RU2584992C1 - Method of producing alumina structural ceramic - Google Patents

Method of producing alumina structural ceramic Download PDF

Info

Publication number
RU2584992C1
RU2584992C1 RU2014150906/03A RU2014150906A RU2584992C1 RU 2584992 C1 RU2584992 C1 RU 2584992C1 RU 2014150906/03 A RU2014150906/03 A RU 2014150906/03A RU 2014150906 A RU2014150906 A RU 2014150906A RU 2584992 C1 RU2584992 C1 RU 2584992C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
precipitate
temperature
air
minutes
heat
Prior art date
Application number
RU2014150906/03A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Фатих Захарович Бадаев
Наталья Александровна Касатова
Виталий Андреевич Левченко
Асиф Юсифович Омаров
Азат Хасанович Хайри
Анатолий Дмитриевич Шляпин
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный машиностроительный иниверситет (МАМИ)" (Университет машиностроения)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный машиностроительный иниверситет (МАМИ)" (Университет машиностроения) filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный машиностроительный иниверситет (МАМИ)" (Университет машиностроения)
Priority to RU2014150906/03A priority Critical patent/RU2584992C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2584992C1 publication Critical patent/RU2584992C1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/10Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on aluminium oxide
    • C04B35/111Fine ceramics
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01FCOMPOUNDS OF THE METALS BERYLLIUM, MAGNESIUM, ALUMINIUM, CALCIUM, STRONTIUM, BARIUM, RADIUM, THORIUM, OR OF THE RARE-EARTH METALS
    • C01F7/00Compounds of aluminium
    • C01F7/02Aluminium oxide; Aluminium hydroxide; Aluminates
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: invention relates to technology of high-temperature structural ceramic materials with improved thermomechanical properties and can be used as thermal generating units lining, heat-resistant ammunition, shockproof protection elements. For making structural alumina ceramic initial aluminium alloy with silicon (10-14 WT%) is treated with aqueous solution of lithium hydroxide with concentration of 12-20 % at heat sink from reaction volume by coolant with temperature of 25-45 °C. Then sediment is separated from mother solution of aluminium hydroxide with inclusions of lithium metasilicate, its washing is carried out to pH value of medium of 8.2-8.6. Sediment is dried, heat treated in air at 1,250-1,350 °C for 30-60 minutes. Produced cake is milled and charge is prepared. Articles are pressed under pressure of 150-200 MPa and sintered in air at 1,450-1,550 °C for 40-60 minutes.
EFFECT: increased strength and density of material.
1 cl, 3 dwg, 3 ex, 1 tbl

Description

Изобретение относится к керамическим материалам конструкционного назначения и может быть использовано для изготовления прочных изделий, используемых в качестве подшипников, нитеводителей, шаровых клапанов в устройствах для перекачки суспензий, а также в качестве деталей бумагоделательных машин.The invention relates to ceramic materials for structural purposes and can be used for the manufacture of durable products used as bearings, thread guides, ball valves in devices for pumping suspensions, as well as parts of paper machines.

Известен способ получения конструкционной алюмооксидной керамики [1], включающий формование сырой заготовки, удаление из нее органической связки с последующей установкой в графитовую пресс-форму, горячее прессование (при температуре 0,5-0,7 от температуры плавления Al2O3), выемку изделия из формы и его алмазную обработку.A known method of producing structural alumina ceramics [1], including the molding of a raw billet, removing organic binder from it, followed by installation in a graphite mold, hot pressing (at a temperature of 0.5-0.7 of the melting point of Al 2 O 3 ), removal of the product from the mold and its diamond processing.

Недостатком данного способа является неудовлетворительная износостойкость получаемого материала вследствие выкрашивания наиболее крупных зерен (образовавшихся вследствие рекристаллизации) с поверхности рабочего слоя при взаимодействии с твердым контртелом в результате действия сдвиговых напряжений.The disadvantage of this method is the unsatisfactory wear resistance of the resulting material due to chipping of the largest grains (formed due to recrystallization) from the surface of the working layer when interacting with a solid counterbody as a result of shear stresses.

