RU2046779C1

RU2046779C1 - Method of producing ceramics from aluminium titanate (alotnpox - t)

Info

Publication number: RU2046779C1
Application number: RU93031497A
Authority: RU
Inventors: М.Ф. Лисов
Original assignee: Акционерное общество закрытого типа "Суперкерамика"
Priority date: 1993-06-15
Filing date: 1993-06-15
Publication date: 1995-10-27

Abstract

FIELD: technology of ceramics producing. SUBSTANCE: method involves mixing titanium nitride and aluminium oxide powder taken at the ratio, wt.-% aluminium oxide 62-64 and titanium nitride 36-38 followed by their combined grinding, blank forming and roasting in oxygen-containing atmosphere up to ceasing blank mass and volume changes. Before or after blank forming action of oxygen-containing atmosphere on the titanium nitride grains is carried out before titanium dioxide formation in grains at concentration 95 wt.-% not above. After cooling reaction-caked monophase ceramics made of aluminium titanate is obtained. The yield is increased up to 111% This ceramics shows finely grained structure. EFFECT: increased mechanical strength at decreased values of thermal linear expansion coefficient. 1 tbl

Description

Изобретение относится к способам получения поликристаллических керамических материалов на основе двойных оксидов и может быть использовано в металлургии, химии, машиностроении, энергетике и теплотехнике. The invention relates to methods for producing polycrystalline ceramic materials based on double oxides and can be used in metallurgy, chemistry, mechanical engineering, energy and heat engineering.

Известен способ получения керамики из титаната алюминия путем прессования заготовок из порошка титаната алюминия при давлении 69 МПа и последующего обжига на воздухе при 1623-1923 К в течение 1-3 ч [1]
При этом получают керамику с крупнокристаллической структурой. Например, после обжига при 1723 К в течение 1 ч керамика имеет размер зерен 13-14 мкм.A known method of producing ceramics from aluminum titanate by pressing blanks from a powder of aluminum titanate at a pressure of 69 MPa and subsequent firing in air at 1623-1923 K for 1-3 hours [1]
In this case, ceramic with a coarse-crystalline structure is obtained. For example, after firing at 1723 K for 1 h, the ceramic has a grain size of 13-14 microns.

Керамику с меньшим размером зерен можно получить по двухстадийной технологии путем предварительного синтеза порошка титаната алюминия при 1270-1670 К в течение 3 ч из твердых растворов гидроксидов алюминия и титана, полученных их совместным осаждением, с его последующим измельчением, введением связки, прессованием заготовок при 100 МПа и обжигом на воздухе при температурах 1670-1970 К в течение 3 ч [2]
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ получения керамики из титаната алюминия по одностадийной технологии путем приготовления эквимолярной смеси порошков рутила (TiO₂) и оксида алюминия ( α= Al₂O₃) в процессе их совместного мокрого помола в шаровой мельнице с последующей сушкой суспензии, приготовлением заготовок путем прессования при 250 МПа и их обжигом при 1575-1635 К в токе кислорода при давлении 0,1 МПа в течение до 100 ч [3]
Однако в рамках этого способа 92%-ный выход титаната алюминия удается достичь при 1635 К только за 100 ч выдержки, а полученная керамика имеет зерна с размером 18-20 мкм. При меньших температурах и выдержках выход титаната алюминия резко снижается, а при больших температурах и выдержках размеры зерен керамики увеличиваются до 40 мкм и более.Ceramics with a smaller grain size can be obtained by a two-stage technology by preliminary synthesis of aluminum titanate powder at 1270-1670 K for 3 hours from solid solutions of aluminum and titanium hydroxides obtained by their co-precipitation, followed by grinding, introduction of a binder, and pressing of blanks at 100 MPa and firing in air at temperatures of 1670-1970 K for 3 hours [2]
The closest in technical essence to the proposed one is a method for producing ceramics from aluminum titanate using a one-stage technology by preparing an equimolar mixture of powders of rutile (TiO ₂ ) and aluminum oxide (α = Al ₂ O ₃ ) in the process of their joint wet grinding in a ball mill, followed by drying suspension by preparing blanks by pressing at 250 MPa and firing them at 1575-1635 K in a stream of oxygen at a pressure of 0.1 MPa for up to 100 hours [3]
However, in the framework of this method, a 92% yield of aluminum titanate can be achieved at 1635 K in only 100 hours of exposure, and the resulting ceramic has grains with a size of 18-20 microns. At lower temperatures and exposures, the yield of aluminum titanate sharply decreases, and at higher temperatures and exposures, the grain sizes of ceramics increase to 40 μm or more.

