СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ АЛЮМОМАГНЕЗИАЛЬНОЙ ШПИНЕЛИ
METHOD OF PRODUCING CERAMICS BASED ON ALUMINIUM-MAGNESIUM SPINEL

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
2
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 м/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/см<sup>3</sup>
Прочность на изгиб, МПа Т<sub>сп</sub>=1500°С
Прочность на сжатие, МПа Т<sub>сп</sub>=1500°С
Электросопротивление ма-лов, спеченных при 1500°С, Ом·см
Микротвердость материалов, спеченных при 1500°С, кг/мм<sup>2</sup>
Содержание MgO в АМШ, %
Содержание Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub>, %
Удельная поверхность порошка MgO, м<sup>2</sup>/г
20
1
62
1600
200
490
3,5·10<sup>12</sup>
800
<b>40</b>
<b>1</b>
<b>62</b>
<b>1500</b>
<b>360</b>
<b>850</b>
<b>7·10</b><sup>14</sup>
<b>1050</b>
50
1
62
1500
350
830
2,7·10<sup>11</sup>
960
40
1
0,6
1650
80
150
1,2·10<sup>11</sup>
570
40
0
62
1550
220
600
9,5·10<sup>13</sup>
850
40
2
62
1550
340
820
2,1·10<sup>15</sup>
990
Анализ полученных результатов показывает, что полученный керамический материал обладает совокупностью более высоких, чем керамика по прототипу, значений характеристик.