NO136971B - Keramisk materiale og fremgangsm}te til fremstilling av dette. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår et keramisk materiale

og en fremgangsmåte til fremstilling av dette som er et spesielt ensartet, finkornet aluminiumoksydmateriale.

Aluminiumoksyd (A^O^) og aluminiumoksydsammenset-ninger har i mange år vært benyttet som materiale, der det er ønskelig med høy temperaturmotstand og høy styrke. For eksempel for ildfaste materialer og for metallbearbeidende verktøy som utsettes for høye hastigheter og stor slitasje har slike materialer fått bred industriell anvendelse.

Det er ting som tyder på at styrken av slikt materiale står i et bestemt forhold til tettheten og kornstørrelsen, idet tettere og mindre kornstørrelse gir mer slitesterke verk-tøy. Det legges derfor stor vekt på å komme frem til keramiske skjæreverktøy med slike materialegenskaper. Når aluminiumoksyd benyttes ©m materiale i en skjærende egg, oppstår det fra tid til annen brudd, og slike brudd antas å skyldes tilstedeværelse av forholdsvis store aluminiumoksydkrystaller eller "korn" i en ellers overveiende finkornet struktur. Mye av anstrengelsene når det gjelder forskning på dette område har derfor vært rettet mot utvikling av fremgangsmåter til fremstilling av et materiale med høy tetthet og ensartet finkornet struktur.

Den krystallvekst som skjer når utgangsmaterialer i form av pulver oppvarmes så meget at det sintrér, forsinkes ofte ved tilsats av magnesiumoksyd (MgO) i en mengde på 0,5% eller mindre. Denne oppvarmning kan skje i en vakuumovn der materialets temperatur heves til mellom 1400 og 1550°C Det antas at fremgangsmåter av denne art gir et materiale som har en kornstørrelse på 2-3 mikron. For å oppnå et slikt resultat kreves imidlertid oppvarmningstider på mer enn 4 timer under sintringen.

Når det gjelder effektivitet og produksjonsøkonomi

er det klart at en reduksjon av oppvarmningstiden er ønskelig, særlig dersom den reduserte oppvarmingstid følges av en mer ensartet finkornet struktur. På grunn av bruddfaren i alu-miniumoksydverktøy er det også behov for en teknikk som fører til enda mindre kornstørrelse til oppnåelse av større styrke.

Oppfinnelsen, både det keramiske materiale og fremgangsmåten er kjennetegnet ved de i kravene gjengitte trekk og oppfinnelsen skal beskrives nærmere i form av et eksempel. Eksempel

a-alumina (aluminiumoksyd)-pulver med en partikkel-størrelse mindre enn 1 mikron bearbeides eller kulemales i en tørrmølle fra 4-8 timer. Fortrinnsvis benyttes alumina fra W. R. Grace Company under navn "Grace-KA 210" som råmateriale for utøvelse av oppfinnelsen. Dette aluminapulver har over-flate av størrelsesorden 9 m 2/g. Det har dessuten en høy ren-hetsgrad og inneholder en tilsats på 0,1% av MgO. Andre alumina kan også benyttes, skjønt eksperimentelle data synes å indikere at de beste resultater oppnås med "Grace-KA 210"-materialet.

For å opprettholde renheten i aluminapulveret bør kulemøllen også være laget av rent alumina.

Ved avslutning av malingen bakes pulveret mellom 4 og

8 timer ved en temperatur på mellom 50 og 10Q°C. Baking av pulveret ved 7 2°C synes å være en optimal temperatur for dette trinn i prosessen. Disse kulemale- og tørkeoperasjoner har den effekt at de fjerner overskudd på overflategasser og derved gir et mer finkornet produkt. Forholdet mellom overflategass og kornstørrelse i det fullt ferdige materiale er ikke kjent med sikkerhet. Det er imidlertid mulig at overflategassen. oppfører seg som en urenhetsfase som bevirker selektiv kornvekst ved høye temperaturer.

