способ получения керамической массы

Формула изобретения

Способ получения керамической массы на основе нанокристаллических порошков оксидов металлов, полученных плазмохимическим методом, включающий последовательные действия низкотемпературного отжига в течение 1 ч при температуре 800-1000°С, механической активации с добавлением поверхностно-активного вещества и смешивания порошков с органической связкой, отличающийся тем, что механическую активацию осуществляют с добавлением хлорида натрия в количестве 0,25-0,5 вес.% в течение 25-50 ч, а в качестве органической связки используют парафин 12-15 вес.%, содержащий 2-3 вес.% пчелиного воска.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области технической керамики и огнеупоров и может быть использовано для изготовления изделий, применяемых в электротехнике, машиностроении, химической и металлургической отраслях промышленности и других отраслях.

Известно применение ультрадисперсных агломерированных порошков оксидов металлов для производства керамики (Галахов А.В., Вязов И.В., Шевченко В.Я. Компактирование и спекание агломерированных ультрадисперсных порошков ZrO₂. Огнеупоры, 1989, №9, с.12-16). Недостатком данных порошков является их склонность к агломерированию, что оказывает негативное влияние на уплотнение при компактировании и спекании. Более того, возможность использования дешевого, универсального и широко применяемого метода горячего литья на термопластичном связующем для получения изделий из ультрадисперсных порошков существенно ограничено из-за того, что для обеспечения приемлемых реологических свойств шликеров на их основе требуется большое количество органического связующего.

Ближайшим аналогом, принятым за прототип, является керамическая масса [патент РФ №2233816, С04В 35/622, 2002], которую получают последовательным отжигом и мехактивацией в присутствии поверхностно-активного вещества, в качестве которого использована олеиновая кислота.

Недостатком данной керамической массы является то, что введение олеиновой кислоты требует большого времени механической активации вследствие ее высокой вязкости и относительно высокой температуры предварительного отжига, что приводит к росту размеров кристаллитов в нанопорошке. Это приводит к ухудшению прочностных характеристик получаемой керамики вследствие пониженных технологических свойств плазмохимических порошков.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа получения керамической массы для производства высокопрочной керамики на основе нанокристаллических порошков оксидов металлов, полученных плазмохимическим методом с малым содержанием органической связки и сохранением наноструктуры порошков при высоких значениях литейной способности.

Для достижения указанного технического результата предлагается способ получения керамической массы для производства высокопрочной керамики на основе нанокристаллических порошков оксида Al и диоксида Zn, полученных плазмохимическим методом, включающий последовательные действия низкотемпературного отжига плазмохимических порошков в течение 1 часа при температуре 800-1000°С, механической активации в течение 25-50 часов в керамических барабанах с керамически активными телами шаровидной и/или цилиндрической формы с добавлением поверхностно-активного вещества хлорида натрия в количестве 0.25-0.5 вес.% и смешивание плазмохимических порошков с органической связкой, причем в качестве органической связки используют парафин 12-15 вес.%, содержащий пчелиный воск 2-3 вес.%.

Кроме того, используют плазмохимические порошки оксида магния, оксида иттрия, оксида кальция, оксида цезия и их смесей.

Возможность реализации изобретения основана на следующем. Известно, что плазмохимические порошки обладают высокой гомогенностью распределения стабилизирующей добавки, имеют средний размер кристаллитов порядка 20 нм [Иванов Ю.Ф. и др. Стабилизация высокотемпературной модификации диоксида циркония. Стекло и керамика, 1991 г., №9, с.22-23] и являются очень перспективными материалами для производства высокопрочной керамики вследствие большой удельной поверхности (до 50 м/г). Однако это обуславливает их низкие технологические свойства. Например, для них характерна нулевая текучесть, низкая насыпная плотность, малая прессуемость. Это также связано с их неблагоприятным для процесса прессования морфологическим строением, при этом их активность к спеканию очень высока, поэтому не удается получить равномерную по всему объему усадку, а следовательно, однородную плотность после спекания. Это также обусловливает необходимость введения большого количества органической связки (до 60%) (Кульков С.Н. и др. Технологические свойства ультрадисперсных плазмохимических порошков. Стекло и керамика, 2001, №1, с.20-22). Поэтому, без предварительной подготовки ультрадисперсных плазмохимических порошков невозможно получение керамической массы на их основе.

Улучшение технологических свойств плазмохимических порошков и уменьшение содержания органической связки в керамической массе авторами достигается тем, что перед смешиванием плазмохимические порошки предварительно подвергают низкотемпературному отжигу, а затем механической активации. Плазмохимические порошки оксидов металлов отжигают на воздухе при температуре 800-1000°С в течение 1 часа, тем самым увеличивается насыпная плотность и, следовательно, снижается содержание количества органической связки в керамической массе. Интервалы температур и времени отжига выбраны экспериментальным путем, исходя из того, что в данных условиях происходит увеличение технологических свойств плазмохимических порошков без изменений в их структуре.