Основной задачей предлагаемого изобретения является получение однофазной реакционно-спеченной керамики из титаната алюминия с повышенной прочностью, размеры зерен которой не превышают 5-10 мкм. The main objective of the invention is to obtain a single-phase reaction-sintered ceramic of aluminum titanate with high strength, the grain size of which does not exceed 5-10 microns.

Это достигается тем, что в способе получения керамики из титаната алюминия путем смешения порошков оксида алюминия и титансодержащего компонента, их совместного помола, формования заготовок и их последующего обжига в кислородсодержащей атмосфере, согласно изобретению в качестве титансодержащего компонента используют нитрид титана, порошок которого смешивают с порошком оксида алюминия в соотношении, мас. Оксид алюминия 62-64 Нитрид титана 36-38 причем до или после формования осуществляют воздействие кислородсодержащей атмосферой на зерна нитрида титана до образования диоксида титана в количестве не более 95 мас. а обжиг осуществляют до прекращения изменений массы и объема заготовок. This is achieved by the fact that in the method for producing ceramics from aluminum titanate by mixing alumina powders and a titanium-containing component, grinding them together, forming blanks and then firing them in an oxygen-containing atmosphere, according to the invention, titanium nitride is used as the titanium-containing component, the powder of which is mixed with the powder aluminum oxide in the ratio, wt. Alumina 62-64 Titanium nitride 36-38, before and after molding, they influence the grains of titanium nitride with oxygen-containing atmosphere until titanium dioxide is formed in an amount of not more than 95 wt. and firing is carried out until the cessation of changes in the mass and volume of the workpieces.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что смешивают порошки оксида алюминия и нитрида титана и путем совместного помола готовят шихту, в которую вводят временную технологическую связку в количестве 1-5 мас. (сверх 100%), и гранулированием получают пресс-порошок, из которого формуют заготовки путем прессования при 200-300 МПа. Затем воздействуют окислительной атмосферой на эти заготовки из смеси зерен нитрида титана и оксида алюминия до образования в зернах нитрида титана диоксида титана в количестве не более 95 мас. Полученные заготовки обжигают при 1570-1970 К в кислородсодержащей атмосфере при парциальном давлении кислорода не менее 10 Па (10^-4 атм и более) до прекращения изменений массы и объема обжигаемых заготовок. Воздействие окислительной атмосферой на зерна нитрида титана возможно также до формования заготовок на стадии приготовления шихты, но при условии образования в них диоксида титана в количестве не более 95 мас.The essence of the proposed method lies in the fact that the powders of aluminum oxide and titanium nitride are mixed and, by co-grinding, a mixture is prepared into which a temporary technological binder is introduced in an amount of 1-5 wt. (in excess of 100%), and by granulation a press powder is obtained, from which preforms are formed by pressing at 200-300 MPa. Then they are exposed to an oxidizing atmosphere on these preforms from a mixture of grains of titanium nitride and aluminum oxide to form titanium dioxide titanium dioxide in grains in an amount of not more than 95 wt. The obtained preforms are fired at 1570-1970 K in an oxygen-containing atmosphere at a partial oxygen pressure of at least 10 Pa (10 ^-4 atm or more) until the changes in the mass and volume of the fired preforms cease. The influence of the oxidizing atmosphere on the grains of titanium nitride is also possible before the formation of preforms at the stage of preparation of the charge, but subject to the formation of titanium dioxide in an amount of not more than 95 wt.

После охлаждения по данным РФА керамика состояла из одной фазы титаната алюминия ( β= TiAl₂O₃) с несколько увеличенными параметрами элементарной ячейки.After cooling according to the XRD data, the ceramic consisted of one phase of aluminum titanate (β = TiAl ₂ O ₃ ) with slightly increased unit cell parameters.

При выходе за указанные пределы соотношений компонентов или при нарушении других условий осуществления предлагаемого способа не удается получить реакционно-спеченную тонкозернистую однофазную керамику из титаната алюминия с улучшенными свойствами. When going beyond the specified limits of the ratios of the components or in violation of other conditions for the implementation of the proposed method, it is not possible to obtain a reaction-sintered fine-grained single-phase ceramic from aluminum titanate with improved properties.

Таким образом, технический результат достигается в изобретении за счет выбора состава исходной шихты, соотношения компонентов в ней и выбора условий обработки шихты и заготовок, реализация которых позволяет по данным петрографического, рентгенофазового, электронно-микроскопического и ИК-спектрального анализов получить тонкозернистую однофазную керамику из титаната алюминия путем реакционного спекания. Thus, the technical result is achieved in the invention by choosing the composition of the initial charge, the ratio of the components in it, and choosing the processing conditions of the charge and preforms, the implementation of which allows obtaining fine-grained single-phase ceramic from titanate according to petrographic, x-ray, electron microscopy, and IR spectral analyzes aluminum by reaction sintering.

