RU2054399C1

RU2054399C1 - Method for production of ceramic material altotinox-t from titanate

Info

Publication number: RU2054399C1
Application number: RU93031907A
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: 1996-02-20

Abstract

FIELD: metallurgy. SUBSTANCE: method involves mixing the powders of titanium dioxide, titanium nitride and aluminium oxide in a relation, wt.-%: aluminium oxide, 56.0-63.9; titanium nitride, 0.1-37.9; titanium dioxide, 0.1-43.0 and their joint milling, molding of blanks and firing in oxygen-containing atmosphere until the weight of blanks stops changing. The material resulting after cooling is reaction-baked single-phase ceramic material of aluminium titanate. This ceramic material is of a fine-grained structure and features high mechanical strength at low thermal coefficient of linear expansion. EFFECT: higher efficiency. 1 tbl

Description

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

Известен способ получения однофазной керамики из титаната алюминия путем прессования заготовок из порошка титаната алюминия при давлении 69 МПа и последующего обжига на воздуха 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 single-phase ceramics from aluminum titanate by pressing billets of aluminum titanate powder 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-grained 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 гидрооксидов алюминия и титана, полученных их совместным осаждением, с его последующим измельчением, введением связки, прессованием заготовок при 100 МПа и обжигом на воздухе при 1670-1970 К в течение 3 ч [2]
Наиболее близким по технической сущности к заявленному объекту является способ получения керамики из титаната алюминия по одностадийной технологии путем приготовления 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 одноосного прессования при 250 МПа и их обжигом при температуре 1575-1635 К в токе кислорода при давлении 0,1 МПа в течение до 100 ч [3] который выбран нами за прототип.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 1670-1970 K for 3 hours [2]
The closest in technical essence to the claimed object is a method for producing ceramics from aluminum titanate using a one-stage technology by preparing a 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, preparation of blanks by uniaxial pressing at 250 MPa and their firing at a temperature of 1575-1635 K in a stream of oxygen at a pressure of 0.1 MPa for up to 100 hours [3] which we have chosen for the prototype.

В рамках этого способа 92%-ный выход титаната алюминия удается достичь при 1635 К только за 100 ч выдержки. При этом полученная керамика имеет зерна размером более 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. In the framework of this method, a 92% yield of aluminum titanate can be achieved at 1635 K in only 100 hours of exposure. In this case, the resulting ceramic has grains larger than 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.

Целью изобретения является получение реакционноспеченного однофазного керамического материала из титаната алюминия с повышенной механической прочностью, размеры зерен которого не превышают 5-10 мкм. The aim of the invention is to obtain a reaction-sintered single-phase ceramic material from aluminum titanate with high mechanical strength, the grain size of which does not exceed 5-10 microns.

Цель достигается тем, что в способе получения керамического материала из титаната алюминия путем приготовления шихты из порошков оксида алюминия и диоксида титана, формования заготовок и их последующего обжига в кислородсодержащей атмосфере, шихта дополнительно содержит нитрид титана при следующих количественных соотношениях, мас. Оксид алюминия 56,0-63,9 Диоксид титана 0,1-43,9 Нитрид титана 0,1-37,9, а обжиг осуществляют до прекращения изменений массы заготовок. The goal is achieved by the fact that in the method of producing ceramic material from aluminum titanate by preparing a mixture of aluminum oxide and titanium dioxide powders, forming blanks and then firing them in an oxygen-containing atmosphere, the mixture further comprises titanium nitride in the following quantitative ratios, wt. Alumina 56.0-63.9 Titanium dioxide 0.1-43.9 Titanium nitride 0.1-37.9, and firing is carried out until the change in the mass of the workpieces is stopped.

Сущность предложенного способа заключается в том, что смешивают порошки нитрида и диоксида титана и оксида алюминия и путем совместного помола готовят шихту, в которую вводят временную технологическую связку, и гранулированием получают пресс-порошок, из которого формуют заготовки. Высушенные 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 заготовок в ходе окислительного обжига.The essence of the proposed method lies in the fact that powders of nitride and titanium dioxide and alumina are mixed and, by co-grinding, a mixture is prepared into which a temporary process binder is introduced, and granulation produces a press powder from which preforms are formed. The dried 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 change in the mass of the preforms during oxidative firing ceases.