Etter utgassing siktes pulveret gjennom en 200 maske-vidde U.S. standardsikt for å bryte opp eventuelle .agglomerater som kan ha formet seg. Det siktede pulver plaseres i en høy-temperatur høytrykksf orm...En graf ittf orm i en treg vakuum- eller reduserende atmosfære kan typisk egne seg for formålet. Et komnrimeringstrykk på fra 210-570 kgp/cm 2 utøves i formen.. I

de fleste tilfelle har man funnet at en initiell sammenpakning

eller "forpressing" under et trykk på 400 kgp/cm2 gir de

.beste resultater. Denne forpakking reduseres deretter til et trykk i. området på mellom 14 og 70 kgp/cm 2.Vanligvis vil en reduksjon av trykket til 70 kgp/cm 2 gi gode resultater.

Pulveret og formen anbringes i en varm presse eller annen høytemperatur-' og høytrykks-sintreringsinnretning.. En beskyttende atmosfære etableres i systemet for å beskytte formen. En vakuum-/ en heliumsatmosfære eller en blandet atmosfære av helium og 8 vektprosent har man funnet passende for formålet.

Idet man starter med redusert trykk på det kompri-merte pulver, heves temperaturen av pulveret og formen ved hjelp av induksjonsvarme opp til mellom 400 og 1000°C i løpet av 1 min. I de fleste tilfelle vil en hevning av temperaturen opp til 800°C, målt med et optisk pyrometer, gi et godt resultat. I henhold til et trekk ved oppfinnelsen, når temperaturen er hevet til f.eks. 800°C, økes trykket mot pulveret til 254 kgp/cm 2 ved enden av varmeperioden som er på fra 1-3 min. Krymping begynner vanligvis idet temperaturen på 800°C nås. Denne krymping kan observeres ved hjelp av en lineær forskyv-ningstransduser som er festet til det stempel som påfører trykket mot pulveret. Når denne krympning begynner, holdes trykket mot pulveret konstant. Skjønt 250 kgp/cm <2>er et fore-trukket trykk i denne forbindelse, kan det oppnås gode resultater også med trykk fra 140 opp til 420 kgp/cm 2.

Når trykket fortsetter å øke, økes også temperaturen, men med lavere hastighet enn under den opprinnelige oppvarmingsperiode til 800°C. I løpet av mellom 6 og 10 min. nås den maksimale prosesstemperatur som er i området fra 1200-1800°C.

De beste resultater synes å oppnås ved en temperatur på ca. 1600°C som nås ca. 8 min. etterat temperaturen på 800°C ble nådd. Disse høye temperaturer observeres med et optisk pyrometer. Denne maksimale temperatur opprettholdes over en periode på

fra 2-6 min. og fortrinnsvis i 3 min. dersom en maksimal temperatur på 1600°C oppnås.

Etter denne periode ved maksimal temperatur slås induk-sjonsvarmekilden eller annen varmekilde av og trykket på materialet i formen reduseres til null. En avkjølingsperiode på fra 1-5 min. vil vanligvis være tilstrekkelig til at formen og det sintrerte aluminapulver avkjøles til romtemperatur og kan tas ut av pressen og av formen.

Prøver på sintrert alumina, fremstilt som ovenfor beskrevet, har vist i omhyggelig utførte laboratorieforsøk de følgende gjennomsnittsegenskaper:

I denne forbindelse bemerkes det at uttrykket "standard-avvik" som her benyttes er lik kvadratroten av det aritmetiske gjennomsnitt av kvadratene av avvikene av de fysiske forsøks-data fra deres aritmetiske gjennomsnitt. De overlegne egenskaper som gjennomsnitlig sett kan oppnås av sintrert alumina dersom "Grace-KA 210"-pulver benyttes som basisk råmateriale i prosessen i henhold til oppfinnelsen, er åpenbare. Det bemerkes at "Grace-KA 100"-pulver ikke har tilsatt 0,1% MgO krystallvekstinhibitor. Under arbeidet med å etablere de ovenfor anførte forsøksdata, fant man at tilblandingen av prøvene hadde stor innflytelse på resultatet. Kjemisk polering av prøvene gir f.eks. mer realis-tiske data for bøyefasthet. Mekanisk polering synes derimot å ha en uheldig innflytelse på styrken av den prøve som testes.

Bruddflatestudier med avsøkende elektronmikroskop ved 10.000 gangers forstørrelse og på en representativ prøve av keramisk aluminamateriale som ble fremstilt slik som ovenfor beskrevet viser at materialet har en kornstørrelsesfordeling som følger:

Keramiske materialer av alumina fremstilt i henhold til oppfinnelsens prinsipper har således en kornstruktur som er forskjellig fra de kornstørrelsesfordelinger som karakteriserer tidligere kjente materialer. Krystaller på langt større gjennom-snittsstørrelse, det vil si 2 eller 3 mikron, oppsto vanligvis i disse tidligere kjente strukturer. Følgelig er det foran-staltet et nytt alumina-keramisk materiale med en finkornet struktur og bedre kornstørrelsesfordeling enn hva som tidligere har vært oppnåelig.