П р и м е р 1. Смешивали 124 г порошка оксида алюминия (Al₂O₃, марка ГК, ПГО "Глинозем", г. Пикалево) и 76 г порошка нитрида титана (TiN, марка А, ТУ 48-42-10-86) и подвергали помолу на планетарной мельнице до получения шихты, содержащей, мас. оксид алюминия 62 и нитрид титана 38. Шихту подвергали предварительному окислению на воздухе при 1520 К в течение 2 ч, что сопровождалось образованием 95 мас. диоксида титана в зернах нитрида титана. Заготовки формовали путем прессования при 250 МПа и обжигали их при 1820 К в воздушной атмосфере до прекращения изменений их массы и объеме. После охлаждения получали 222 г реакционно-спеченной керамики из титаната алюминия.PRI me R 1. Mixed 124 g of powder of aluminum oxide (Al ₂ O ₃ , brand GK, PGO "Alumina", Pikalevo) and 76 g of powder of titanium nitride (TiN, grade A, TU 48-42-10 -86) and subjected to grinding on a planetary mill to obtain a mixture containing, by weight. alumina 62 and titanium nitride 38. The mixture was pre-oxidized in air at 1520 K for 2 hours, which was accompanied by the formation of 95 wt. titanium dioxide in titanium nitride grains. The preforms were formed by pressing at 250 MPa and fired at 1820 K in an air atmosphere until the changes in their mass and volume ceased. After cooling, 222 g of reaction-sintered ceramic from aluminum titanate was obtained.

П р и м е р 2. Смешивали 128 г порошка оксида алюминия (Al₂O₃, марка ЧДА, ТУ 6-09-426-75) и 72 г порошка нитрида титана (TiN, марка А, ТУ 48-42-10-86) и путем совместного помола готовили шихту, содержащую, мас. оксид алюминия 64 и нитрид титана 36. В полученную шихту вводили 4 г дистиллированной воды и при 200 МПа прессовали заготовки, которые подвергали предварительному окислению на воздухе при 970 К в течение 1 ч. При этом зерна нитрида титана окислялись до образования в них 12% диоксида титана. Затем заготовки обжигали при 1870 К в воздушной атмосфере до прекращения изменений их массы и объема. После охлаждения получали 221 г керамики из титаната алюминия.PRI me R 2. 128 g of a powder of aluminum oxide (Al ₂ O ₃ , grade ChDA, TU 6-09-426-75) and 72 g of powder of titanium nitride (TiN, grade A, TU 48-42-10 -86) and by co-grinding a mixture was prepared containing, by weight. alumina 64 and titanium nitride 36. 4 g of distilled water were introduced into the resulting mixture, and preforms were pressed at 200 MPa, which were subjected to preliminary oxidation in air at 970 K for 1 h. The grains of titanium nitride were oxidized to form 12% dioxide in them titanium. Then, the preforms were fired at 1870 K in an air atmosphere until changes in their mass and volume ceased. After cooling, 221 g of aluminum titanate ceramic was obtained.

Основные свойства полученной керамики из титаната алюминия представлены в таблице в сравнении с характеристиками керамики по прототипу. The main properties of the obtained ceramics from aluminum titanate are presented in the table in comparison with the characteristics of the ceramics of the prototype.

Анализ полученных результатов и данных, представленных в таблице, показывает, что поставленная в изобретении задача решена путем реакционного спекания получена тонкозернистая однофазная керамика из титаната алюминия. Керамика характеризуется пониженным размером зерен и повышенной механической прочностью при пониженных значениях величины термического коэффициента линейного расширения. An analysis of the results and the data presented in the table shows that the problem set in the invention is solved by reactive sintering, a fine-grained single-phase ceramic from aluminum titanate is obtained. Ceramics is characterized by a reduced grain size and increased mechanical strength at lower values of the thermal coefficient of linear expansion.

В процессе окислительного обжига в газовую фазу выделяется только азот, безвредный для человека и окружающей среды, что с экономической точки зрения благоприятно. In the process of oxidative firing, only nitrogen is released into the gas phase, which is harmless to humans and the environment, which is favorable from an economic point of view.

Claims

METHOD FOR PRODUCING CERAMICS FROM ALUMINUM TITANATE (ALOTNPOX T) by mixing powders of aluminum oxide and a titanium-containing component, their joint grinding, molding of preforms and subsequent firing in an oxygen-containing atmosphere, characterized in that titanium nitride is used as a titanium-containing component in the following ratio of components, wt.

Alumina 62 64
Titanium Nitride 36 38
moreover, before or after the molding of the preforms, an oxygen-containing atmosphere is applied to the titanium nitride grains until titanium dioxide is formed in an amount of not more than 95 wt. and firing is carried out until the cessation of changes in the mass and volume of the workpieces.