CZ286735B6

CZ286735B6 - Způsob řízení velikosti a počtu pórů samonosných keramických a/nebo kovokeramických těles

Info

Publication number: CZ286735B6
Application number: CZ19962883A
Authority: CZ
Inventors: Karel Ing. Neufus; Pavel Dr. Drsc. Ing. Chráska
Original assignee: Ústav fyziky plazmatu
Priority date: 1996-09-30
Filing date: 1996-09-30
Publication date: 2000-06-14
Also published as: CZ288396A3

Abstract

Způsob řízení velikosti a počtu pórů samonosných keramických těles vytvořených z oxidové keramiky, zejména z oxidu hlinitého (Al.sub.2.n.O.sub.3.n.), oxidu titaničitého (TiO.sub.2.n.), oxidu zirkoničitého (ZrO.sub.2.n.), oxidu chromitého (Cr.sub.2.n.O.sub.3.n.), oxidu hořečnatého (MgO), oxidu ytritého (Y.sub.2.n.O.sub.3.n.), oxidu ceričitého (CeO.sub.2.n.), oxidu vápenatého (CaO), křemičitanu zirkoničitého (ZrO.sub.2.n..SiO.sub.2.n.), křemičitanu vápenatého (CaO.SiO.sub.2.n.) metodou plazmového nanášení, který spočívá podle vynálezu v tom, že se v hotových samonosných tělesech póry dodatečně zvětšují nebo zmenšují žíháním na teplotu fázové změny nebo fázových změn keramiky.ŕ

Description

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu řízení velikosti a počtu pórů samonosných keramických těles vytvořených z oxidové keramiky zejména z oxidu hlinitého (A1₂O₃), oxidu titaničitého (TiO₂), oxidu zirkoničitého (ZrO₂), oxidu chromitého (Cr₂O₃), oxidu hořečnatého (MgO), oxidu ytritého (Y₂O₃), oxidu ceričitého (CeO₂), oxidu vápenatého (CaO), křemičitanu zirkoničitého (ZrO₂.SiO₂), křemičitanu vápenatého (CaO.SiO?) metodou plazmového nanášení.

Dosavadní stav techniky

Plazmovým nanášením vytvořené samonosné vrstvy nebo samonosná tělesa z těchto vrstev jako např. trubky, kelímky nebo desky jsou vždy pórovitá. Pórovitost je daná způsobem vzniku vrstvy a je možné ji ovlivnit v malé míře technologií plazmového nanášení. Vytvářet je možné samonosná tělesa dvou typů. Prvním typem jsou tělesa keramická, z jednoho nebo různých druhů oxidů. Většinou se jedná o oxidy jako např. A1₂O₃, ZrO₂, TiO₂, MgO, SiO₂, Cr₂O₃, CeO₂, CaO, Y₂O₃ příp. ZrO₂.SiO₂ nebo CaO.SiO₂. Druhým typem jsou samonosná tělesa kovokeramická obsahující oxidickou a kovovou složku. Obsah kovu v keramice může být až 50 %. Pórovitost samonosných těles má zásadní význam pro technické použití těles. Pro některé účely je pórovitost na závadu např. u trubek určených pro vedení různých plynů při vysokých teplotách. V jiných případech je naopak definovaná pórovitost žádoucí a potřebná, např. u filtrů. Způsobům řízení otevřené pórovitosti, resp. plynopropustnosti je věnován předložený vynález.