Затем отожженные плазмохимические порошки подвергают механической активации путем размола в шаровой мельнице с добавлением поверхностно-активного вещества, в качестве которого используют хлорид натрия в количестве 0.25-0.5 вес.% в течение 25-50 часов. Хлорид натрия используется как поверхностно-активное вещество, при этом указанного количества достаточно, чтобы покрыть всю поверхность активируемого порошка. Это обусловлено тем, что даже небольшого количества хлорида натрия в водном растворе достаточно, в отличие от олеиновой кислоты, для равномерного покрытия всех частиц нанопорошка. При этом требуется существенно меньше времени механической активации и меньшие температуры предварительного отжига. Это обусловит сохранение наноструктуры порошков и, как следствие, получение компактного материала с более высокими технологическими свойствами, вследствие увеличения литейной способности шликера. Время активации меньше 25 ч недостаточно для необходимого улучшения технологических свойств порошков. Более 50 ч проводить активацию нецелесообразно, т.к. улучшение технологических свойств порошков уже незначительны. В качестве органической связки используют парафин в количестве 12-15 вес.%, содержащий 2-3 вес.% пчелиного воска. Данное количество органической связки в керамической массе позволяет получить максимальную плотность упаковки при удовлетворительных литейных свойствах.

Изобретение осуществляется следующим образом.

Пример 1.

Керамическую массу готовят из плазмохимического порошка Al ₂О₃. Отжиг на воздухе проводят при температуре 1000°С в течение 60 мин. Измерение насыпной плотности после отжига показало, что для порошка Al ₂О₃ она увеличилась на 5%. Затем отожженный порошок механически активируют в шаровой мельнице с добавлением 0.5 вес.% хлорида натрия в течение 25 ч. Определение насыпной плотности порошка, проведенного по ГОСТ 19440-74, установило, что насыпная плотность порошка Al₂O ₃ увеличилась с 0.2 до 0.9 г/см³. К отожженному и активированному плазмохимическому порошку добавляют стандартную органическую связку - парафин ТУ 6-09-3637-87 в количестве 14 вес.%, содержащий 2-3 вес.% пчелиного воска. Смешивание проводят в смесителе, например, типа "Гарт", с подогреваемым резервуаром и снабженным механической мешалкой.

Пример 2.

Керамическую массу готовят из плазмохимического порошка ZrO₂, стабилизированного плазмохимическими порошками: 5 вес.% Y₂О₃ , либо 9 вес.% MgO, либо 7 вес.% СаО, либо 12 вес.% СеО. Отжиг на воздухе проводят при температуре 800°С в течение 60 мин. Насыпная плотность стабилизированного плазмохимического порошка ZrO₂, прошедшего предварительный отжиг, увеличилась на 10%. Затем отожженные порошки механически активируют в шаровой мельнице с добавлением 0.25 вес.% хлорида натрия в течение 50 ч. Определение насыпной плотности полученных порошков, проведенное по ГОСТ 19440-74, установило, что насыпная плотность стабилизированного плазмохимического порошка ZrO ₂, прошедшего предварительный отжиг и последующую механическую активацию, увеличилась с 0.3 до 1.5 г/см³ . К отожженной и активированной массе плазмохимических порошков добавляют парафин в количестве 13 вес.%. Далее проводят смешивание в смесителе "Гарт".

Пример 3.

Керамическую массу готовят из плазмохимических порошков, содержащих 20 вес.ч. Al₂О₃ и 80 вес.ч. ZrO₂, стабилизированных плазмохимическим порошком 5 вес.% Y₂О₃ . Отжиг на воздухе проводят при температуре 900°С в течение 60 мин. Затем отожженные порошки механически активируют в шаровой мельнице с добавлением 0.5 вес.% хлорида натрия в течение 25 ч. К отожженной и активированной смеси плазмохимических порошков добавляют парафин в количестве 12 вес.% и тщательно перемешивают в смесителе "Гарт".

Полученные предложенным способом керамические массы показали, что совместное действие отжига и последующей механической активации позволяют снизить количество органической связки с 60 вес.% до 12-15 вес.%. При этом литейная способность полученной керамической массы не ниже, чем у стандартных шликеров марки ВК-94-1 или ВК-94-2. Литейная способность стандартных керамических масс марки ВК-94-1, ВК-94-2 и керамических масс, полученных предложенным способом, определенная при общепринятых условиях, а именно при температуре 65°С и давлении 2 атм, представлена в таблице.

Таблица
Керамическая масса	Литейная способность, мм (при 65°С и давлении 2 атм)	Относительная плотность, %
ВК-94-1	32	88
Al 2O3 (по прототипу)	82	92
Al 2О3 (по предлагаемому способу)	92	96
ZrO2 (Y2O 3) по прототипу	75	94
ZrO2 (Y 2О3) по предлагаемому способу	95	97
ZrO2(Y2O 3)-Al2O3 по прототипу	79	91
ZrO2 (Y 2O3)-Al2O 3 по предлагаемому способу	102	98

Как видно из примеров, свойства полученной керамической массы по предлагаемому способу выше, чем у аналогов, и плотность спеченной керамики достигает плотности компактного материала.