СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКОВ β′ - СИАЛОНА Советский патент 1995 года по МПК C04B35/58 

Изобретение относится к способам получения неорганических соединений, в частности β^I-сиалона, обладающего хорошей коррозионной стойкостью к расплавам металлов и шлаков, а также обладающего хорошим сопротивлением окислению при температурах до 1400^оС. Керамика из β^I-сиалона может использоваться в качестве конструкционного материала, для приготовления огнеупорных изделий для производства режущего инструмента.

β^I-Сиалон представляет собой твердый раствор, в котором атомы алюминия и кислорода внедряются в кристаллическую решетку β-модификации нитрида кремния (β Si₃N₄), замещая соответственно атомы кремния и азота. Состав β^I -сиалона принято выражать формулой Si_6-zAl₂O₂Na_8-z (где z≅4,2).

Цель изобретения повышение однородности фазового состава при одновременном упрощении процесса.

Способ получения β^I-сиалона включает приготовление исходной экзотермической смеси, состоящей из горючей (20-70 мас.) и негорючей (30-80 мас.) составляющих, азотирование экзотермической смеси в режиме послойного горения в азотсодержащей среде под давлением газа 0,1-500 МПа после локального инициирования смеси.

В качестве горючей составляющей берут взятые порознь или в смеси порошки кремния и алюминия. В качестве негорючей составляющей берут по крайней мере одно из веществ из ряда: нитрид кремния, нитрид алюминия, оксинитрид кремния, оксинитрид алюминия, сиалоновые соединения (β О^', Х-фазы, политипа нитрида алюминия), оксид алюминия, оксид кремния, алюмосиликаты (муллит, каолинит, силлиманит и др.), нитрат алюминия, гидрооксид кремния, гидрооксид алюминия.

Азотирующая среда представляет собой азот в жидком или газообразном состоянии, смесь азота по крайней мере с одной из добавок из ряда: водород, воздух, инертный газ (аргон, гелий и др.), взятых в количестве 1-50 об.

Введение в состав 30-80 мас. негорючей составляющей позволяет сделать экзотермическую смесь, способную после инициирования гореть с одновременным азотированием горючих компонентов в режиме послойного горения, достигать высокой однородности фазового (содержание β^I-сиалона не менее 99%) и элементного состава во всем объеме конечного продукта. Все компоненты в смеси берут так, что в результате элементный состав целевого продукта удовлетворяет формуле Si_6-zAl₂O₂N_8-z (где z ≅ 4,2). Расчет элементного состава производят с учетом того, что атомы азота поступают из соответствующих нитридных и оксинитридных соединений исходной смеси, а также азота, добавленного в результате азотирования порошков кремния и алюминия, атомы кислорода поступают из оксидных и оксинитридных соединений, атомы кремния и алюминия из металлических порошков и соответствующих компонентов негорючей составляющей.

Проведение процесса азотирования под давлением газа 0,1-500 МПа необходимо для достижения высоких температур термообработки 1800-2500^оС, развиваемых в результате горения экзотермической смеси в азотирующей среде, которые обеспечивают высокие скорости фазообразования β^I сиалона. Повышенное давление газа, а также небольшая длительность процесса горения (несколько десятков секунд) делают незначительными потери, связанные с испарением возможных летучих соединений (моноокиси кремния SiO₂, парообразного кремния и др.), что позволяет добиваться высокой степени однородности фазового и элементного составов конечного продукта.

Для осуществления способа предпочтительно использовать алюминий дисперсностью менее 100 мкм, кремний и соединения негорючей составляющей менее 25 мкм. Способ допускает использование веществ как в аморфном, так и кристаллическом состоянии и не накладывает ограничений на кристаллическую модификацию компонентов смеси.

Азотирующий газ готовят предварительным смешением азота с добавками в газообразном состоянии, азот берут технический как в жидком, так и в твердом состоянии, воздух, водород и инертные газы берут в состоянии поставки.

Для смешения компонентов можно использовать любой из общепринятых способов приготовления композиций керамических порошков, например сухое смешение в шаровой мельнице. Полученную смесь помещают в реактор, который заполняют азотирующим газом до давления 0,1-500 МПа. В случае использования жидкого азота в реактор помещают смесь, находящуюся в стакане с жидким азотом. Затем проводят реакцию азотирования в режиме направленного послойного горения после локального воспламенения экзотермической смеси с помощью вольфрамовой спирали, на которую подают кратковременный импульс электрического тока 30-70 А. Раскаленная спираль, соприкасаясь с экзотермической смесью, инициирует реакцию горения в тонком слое смеси. За счет тепла, выделившегося в результате экзотермической реакции смеси с азотом, прогревается и воспламеняется следующий слой. Таким образом формируется фронт горения, который распространяется по смеси. После окончания синтеза давление в реакторе сбрасывается до атмосферного и извлекается спек порошка из β^I -сиалона, который затем размалывается до порошка с микронными размерами зерен.

