Способ изготовления трубчатых керамических изделий Советский патент 1981 года по МПК C04B35/00 B28B21/00 

(54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТРУБЧАТЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ

ИЗДЕЛИЙ

I

Изобретение относится к разработке способа получения полых высокоппотных длинномерных изделий из керамических материалов на основе стабильных окиспов элементов периодической системы с применением процесса испарение-конденсация в вакууме.

В настоящее время в технике известно несколько способов получения изделий из керамических материалов: порюшковая металлургия, газофазная металлургия и пирометаллургия.

Известен способ получения попых изделий из керамических материалов путем нанесения керамической массы на тол - стую необожженную керамическую подложку при использовании промежуточного слоя из металлического палладия и спекания. В процессе спекания промежуточный слой разрушается в результате воздействия агрессивных газов, и изделие после охлаждения отделяют от подложки fl.

Недостатком этого способа является то, Что длинномерные изделия получаются

с большой пористостью (до 15%), при этом они содержат значительное количестуво примесей.

Известны способы получения полых изделий путем термического разложения диосоциируюших химических соединений с последующим восстановлением и осаждением восстановленного элемента из газовой фазы на нагретые выше температуры разложения подложки 2.

10

Однако эти способы не применимы дпя получения полых изделий из керамических материалов на основе стабильных окислов элементов периодической системы,

15 так как задача состоит в получении изделий именно из стабильных окислов.

Известен также способ изготовления длинномерных трубок, например, из окиси алюминия путем гидростатического прес20сования заготовок с последующим их спеканиям при 175О-18ОО°С ,в течение 1 ч.

