способ получения керамики на основе алюмомагнезиальной шпинели

Формула изобретения

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.

Описание изобретения к патенту

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 Тсп=1500°С	Прочность на сжатие, МПа Тсп=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	3,5·10 12	800
40	1	62	1500	360	850	7·1014	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.