При этом в газовую фазу выделяется только азот, безвредный для человека и окружающей среды, что экологически весьма благоприятно. In this case, only nitrogen is released into the gas phase, which is harmless to humans and the environment, which is environmentally very favorable.

При выходе за указанные пределы количественных соотношений компонентов или при нарушении других условий осуществления предложенного способа не удается решить основную задачу изобретения получить реакционноспеченный тонкозернистый однофазный керамический материал из титаната алюминия с повышенной механической прочностью путем совмещения процессов синтеза и спекания в одну стадию. If the quantitative ratios of the components are exceeded or if other conditions for the implementation of the proposed method are violated, it is not possible to solve the main problem of the invention to obtain a reaction-sintered fine-grained single-phase ceramic material from aluminum titanate with increased mechanical strength by combining the synthesis and sintering processes in one stage.

Таким образом технический результат достигается в изобретении за счет выбора состава исходной шихты, соотношения компонентов в ней и выбора условий термообработки, реализация которых позволяет по данным петрографического, рентгенофазового, ИК-спектрального и электронно-микроскопического анализов получить тонкозернистый однофазный реакционноспеченный керамический материал из титаната алюминия, основные свойства которого, представленные ниже в таблице, превосходят характеристики керамики по прототипу. 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 heat treatment conditions, the implementation of which allows obtaining fine-grained single-phase reactive sintered ceramic material from aluminum titan according to petrographic, x-ray, infrared, and electron microscopy analyzes. the main properties of which, presented in the table below, exceed the characteristics of ceramics of the prototype.

П р и м е р 1. Смешивали 112,0 г порошка оксида алюминия (Al₂O₃, ЧДА, ТУ 6-09-426-75), 0,2 г порошка нитрида титана (TiN, марка А, ТУ 48-42-10-86) и 87,8 г диоксида титана (TiO₂, ЧДА, ТУ 6-09-2166-77) и подвергали помолу на планетарной мельнице до достижения величины удельной поверхности 7,5 м²/г. При этом получали шихту, содержащую, мас. 56,0 оксида алюминия; 0,1 нитрида титана и 43,9 диоксида титана, в которую вводили 6 г парафина, и гранулированием получали пресс-порошок. Заготовки формовали путем прессования при 200 МПа и обжигали их при 170 К в воздушной атмосфере до прекращения изменений массы этих заготовок. После охлаждения получали образцы реакционноспеченного керамического материала из титаната алюминия, свойства которых приведены в таблице.PRI me R 1. Mixed 112.0 g of powder of aluminum oxide (Al ₂ O ₃ , ChDA, TU 6-09-426-75), 0.2 g of powder of titanium nitride (TiN, grade A, TU 48- 42-10-86) and 87.8 g of titanium dioxide (TiO ₂ , ChDA, TU 6-09-2166-77) and milled on a planetary mill until the specific surface area reaches 7.5 m ² / g. When this received a mixture containing, by weight. 56.0 alumina; 0.1 titanium nitride and 43.9 titanium dioxide, into which 6 g of paraffin was added, and a press powder was obtained by granulation. The preforms were formed by pressing at 200 MPa and fired at 170 K in an air atmosphere until the change in mass of these preforms ceased. After cooling, samples of reaction-sintered ceramic material from aluminum titanate were obtained, the properties of which are shown in the table.

