компонента используют глинозем, при следующем соотношении компонентов смеси, мас.%: тальк - 5-20, глинозем - 80-95 в качестве корунда-электрокорунд, при следующем соотношении компонентов шихты, мас.%: электрокорунд фр. 3,0-0,5 мм - 50-60, указанная мелкодисперсная смесь - 40-50 и в качестве связующего - лигносульфонат. Обжиг изделий осуществляют при температуре 1600±50°С с изотермической выдержкой в течение времени, необходимого для образования равновесного количества алюмомагнезиальной шпинели. (Патент РФ №2198860, опуб. 20.02.2003, МПК С04B 35/101). Недостатком способа является низкая прочность материала при сжатии (45-50 МПа). Этот недостаток связан с тем, что изделия изготавливают одностадийным способом, при котором происходит линейное и объемное расширение материала, обусловленное реакцией шпинелеобразования. Известно, что таким образом невозможно получить изделия на основе алюмомагнезиальной шпинели с нулевой открытой пористостью, плотностью, близкой к теоретической, и высоким уровнем прочности.

Задачей изобретения является получение высокоплотного керамического материала на основе алюмомагнезиальной шпинели с высокими физико-механическими и электроизоляционными характеристиками.

Поставленная задача и технический результат достигаются тем, что в способе получения керамики на основе алюмомагнезиальной шпинели, включающем смешивание порошков оксида алюминия и оксида магния в стехиометрическом соотношении, сушку, формование, обжиг при режимах, обеспечивающих шпинелеобразование, после образования шпинели проводят ее измельчение, добавляют порошки оксида магния и оксида галлия при следующем соотношении компонентов, мас.%:

алюмомагнезиальная шпинель - 53,5-74,5;

оксид магния - 25-45;

оксид галлия - 0,5-1,5,

при этом оксид магния используют в виде наноразмерных фракций, затем полученную массу одновременно сушат и гранулируют в потоке газа, после чего осуществляют повторное формование и отжиг, который проводят при температуре не более 1500°С.

Возможно использование оксида магния в виде наноразмерных порошков, фракций длиной от 1 мкм до 5 мкм и проведение сушки с гранулированием в распылительной сушилке, имеющей коническую рабочую камеру.

Причинно-следственная связь между существенными признаками и достигаемым техническим результатом заключается в следующем. Двухстадийное получение керамического материала позволяет исключить объемное расширение заготовок при повторном обжиге, что исключает образование пористости и трещин, наноразмерный порошок оксида магния, а также модифицирующая добавка оксида галлия, добавляемые в алюмомагнезиальную шпинель, необходимы для активации процесса спекания. Сушка суспензии в распылительной сушилке обеспечивает гранулирование частиц порошка, что обеспечивает оптимальную укладку частиц на стадии формования и снижает упругое расширение прессовки. Снижение температуры обжига, в сравнении с прототипом, позволяет увеличить срок службы нагревательных элементов печного оборудования, что повышает экономический эффект технологического процесса.

На основании проведенных авторами многочисленных опытов и экспериментов было выявлено, что использование совокупности признаков, найденной и заявленной авторами, приводит к новому техническому результату, а именно получению плотного, прочного керамического материала на основе алюмомагнезиальной шпинели с высокими электроизоляционными свойствами.

Предлагаемый способ получения керамического материала на основе алюмомагнезиальной шпинели иллюстрируется следующим примером.