Известный способ обычно позволяет получать полые длинномерные высокоплот8ные изделия из керамических материапов в три стадии; гидростатическое прессование сплошных длинномерных цилиндричес-2 ких заготовок при давлениях 1500 кг/см; последующее формирование отверстия путем рассверливания спрессованной заготов ки на стенке; спекание заготовок 3J. Однако получать известным способом полые прессованные высокоплотные длинно-мерные заготовки затруднительно ввиду того, что в процессе прессования при давлении 1500 кг/см центральная металлическая игла волнообразно изгибается по длине и ее трудно извлечь из заготовки, которая при этом часто разр(ушается. Прессование при меньших давлени ях не обеспечивает высокой плотности изделий. Наиболее близким к предлагаемому является способ изготовления трубчатых издепий путем плазменного напыления оксидов на стенки полого цилиндра с последующим его удалением. Плотность получаемых заготовок 97% от теоретической, длина - до 180 мм f 4 J. Недостатком указанного способа является низкая плотность получаемых длин- номерных изделий. Цель изобретения - получение длинномерных изделий с плотностью бш1зкой к теоретической. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу изготовления трубчатых керамических изделий преимущественно на основе стабильных оксидов путем напьшения оксидов на стенки полого цилиндра с последующим его удалением, напыление осуществляют переконденсацией в вакууме оксида трубчатой заготовки шл полненной с полостью и размещенной внут ри цилиндра с зазором, путем нагрева расположенным в ее полости нагревателей до температуры 0,7-0,9 температуры плавления оксида, при этом температуру торцов заготовки поддерживают на уровне 0,5-0,6 температуры плавления оксидаТ а после окончания процесса переконденса- ции при прекращении нагрева в полости осуществляют выдержку при температуре 0,45-О,6 температуры плавления, за счет внешнего нагрева, после чего цилиндр охлаждают jco скоростью ЗОО-400 С/ч При этом трубчатую заготовку размешают в цилиндре с зазором 0,35-1 мм, а на внутреннюю поверхность цилиндра предварительно HaHOcsrr слой оксида толшиной 0,35-1 мм, на который затем на- тюсят слой переконденсируемого оксида толщиной 30-50 мк. 04 Слой из порошка керамического материала на технологической оболочке выполняют, например, путем нанесения шихты на внутреннюю поверхность технологической оболочки с последующим напылением на нее слоя керамического материала толщиной 35-5 О мкм. За счет усадки полученный таким образом порошкообразный слой легко разрушается при охлаждении изделия, в результате чего он свободно извлекается из технологической оболочки. При этом зазор между слоем керамического материала на технологической оболочке и заготовкой обеспечивают выбором геометрии заготовки и ее центровкой. Температура нагрева заготовки керамического материала выбраны с учетом приемлемого времени получения изделия, равного 3-10 ч, без заметного упрочнения порошкообразного слоя на технологической оболочке и предотвращения пластического течения заготовки при переконденсаЦйИ, что соответствует 0,7 09 температуры плавления керамического материала на основе стабильных окислов элементов периодической системы. Уменьшение зазора менее 0,35 мм в значительной мере замедляет процесс нереконденсации f и приводит к скреплению изделия с заготовкой. Унос керамического материала в вакуумную камеру при нагреве предотвращается поддержанием тчэрцов заготовки на уровне 0,5-0,6 температуры плавления керамического материала, В этом случае конденсация пара при осевом массопереносе осуществляется в концевых зонах изделия и заготовки в результате чего пар из центральной зоны не попадает за пределы ПОЛОСТИ технологической оболочки. Унос материала с торцов заготовки при температуре 0,5-0,6 температуры ее плавления за 3-10 ч незначителен, из-за низкой упругости пара. Растрескивание изделия при охлаждении предотвращаются термостатированием, в редулнтате которого значительно уменьшаются радиальные градиенты температур. Этот процесс обеспечивают поддержанием температуры технологической оболочки на уровне О,45-0,6О температуры плавления заготовки при прекращении нагрева в иопостя и образованием вакуумрого зазора между технологической оболочкой и изделием за счет разрушения и ликвидации непрочного слоя из порошка керамического материала на технологичеокой оболочке. При температуре технологической оболочки 0,45-0,6 температуры плавления керамического материала не происходит также заметного упрочнения слоя в течение 3-10 ч. Предлагаемый способ позволяет получать полые высокоплатные длинномерные изделия улучшенного качества из широкого класса керамических материалов на ос нове стабильных окислов элементов периодической системы, например СаО, MgO, BeO, , S-iOj. ,, и др., в вакууме Для осуществления предлагаемого способа используется как стандартное, так и несложное нестандартное оборудование, содержащее вакуумную камеру с нагревательным устройством. Предлагаемый способ позволяет получать полые изделия с различной конфигурацией, например цилинд призма и т.д. Способ применим для изгаговления полых изделий и из других материалов, например металлов и их стабильнь1Х соединений с металлоидами. Способ осуществляется с помощью уст ройства, состоящего из внутреннего нагревателя, на котором укреплена заготовка, технологической оболочки со слоем из порошка керамического материала на внут ренней поверхности и внешнего нагревателя. П р и м е р 1. На внутреннюю поверх ность цилиндра в виде молибденовой трубы с внутренним диаметром 2О мм, наружным 22 мм и длиной 150 мм наносят., слой спиртоглицериновой шихты, из окиси алюминия путем размещения в нем металлического стержня с зазором 0,9-1 мм и последующей засыпки в зазор шихты с периодическим ее уплотнением втулкой. Затем цилиндр после извлечения стержня размещают в вакуумной камере, наносят на спой из шихты, с целью его укрепления, пленку конденсата окиси алюминия толщиной 30-50 мк путем нагрева предварительного запыленного окисью алю миния вольфрамового стержня диаметррм 6 мм до . После чего в цитшндр на нагреватель помещают зазором 0,4- . 