NO138627B - Fremgangsmaate til omdannelse av et metalloksydpulver til et finkornet keramisk materiale - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte til omdannelse av et metalloksydpulver til et finkornet keramisk materiale ved varmpressing. Oppfinnelsen er særlig egnet til behandling av finkornet aluminiummateriale.

- Aluminiumoksyd (A^O^) og aluminiumoksydsammenset-

ninger har i mange år vært benyttet som materiale hvor høy temperaturmotstand og høy styrke var ønskelig. F.eks. for ild-

faste materialer og for metallbearbeidénde 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 visst forhold til densiteten og krystallstørrelsen,

idet tettere og mindre krystallstrukturer gir sterkere og mer varige verktøy. Følgelig legger man stor vekt på å frembringe keramiske skjæreverktøy med slik .materialkaraktéristikk. Når aluminiumoksyd benyttes som materiale i en skjærende egg, opp-

står det leilighetsvis brudd. Slike brudd synes å skyldes til-stedeværelsen av relativt store aluminiumoksydkrystaller eller "korn" i en ellers overveiende finkornet struktur. Mye av an-strengelsene i aluminiumoksydforskningen har følgelig vært rettet mot utvikling av metoder for fremstilling av et materiale med.høy tetthet og jevn og finkornet struktur.

Den krystallvekst som skjer når utgangsmaterialer i

form av pulver oppvarmes slik at det koaleserer (eller sintrerer) forsinkes ofte gjennom tilsats av magnesiumoksyd (MgO) i en mengde på 0, 5% eller mindre. Denne oppvarmningen kan skje i en vakuumovn som hever materialets temperatur til mellom.1400 og 1550°C. Det har vært hevdet at fremgangsmåter av denne type gir

. et materiale som har en krystallstørrelse .av størrelsesorden

2-3 mikron. For å oppnå et slikt resultat kreves imidlertid

oppvarmningstider på mer enn 4 timer under sintreringen.

Med hensyn til effektivitet og produksjonsøkonomi

er det klart at en reduksjon' i oppvarmningstiden er ønskelig, særlig dersom den reduserte oppvarmningstid ledsages av en mer uniform finkornet struktur. På grunn av bruddfaren ved aluminium-verktøy er det også behov for en teknikk som frembringer enda mindre krystallstørrelser og som følgelig gir større styrke.

Ifølge den foreliggende oppfinnelse oppnås redusert oppvarmningstid og en finere krystallstruktur med betydelig større jevnhet i størrelse enn hva som tidligere.har vært opp-nådd gjennom en "ny styring av det fysiske trykk som aluminiumpulveret utsettes for og den hastighet det sammentrykkede pulver varmes opp med. Materialer som er fremstilt med denne metoden har trykk- og bøyningsfastheter som er betraktelig høyere enn de beste aluminiumoksydmaterialer som for tiden er på markedet.

Den fremgangsmåte som karakteriserer oppfinnelsen er

i prinsippet en form for hastighetsregulert sintrering hvor et relativt lavt trykk påføres formen mens aluminiumpulveret varmes opp. Under denne oppvarmning ekspanderer først det komprimerte pulver. På et visst punkt, som kalles "krympepunkttemperaturen", j begynner sintring og volumet av pulveret begynner å avta. Et maksimalt .trykk påføres pulveret i oppvarmet tilstand når dette stadium nås. Deretter økes også pulvertemperaturen mot et maksi-mum. Det virker således som om det fysiske trykk som påføres'

sintringspulveret -'gis en ekstra drivkraft som ikke bare reduserer produksjonstiden, men også gir et åpenbart overlegent produkt.

Oppfinnelsen er kjennetegnet ved de i kravene gjen-gitte trekk og vil i det følgende bli forklart nærmere under henvisning til 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 100°C. Baking av

pulveret ved 72°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 høytrykksform. - En grafittform i en treg vakuum- eller reduserende atmosfære kan typisk egne seg for formålet. Et komprimeringstrykk på fra 210-570 kgp/cm 2 u<->tøves i formen. I de fleste tilfelle har man funnet at en initiell sammenpakning eller "forpressing" under ét trykk på 400 kgp/cm 2 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 t" il '70 kgp/cm <2>gi gode resultater.

Pulveret og formen anbringes i en varm presse eller annen høy temperatur- og høytrykks- s intr ings innretning. En beskyttende atmosfære etableres i systemet for å beskytte formen. Et vakuum, en heliumatmosfære eller en blandet atmosfære av helium og 8 vektsprosent hydrogen har man funnet passende for formålet.

Idet man starter med redusert trykk på. det komprimerte 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 ved enden av varmeperioden som er på fra 1-3 mm. 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 krymping begynner, holdes 2

trykket mot pulveret konstant. Skjønt 250 kgp/cm er et fore-trukket trykk i denne forbindelse, kan det oppnås gode resultater også med trykk fra 140 opp til 420 kgp/cm .

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-l800°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 l600°C oppnås.

Etter denne periode ved maksimal temperatur slås induk--sjonsyarmekilden- 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 alumiriapulver avkjøles til romtemperatur' og kan tas ut av pressen og av formen.

Prøver på sintrét 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 åt "Grace-KA 100"-pulver ikke har tilsatt 0, 1% MgO krystallyekst-inhibitor.,Under'arbeidet med å etablere de ovenfor anførte for-søksdata, fant man at tilblanderen av prøvene hadde stor innflytelse på resultatet. Kjemisk polering av prøvene gir f.eks. mer realistiske 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 (UOp) pellets ved å benytte fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen. En pelletdensitet som er innenfor \% av den teoretisk maksimalt oppnåelige kan oppnås ved hjelp av denne

/ trykk- og tempe.raturhastighets kontrollerte sintringsprosess.

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 ér selvsagt., en initie.ll 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 oppfinnelsen er påpekt i kravene som utgjør en del av foreliggende spesifikasjon. Por 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 (2)

1. Fremgangsmåte til omdannelse av et.metalloksydpulver til et finkornet keramisk materiale ved varmpressing, karakterisert ved at pulveret oppvarmes i løpet av 1 min. til en temperatur hvorved krymping av materialet påbegynnes, at et maksimalt prosesstrykk utøves ved den begynnende krymping, samt at temperaturen på pulveret økes ved den begynnende "krym-ing med en mindre hastighet enn den hastighet temperatur-økningen har under den nevnte oppvarming i løpet av 1 min. til en temperatur på mer enn 800°C, og at det nevnte trykk, og opp-, varmingen avbrytes ved avslutningen av en periode på mer enn 8 min.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at fremstillingstrinnene omfatter komprimering av pulveret med et trykk på ca. 405 kgp/cm 2, reduksjon av trykket til ca. 70 kgp/cm 2, oppvarming av pulveret til ca. 800°C i løpet av 1 min., mens trykket på '70 kgp/cm^ utøves, økning av trykket til ca..250 kgp/cm 2 ved avslutningen av det nevnte minutt, økning av temperaturén på metalloksydet til ca. l600°C over en periode på ca.. 8 min. etter avslutning av ■ det nevnte 1 min., samt opprettholdelse av trykket på ca.

250 kgp/cm^ og temperaturen på l600°C over ytterligere. 3 min.

3- Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at pulveret bearbeides- for å..fjerne overflategasser og at agglomerater som har formet seg i pulveret reduseres før komprimering og sintring.