П р и м е р 2. Смешивали 127,8 г порошка оксида алюминия (Al₂O₃, ЧДА, ТУ 6-09-426-75), 82,0 г порошка нитрида титана (TiN, СВС, ТУ 48-42-10-86) и 0,2 г порошка диоксида титана (TiO₂, ЧДА, ТУ 6-09-2166-77) и путем совместного помола готовили шихту, содержащую, мас. 63,9 оксида алюминия; 36,0 нитрида титана и 0,1 диоксида титана. В полученную шихту вводили 6 г каучука и гранулированием получали пресс-порошок, из которого при 300 МПа прессовали заготовки. Обжиг отформованных заготовок осуществляли при 1770 К в воздушной атмосфере до прекращения изменений их массы. После завершения охлаждения получали 221 г керамического материала из титаната алюминия, выход которого составил 110,5%
П р и м е р 3. Смешивали 124,0 г порошка оксида алюминия (Al₂O₃, ЧДА, ТУ 6-09-426-75), 75,8 г порошка нитрида титана (TiN, СВС, ТУ 48-42-10-86) и 0,2 г диоксида титана (TiO₂, ЧДА, ТУ 6-09-2166-77) и подвергали помолу на планетарной мельнице до достижения величины удельной поверхности 11,5 м²/г. При этом получали шихту, содержащую, мас. 62,0 оксида алюминия; 37,9 нитрида титана и 0,1 диоксида титана, в которую вводили 8 г парафина, и гранулированием получали пресс-порошок. Заготовки формовали путем прессования при 200 МПа и обжигали их при 1820 К в воздушной атмосфере до прекращения изменений массы этих заготовок. После охлаждения получали 222 г спеченного керамического материала из титаната алюминия, выход которого составил 111%
Основные свойства и характеристики полученного керамического материала из титаната алюминия (AlTOTINOX), представленные ниже в сравнении с характеристиками керамики по прототипу, показывают, что поставленная в изобретении задача решена: путем реакционного спекания получен однофазный тонкозернистый керамический материал из титаната алюминия с повышенной механической прочностью и другими улучшенными характеристиками и свойствами.PRI me R 2. 127.8 g of a powder of alumina (Al ₂ O ₃ , ChDA, TU 6-09-426-75), 82.0 g of a powder of titanium nitride (TiN, SHS, TU 48-42) were mixed -10-86) and 0.2 g of titanium dioxide powder (TiO ₂ , ChDA, TU 6-09-2166-77) and a mixture containing wt. 63.9 alumina; 36.0 titanium nitride and 0.1 titanium dioxide. 6 g of rubber was introduced into the resulting mixture, and a press powder was obtained by granulation, from which billets were pressed at 300 MPa. The molded billets were fired at 1770 K in an air atmosphere until their mass changes ceased. After cooling was completed, 221 g of ceramic material from aluminum titanate was obtained, the yield of which was 110.5%
Example 3. 124.0 g of alumina powder (Al ₂ O ₃ , ChDA, TU 6-09-426-75), 75.8 g of titanium nitride powder (TiN, SHS, TU 48-42) were mixed -10-86) and 0.2 g of titanium dioxide (TiO ₂ , ChDA, TU 6-09-2166-77) and milled on a planetary mill until the specific surface area reaches 11.5 m ² / g. When this received a mixture containing, by weight. 62.0 alumina; 37.9 titanium nitride and 0.1 titanium dioxide, into which 8 g of paraffin was added, and a press powder was obtained by granulation. The preforms were formed by pressing at 200 MPa and fired at 1820 K in an air atmosphere until the mass changes of these preforms ceased. After cooling, 222 g of sintered ceramic material from aluminum titanate was obtained, the yield of which was 111%
The main properties and characteristics of the obtained ceramic material from aluminum titanate (AlTOTINOX), presented below in comparison with the characteristics of the ceramic according to the prototype, show that the problem set in the invention is solved: by reaction sintering, a single-phase fine-grained ceramic material from aluminum titanate with increased mechanical strength and other improved characteristics and properties.

Основные свойства и характеристики керамики из титаната алюминия приведены в таблице. The main properties and characteristics of ceramics made of aluminum titanate are given in the table.

Claims

METHOD FOR PRODUCING ALTOTINOX - T CERAMIC MATERIAL FROM ALUMINUM TITANATE by preparing a mixture of alumina and titanium dioxide powders, forming blanks and then firing them in an oxygen-containing atmosphere, characterized in that the mixture additionally contains titanium nitride in the following ratio of components, wt.%:
Alumina - 56.0 - 63.9
Titanium Dioxide - 0.1 - 43.9
Titanium Nitride - 0.1 - 37.9
and firing is carried out until the cessation of changes in the mass of the workpieces.