Podstata vynálezu

Předmětem vynálezu je způsob řízení velikosti a počtu pórů samonosných keramických těles vytvořených z oxidové keramiky zejména z oxidu hlinitého (A1₂O₃), oxidu titaničitého (TiO₂), oxidu zirkoničitého (ZrO₂), oxidu chromitého (Cr₂O₃), oxidu hořečnatého (MgO), oxidu ytritého (Y2O3), oxidu ceričitého (CeO₂), oxidu vápenatého (CaO), křemičitanu zirkoničitého (ZrO₂.SiO₂), křemičitanu vápenatého (CaO.SiO₂) metodou plazmového nanášení, který spočívá podle vynálezu vtom, že se v hotových samonosných tělesech póiy dodatečně zvětšují nebo zmenšují žíháním keramických samonosných těles na teplotu fázové změny nebo fázových změn keramiky. Z principu plazmového nanášení vyplývá, že nanášený materiál roztavený v proudu plazmatu velmi rychle ztuhne po dopadu na podložku. Rychlost tuhnutí se u částic o velikosti 0,04-0,09 mm pohybuje v rozmezí 10^-10“⁶ °C/sec. Velká rychlost tuhnutí částic způsobuje, že nanášený keramický materiál je v neobvyklé (nestandardní) fázové modifikaci. Tak např. AI₂O₃s obsahem TiO₂ (do 40 %) je po průchodu plazmatem převážně ve fázové modifikaci gama, doprovázené v menší míře ještě dalšími fázemi. Hlavní fázovou modifikací čistého A1₂O₃ (99 %) je po průchodu plazmatem fázová modifikace delta, doprovázená opět dalšími fázemi. Doprovodné fáze jsou obsaženy v množství od stop do několika procent. Žíháním takto vytvořených samonosných těles (obsahujících AI₂O₃) na vhodnou teplotu dochází ke změnám fázových modifikací A1₂O₃. S rostoucí teplotou se postupně vytvářejí stabilnější fázové modifikace v pořadí theta, delta, gama, alfa. K těmto změnám dochází obvykle v rozmezí teplot 700-1350 °C. Fázové změny jsou obvykle doprovázeny změnou objemovou a tím i změnou otevřené pórovitosti. Kompaktnost samonosných těles vytvořených metodou plazmového nanášení se však při fázových změnách nemění, nedochází k praskání ani destrukci těles (na rozdíl od klasických keramických technologií). Podobné zvýšení otevřené pórovitosti (a plynopropustnosti) při žíhání jako u těles z A1₂O₃, je možné pozorovat i u samonosných těles vzniklých ze směsi ZrSiO₄ a A1₂O₃, nebo ze samotného ZrSiO₄. V případě těles vytvořených plazmovým nástřikem ze ZrSiO₄, jsou tělesa tvořena tetragonálním ZrO₂ a amorfním SiO₂.

-1 CZ 286735 B6

Nárůst pórovitosti při žíhání je pak způsoben fázovou transformací ZrO₂ tetragonální monoklinický a fázovými přeměnami SiO₂ (cristobalitu a křemene). Fázové změny SiO₂ pak posouvají změny pórovitosti směrem k nižším teplotám, které se projevují již od 550 °C.

Nárůst otevřené pórovitosti po žíhání se pohybuje od 0.2 do 2 %, přičemž plynopropustnost se zvyšuje 4-25x. Mechanické vlastnosti těles vytvořených metodou plazmového nanášení, se žíháním zlepšují, což dokumentuje nárůst hodnot Youngova modulu pružnosti.

Snížení pórovitosti samonosných keramických těles vytvořených metodou plazmového nanášení obsahujících oxidy typu A1₂O₃, TiO₂, ZrO₂, Cr₂O₃, MgO, Y₂O₃, CeO₂, CaO, ZrO₂.SiO₂, CaO.SiO₂, se dosáhne vypálením těchto těles na slinovací teplotu výhodně 1350 až 2200 °C. Slinovací teplota je závislá na obsahu jednotlivých oxidů a době zdržení na příslušné teplotě. Pro samonosná tělesa obsahující např. A1₂O₃- 93.5%, TiO₂—4.5 %, a Fe₂O₃-1.5% leží slinovací teplota v rozmezí 1450-1520 °C, pro tělesa z čistého A1₂O₃ (99%) je to 1730-1780 °C atd.

Příklady provedení vynálezu

V dalším popisuje vynález blíže objasněn na příkladech provedeni.

Příklad 1

Plazmovým nástřikem na předehřáté ocelové jádro byla vyrobena keramická trubka z umělého 25 korundu hnědého (4,5 % TiO₂, 1,4 % Fe₂O₃, zbytek A1₂O₃) o průměru 83 mm a délce 500 mm.

Pro výrobu trubky bylo využito rozdílné tepelné roztažnosti oceli a plazmové nanesené keramiky. Objemová hmotnost keramické trubky byla 3,418 g/cm³ a otevřená pórovitost 3,92 %. Plynopropustnost měřená pomocí vzduchu při přetlaku 100 kPa byla 2,18 cm³/min vztaženo na plochu 1 cm² při tloušťce lmm. Po kalcinaci (žíhání) na 1300 °C se objemová hmotnost zvýšila 30 na 3,572 g/cm³ a otevřená pórovitost na 4,45 %. Plynopropustnost vzrostla na 9,62 cm³/min.