0,6 мм заготовку высотой 150 мм в ри- де столба из предварительно спеченных полых таблеток из окиси алюминия платностью 80-90% теоретического значения с внутренним диаметром 6 мм и наружным 16 мм. Центровку заготовки относительно стенок цилиндра осуществляют нагревателем. Затем заготовку переконденсируют в вакууме 5 тор на слой окиси алюминия и нагревают до 18001900 С в течение 4-х ч. При этом в процессе переконденсации температура торцов заготовки поддерживалась равной 11ОО-125О С. Уменьшение нагрева в полости цилиндра осуществляют с одновременным включением внешнего нагрева таким образом, что в процессе прекращения нагрева в полости оболочки температура ее поверхности находится на уровне 12ОО-125О С, после чего оболочку охлаждают со скоростью ЗОО-40ос/ч. При охлаждении, вследствие усадки изделий, слой из порошка окиси алюминия разрушается и удаляется в камеру, и изделие в виде полого цилиндра длиной 120 мм с наружным диаметром 18 мм, внутренним9 мм свободно извлекают из технологической оболочки. Плотность изделия составляет 96-97% от теоретического зна- чения, структура-столбчатая, ориентированная по радиусу. Пример 2. В цилиндре подготов ленном аналогично примеру 1, и с той же геометрией, в качестве заготовки устана ливали бракованную (с трещинами) трубку из окиси алюминия. Переконденсацию и охлаждение осуществляют в режиме по примеру 1. После охлаждения подучают герметичную трубку аналогичную примеру 1. П р е р 3. В хшлиндре, аналогичном примеру 1, и с той же геометрией, размещают с зазором 1 мм заготовку в виде уплотненной шихты из порошка окиси алюминия. Переконденсацию и охлаждение осуществляют по примеру 1. Таким образом, получают герметичную трубу длиной 120 мм наружным диаметром 18 мм и внутренним 1,3 мм с аналогичными характеристиками. Пример 4. В технологичебкой оболочке-цилиндре длиной 1ОО мм и внутренним диаметром 19 мм, аналогично примеру 1, наносят слой толщиной 0,35-0,5 мм из окиси магния. Напыление слоя конденсата осуществляют при температуре нагревателя . Заготовку в виде столба полых таблеток из спеченной окиси магния с наружным диаметром 17 мм, .внутренним диаметром 5 мм и плотностью 90% от теоретического значения размещают с зазором 0,4-0,6 мм. Заготовку переконенсируют при нагреве до 220О-2300 С течение 5 ч, при этом температуру ixjp ов заготовки поддерживают на уровне 1600-1700. Температуру технологи- . ческой оболочки в процессе прекращения нагрева в полости обеспечивают на уровне 1500-1600с внешним нагревом, после чего оболочку охлаждают со скоростью 300-400 С/ч м извлекают из нее трубку длиной 9О мм, наружным диаметром 18 мм и внутренним - 9 мм. Платность изделия составляет 96-98% от теоретического значения. Структура столбчатая, ормевгтированная по радиусу. Пример 5. В молибденовой технологической оболочке внутренним диаметром 20О мм, наружным 22 мм и вы- сотой .60 мм, аналогично примеру 1, укрепляют слой из порошка окиси кальция толщиной 0,9-1,0 мм. Заготовку высотой 60 мм набирают в виде столба из необра ботанных спеченных полых таблеток окиси кальция наружньш диаметром 17 мм, внут ренним 6 мм и размещают с зазором 0,4- 0,6 в технологической оболочке на вольфрамовом нагревателе диаметром 6 мм.ЗЬз- гхутовку переконденсируют на спой окиси кальция при нагреве до 22ОО-23ОО С в течение 3 ч при температуре торцов заготовки 1500-1600 0. В течение прекращения нагрева в полости температуру технологической оболочки поддерживают внешним нагревом на уровне 1400-15ОО С, затем охлаждают со скоростью ЗОО400 С/ч и извлекают изделие в виде пологЬ цилиндра высотой 50 мм, наружным диаметром 18 мм и внутренним 9,5 мм. Плсхтность кацепял 97-98% от теорети- ческого значения. Ог ктура изделня стол бчвта, ориентированная по радиусу. Таким образом, предлагаемый способ позволяет получать длиннсилерные керамические трубки с плотностью, близкой к теоретической. Формула изобретения 1. Способ изготовления трубчатых керамических изделий преимущественно на 8 08 основе стабильных оксидов путем напыления оксидов на стенки полого цилиндра с последующим его удалением, отличающийся тем, что, с целью получения длинномерных изделий с плотностью, близкой к теоретической, напыление осуществляют переконденсацией в вакууме оксида трубчатой заготовки, выполненной с полостью и размещенной внутри цилиндpa с зазором, путем нагрева расположенным в ее полости нагревателем до температуры 0,7-0,9 температуры плавления оксида, при этом температуру торцов заготовки поддерживают порядка 0,5-0,6 температуры плавления, а после окончания процесса переконденсации при прекращении нагрева в полости осуществляют выдержку при температуре 0,45-0,6 температуры плавления за счет внешнего нагрева, после чего цилиндр охлаждают со скоростью ЗОО-4ООС/ч. 2.Способ по п. 1, отличающий с я тем, что трубчатую заготовку раа 1ещают внутри цилиндра с зазором О,35-1 мм. 3.Способ попп. 1 и2, отлича..ю щ и И с я тем, что на внутреннюю поверхность цилиндра предварительно наносят спой оксида толщиной 0,35-1 мм/на который затем наносят слой переконденсируемого оксида толщиной 30-50 мк. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Заявка ФРГ № 1263577, кл. С О4 В 35/00, 1968, 2.Авторское свидетельство СССР № 457757, кл. С 23 С 11/02, 1971. 3.Отчет № 178 по хоздоговору между Донецким и Сухумским физико-техническими институтами. 1973. 4ГАтег..бос.виЕе.1978, 57, № 6, р. 610.