Пример

Для осуществления заявленного способа использовали глинозем марки Г-000 (ГОСТ 30558-98) и оксид магния марки «суперлегкий». Исходные порошки обжигали на воздухе: глинозем - при 1250°С в течение 5 часов, оксид магния - при 800°С в течение 1 часа. Затем исходные компоненты, взятые в следующих количествах, мас.%: оксид алюминия - 71,7%, оксид магния - 28,3%, смешивали в фарфоровом барабане валковой мельницы с использованием мелющих тел из оксида алюминия при соотношении материал:шары:вода=1:2:2 в течение 24 часов. Сушка шихты осуществлялась в сушильном шкафу при температуре 120°С. Затем полученную смесь формовали под давлением 40-50 МПа и обжигали при 1500°С в течение 2 часов. Спеченные брикеты дробились и просеивались через капроновое сито. Крупка измельчалась в среде спирта при соотношении материал:мелющие тела:спирт=1:2:1 в течение 24 часов. Затем в барабан мельницы добавлялся порошок оксида магния в количестве 40% мас. и порошок оксида галлия в количестве 0,5 мас.% и смешивание продолжалось при соотношении материал:мелющие тела:спирт=1:2:2 в течение 24 часов. Сушку спиртовой суспензии осуществляли в распылительной сушилке типа «Минор». Полученный порошок имел удельную поверхность 3,6 м²/г. Заготовки формовали методом холодного изостатического прессования усилием прессования - 100 МПа. Отжиг заготовок осуществлялся в вакууме при температуре 1500°C с выдержкой 0,5 часа.

Выход за пределы заявляемых качественных и количественных режимных характеристик не позволяет получить указанный технический результат, о чем свидетельствуют данные, представленные в таблице.

Таблица Материал Температура спекания материала до 3,58 г/см³ Прочность на изгиб, МПа Т_сп=1500°С Прочность на сжатие, МПа Т_сп=1500°С Электросопротивление ма-лов, спеченных при 1500°С, Ом·см Микротвердость материалов, спеченных при 1500°С, кг/мм² Содержание MgO в АМШ, % Содержание Ga₂O₃, % Удельная поверхность порошка MgO, м²/г 20 1 62 1600 200 490 3,5·10¹² 800 40 1 62 1500 360 850 7·10 ¹⁴ 1050 50 1 62 1500 350 830 2,7·10¹¹ 960 40 1 0,6 1650 80 150 1,2·10¹¹ 570 40 0 62 1550 220 600 9,5·10¹³ 850 40 2 62 1550 340 820 2,1·10¹⁵ 990

Анализ полученных результатов показывает, что полученный керамический материал обладает совокупностью более высоких, чем керамика по прототипу, значений характеристик.

Изобретение относится к способам получения керамических материалов на основе двойных оксидов и может быть использовано в огнеупорной промышленности, металлургии, радиотехнике, энергетике и теплотехнике. Техническим результатом изобретения является повышение прочности на сжатие и изгиб и электросопротивления изделий. Способ получения керамики на основе алюмомагнезиальной шпинели включает смешивание порошков оксида алюминия и оксида магния в стехиометрическом соотношении, сушку, формование, обжиг при режимах, обеспечивающих шпинелеобразование. Причем после образования шпинели проводят ее измельчение, добавляют порошок наноразмерных фракций оксида магния и порошок оксида галлия, при следующем соотношении компонентов, мас.%: алюмомагнезиальная шпинель - 53,5-74,5; оксид магния - 25-45; оксид галлия - 0,5-1,5. Затем полученную массу одновременно сушат и гранулируют в потоке газа, после чего осуществляют повторное формование и отжиг, который проводят при температуре не более 1500°С. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ получения керамики на основе алюмомагнезиальной шпинели, включающий смешивание порошков оксида алюминия и оксида магния в стехиометрическом соотношении, сушку, формование, обжиг при режимах, обеспечивающих шпинелеобразование, отличающийся тем, что после образования шпинели проводят ее измельчение, добавляют порошки оксида магния и оксида галлия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
алюмомагнезиальная шпинель 53,5-74,5 оксид магния 25-45 оксид галлия 0,5-1,5,

при этом оксид магния используют в виде наноразмерных фракций, затем полученную массу одновременно сушат и гранулируют в потоке газа, после чего осуществляют повторное формование и отжиг, который проводят при температуре не более 1500°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что оксид магния используют в виде наноразмерных порошков.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что оксид магния используют в виде фракций длиной от 1 мкм до 5 мкм.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что сушку с гранулированием проводят в распылительной сушилке, имеющей коническую рабочую камеру.