П р и м е р. В шаровую мельницу загружают смесь порошков, содержащую 49 мас. порошка кремния, 36 мас. порошка оксида алюминия в α-модификации и 14,4 мас. порошка нитрида алюминия, перемешивают в течение 60 мин. Затем полученную смесь засыпают в графитовый стакан. Далее смесь в графитовом стакане помещают в реактор и заполняют азотом до давления 50 МПа, после чего инициируют горение смеси подачей электрического тока на спираль, которая находится в контакте с исходной смесью. Температура термообработки 2170^оС. После окончания реакции давление в реакторе сбрасывается и извлекают конечный продукт, который представляет собой спек с относительной плотностью примерно 0,5. Элементный состав полученного продукта выражается формулой Si₃,₇Al₂, ₃O₂, ₃N_5,7. Рентгенофазовый анализ показал наличие содержания только однородной фазы β^I-сиалона.

Полученный после размола спека порошок β^I-сиалона может быть использован в качестве исходного материала для изготовления конструкционной керамики, огнеупорных изделий, а также для изготовления режущего инструмента.

Другие примеры способа получения порошка β^I-сиалона представлены в таблице.

Порошок β^I-сиалона, полученный известными способами, содержит побочные продукты (корунд, оксинитрид кремния и др.), а все печные способы получения тугоплавких соединений характеризуются большой длительностью процесса (несколько суток) с большим расходом электроэнергии.

Tаким образом, предлагаемый способ позволяет получать порошок β^I-сиалона высокой однородности фазового и элементного состава с любой доступной степенью замещения z по формуле Si_6-zAl₂O₂N_8-z (где z ≅ 4,2), при этом способ отличается простотой, малой энергоемкостью и длительностью.

Изобретение относится к способам получения неорганических соединений, в частности β′ - сиалона, и может найти применение в автомобильной, авиационной отраслях промышленности для изготовления высокотемпературной конструкционной керамики, в производстве огнеупоров, а также для производства режущего инструмента. Целью изобретения является повышение однородности фазового состава при одновременном упрощении процесса. Поставленная цель достигается тем, что способ получения β′- сиалона включает приготовление экзотермической смеси, содержащей 20 - 70 мас.% негорючей составляющей, в качестве которой используют кремний и/или алюминий и 30 - 80 мас.% негорючей составляющей, в качестве которой используют по крайней мере одно из кислородсодержащих вешеств из ряда: оксинитрид кремния, оксинитрид алюминия, сиалоновые соединения, оксид кремния, оксид алюминия, силикаты алюминия, нитрат алюминия, гидрооксид кремния, гидрооксид алюминия, причем соотношение компонентов смеси обеспечивает в результате термообработки элементный состав β′ - сиалона. Шихта термообрабатывается в режиме послойного горения при 1800 - 2500°С под давлением азотсодержащего газа 0,1 - 500 МПа. Содержание β′- сиалона в полученном порошке не менее 99%.3 з. п. ф-лы, 1 табл.

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКОВ β′ СИАЛОНА, включающий приготовление экзотермической смеси, содержащей горючую и негорючую составляющие, и ее термообработку в азотсодержащей среде, отличающийся тем, что, с целью повышения однородности фазового состава при упрощении процесса получения, готовят экзотермическую смесь, содержащую 20-70 мас. горючей составляющей и 30-80 мас. негорючей составляющей, при этом в качестве горючей составляющей используют порошки кремния и/или алюминия, в качестве негорючей составляющей используют по крайней мере одно из кислородсодержащих веществ из ряда: оксинитрид кремния, оксинитрид алюминия, сиалоновые соединения, оксид кремния, оксид алюминия, силикаты алюминия, нитрат алюминия, гидроксид кремния, гидроксид алюминия, соотношение компонентов смеси обеспечивает в результате термообработки элементный состав β′ -сиалона, соответствующий формуле Si_6-Z Al₂O₂N_8-Z (где Z ≅ 4,2), а термообработку смеси проводят при 1800-2500^oС в режиме послойного горения путем локального инициирования смеси под давлением азотсодержащего газа 0,1-500,0 МПа. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в состав негорючей составляющей дополнительно вводят нитрид кремния и/или алюминия. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве азотсодержащей среды используют азот или его смесь по крайней мере с одной добавкой из ряда воздух, водород, инертный газ в количестве 1-50 об. 4. Способ по пп.1-3, отличающийся тем, что азот используют в жидком или газообразном состоянии.