Oppfinnelsen er dessuten ikke begrenset til å benyttes i forbindelse med alumina, men kan benyttes i forbindelse med andre metalloksyder. F.eks. kan man forbedre produksjonen av urandioksyd (UO2)-pellets ved å benytte fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen. En pelletdensitet som er innenfor k% av den teoretisk maksimalt oppnåelige kan oppnås ved hjelp av denne trykk- og. temperaturhastighets kontrollerte sintreringsprosess.

For å oppnå 95% av den teoretisk maksimale densitet, utsettes pulveret for maksimal prosesstemperatur av størrelsesorden 800-

900°C .over en 8-9 min. , varmesyklus.. I løpet av denne tidssyklus utøves fysisk trykk mot det pulver som skal sintreres. Det er selvsagt en initiell eller preliminær oppvarmingsperiode på ca.

1 min. karakterisert ved begynnende krympning i løpet av hvilken

periode temperaturen i pulveret heves raskt og pulveret utsettes for økende fysisk eller mekanisk trykk. De resulterende urandioksydpellets krever ikke slipning eller andre overflatebearbeid-

ende operasjoner fordi de er fremstilt i former med korrekt diameter. Eliminering av en maskinbearbeidende operasjon under fremstilling av urandioksydpellets for reaktorbrensel er særlig ønskelig fordi det reduserer behandlingsomkostninger og elimin-

erer en hovedkilde til avfallsstoffer av reaktivt materiale.

De forskjellige nye trekk som karakteriserer oppfin-

nelsen er påpekt i kravene som utgjør en del av foreliggende spesifikasjon. For en bedre forståelse av oppfinnelsen, dens operative fordeler og spesifikke mål den tar sikte på å nå,

henvises til den foregående beskrivelse hvor det er beskrevet foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen.

Claims (1)

1. ]- Keramisk materiale bestående av korn av sintret aluminiumoksyd, karakterisert ved at korn-størrelsesf ordelingen, observert pa en bruddflate med et av-

   søkende elektronmikroskop med ti tusen gangers forstørrelse, er denne: 2. Keramisk materiale som angitt i krav ], karakterisert ved at det inneholder 0,1 vekt-% eller mindre magnesiumoksyd. 3. Keramisk materiale som angitt i krav 1, karakterisert ved at det har en g.jennomsni tlig brudd-styrke på 38,200 kgp/cm2 ' med et standard avvik på 8620 kgp/cm 2. 4. Keramisk materiale som angitt ikrav 3, karakterisert ved at det har en gjennorsnitlig bøyefast-het po 5820 kgp/cm2 ', med et standard avvik på 1635 kgp/cm ?". 5. Keramisk materiale som angitt i krav 4, karakterisert ved at det har en gjennomsnitlig Knopp hård-hetsverdi på ca. 2334. 6. Fremgangsmåte til fremstilling av det keramiske materiale sem er angitt i de foregående krav, karakterisert v e. d at materialet oppvarmes til mer enn 400°C i løpet av 1 min., at et økende mekanisk trykk utøves på materialet mens dette oppvarmes til de nevnte 400 C C for a o oppnco. et. maksimalt varmtrykk, at temperaturen økes fra nevnte 40C°C til mer enn 1200°C i et tidsrom på ca. 7 min., at det mekaniske trykk opprettholdes rred s;:'.. ii maksimale verdi, ever hele varmeprosesser. og at det nevnte trykk og den nevnte temperatur på over 1200°C opprettheldes i mer enn 2 min. 7. Fremgangsmåte som angitt i krav 6, karakterisert ved at det trinn som omfatter oppvarming av pulveret til 400°C egse omfatter utøvelse av mekanisk trykk på ca. 70 kgp/cm<2>før oppvc.rmingen til 400°C påbegynnes. 8. Fremgangsmåte som angitt, i krav 7, karakterisert ved at det utøves at maksimalt prosesstrykk. i området 14 0-4 20 kgp/cm'.