Younguv modul pružnosti v nastříkaném stavu byl 121 GPa, po kalcinaci na 1300 °C pak Younguv modul pružnosti vzrostl na 352 GPa.

Příklad 2

Na ocelové jádro o průměru 82 mm opatřené zinkovou mezivrstvou o síle 0,5 mm byla plazmovým nástřikem vytvořena vrstva z umělého korundu bílého (99 % A1₂O₃) tloušťky 2,3 mm a délky 400 mm. Mezivrstva Zn byla následně odstraněna rozpuštěním Zn v HC1. Po odstranění 40 zinkové mezivrstvy byla z ocelového jádra sejmuta keramická trubka o vnitřním průměru 83 mm a délce 400 mm. Objemová hmotnost trubky byla 3,34 g/cm³ a otevřená pórovitost 6,01 %. Plynopropustnost při přetlaku lOOkPa byla 2,66 cm³/min vztaženo na plochu lem² při tloušťce 1 mm. Po kalcinaci na 1300 °C s výdrží 2 h byla objemová hmotnost této trubky 3,503 g/cm³, otevřená pórovitost 7,24% a plynopropustnost se zvětšila na 21,86 cm³/min. Younguv modul 45 pružnosti v nastříkaném stavu byl 177.5 GPa, po kalcinaci na 1300 °C pak 198.5 GPa.

Příklad 3

Keramická trubka vytvořená metodou plazmového nanášení ze zirkonu o granulometrii 0.040.08 mm měla vnitřní průměr 79 mm a délku 1500 mm. Objemová hmotnost materiálu trubky byla 3.74 g/cm³, otevřená pórovitost 5.73 % a plynopropustnost při přetlaku 100 kPa vztažená na plochu 1 cm² a tloušťku lmm pak 23.33 cm³/min. Po vyžíhání na 1240 °C s výdrží 2 h byla

-2CZ 286735 B6 objemová hmotnost 3.76 g/cm³, pórovitost 6.75 % a plynopropustnost 36.98 cm³/mín. Younguv modul pružnosti v nastříkaném stavu byl 44.3 GPa, po žíhání pak 105.9 GPa.

Příklad 4

Keramická trubka vytvořená metodou plazmového nanášení z umělého korundu hnědého č. 240 měla vnitřní průměr 79 mm a délku 1600 mm. Objemová hmotnost materiálu trubky byla 3.406 g/cm³, otevřená pórovitost 4.9 % a plynopropustnost při přetlaku lOOkPa vztažená na plochu 1 cm² a tloušťku lmm pak 2.18 cm³/min. Po žíhání na 1500 °C s výdrží 2 h se objemová hmotnost zvýšila na 3.605 g/cm³ a otevřená pórovitost poklesla na 0.47 %. Plynopropustnost byla naměřena nulová, a to i při přetlaku 600 kPa. Younguv modul pružnosti byl v nastříkaném stavu 121.8 GPa, po slinování pak 425 GPa.

Průmyslová využitelnost

Způsobu podle vynálezu lze využít v keramickém průmyslu, chemickém průmyslu, potravinářském průmyslu, strojírenství a energetice.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob řízení velikosti a počtu pórů samonosných keramických těles vytvořených z oxidové keramiky, zejména z oxidu hlinitého, oxidu titaničitého, oxidu zirkoničitého, oxidu chromitého, oxidu hořečnatého, oxidu ytritého, oxidu ceričitého, oxidu vápenatého, křemičitanu zirkoničitého, křemičitanu vápenatého metodou plazmového nanášení, vyznačující se tím, že se v hotových samonosných tělesech póry dodatečně zvětšují nebo zmenšují žíháním keramických samonosných těles na teplotu fázové změny nebo fázových změn keramiky.
2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že se keramická tělesa žíhají pod slinovací teplotu keramiky.
3. Způsob podle nároků 1 a 2, vyznačující se tím, že se samonosná keramická tělesa žíhají na teplotu 550 až 1350 °C.
4. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že se samonosná keramická tělesa žíhají alespoň na slinovací teplotu keramiky.
5. Způsob podle nároků 1 a 4, vyznačující se tím, že se samonosná keramická tělesa žíhají na teplotu 1350 °C až 2200 °C.