За основу разработки керамического материала с повышенными служебными свойствами был взят способ получения конструкционной алюмооксидной керамики [2] (принятый за прототип), включающий обработку алюминиевого сплава (Al-Si10-14% мас.) водным раствором едкого натра при теплоотводе из реакционного объема хладагентом, выделение из маточного раствора образовавшегося осадка (гидроксида алюминия с включениями метасиликата натрия), его промывку водой (до величины рН среды 8-9), сушку, термообработку на воздухе (1280-1350°С, 1-3 час), приготовление из полученного продукта шихты, прессование и спекание на воздухе отпрессованных заготовок (1450-1500°С, 1-2 час).The basis for the development of ceramic material with improved service properties was taken as a method for producing structural alumina ceramics [2] (adopted as a prototype), including processing an aluminum alloy (Al-Si 10-14% wt. ) With an aqueous solution of caustic soda during heat removal from the reaction volume with refrigerant , isolation of the precipitate formed from the mother liquor (aluminum hydroxide with sodium metasilicate inclusions), washing it with water (up to pH 8-9), drying, heat treatment in air (1280-1350 ° С, 1-3 hours), preparation from This product is a mixture, pressing and sintering in air of pressed blanks (1450-1500 ° C, 1-2 hours).

Согласно данному способу получают алюмооксидный материал, содержащий нефелин (25-27% об), равномерно распределенный по поверхности зерен α-Al2O3 в виде тонких прослоек, толщина которых относится к микронному диапазону размеров.According to this method, an alumina material is obtained containing nepheline (25-27% v / v) uniformly distributed over the surface of α-Al 2 O 3 grains in the form of thin interlayers, the thickness of which relates to the micron size range.

Прочность такого материала повышается благодаря наличию тонких прослоек нефелина, которые равномерно распределены по поверхности зерен α-Al2O3, образуя прочный каркас в виде сетки.The strength of such a material increases due to the presence of thin layers of nepheline, which are evenly distributed over the surface of α-Al 2 O 3 grains, forming a strong frame in the form of a grid.

Однако прочность материала, полученного по способу-прототипу, является недостаточной из-за его относительно невысокой плотности и пористости, которые коррелируются между собой и соответственно влияют на прочность.However, the strength of the material obtained by the prototype method is insufficient due to its relatively low density and porosity, which correlate with each other and accordingly affect the strength.

Технической задачей данного изобретения является увеличение плотности и прочности получаемого материала.The technical task of this invention is to increase the density and strength of the resulting material.

Для решения технической задачи изобретения в способе получения конструкционной алюмооксидной керамики, вначале осуществляют обработку сплава алюминия с кремнием, содержащимся в количестве 10-14% мас., взятым в виде стружки от механической обработки, водным раствором гидрооксида лития с концентрацией 12-20% при теплоотводе из реакционного объема хладагентом с температурой 25-45°С. Затем из маточного раствора выделяют осадок гидроксида алюминия с включениями метасиликата лития. После этого проводят промывку осадка до величины рН среды 8,2-8,6. Затем ведут сушку осадка на воздухе при температуре 80-100°С. Затем проводят термообработку полученного осадка на воздухе при температуре 1200-1300°С в течение 30-60 минут. Для приготовления шихты в измельченный продукт, полученный после термообработки осадка, добавляют 7-10%-ный раствор поливинилового спирта в количестве 5-7% в пересчете на сухой остаток вещества. Затем осуществляют формование (прессование) заготовок под давлением 150-200 МПа, а спекание отпрессованных заготовок проводят при температуре 1450-1550°С в течение 40-60 минут.To solve the technical problem of the invention in a method for producing structural alumina ceramics, an aluminum alloy with silicon, containing in the amount of 10-14% wt., Taken in the form of chips from machining, with an aqueous solution of lithium hydroxide with a concentration of 12-20% at a heat sink is first processed. from the reaction volume with a refrigerant with a temperature of 25-45 ° C. Then, a precipitate of aluminum hydroxide with inclusions of lithium metasilicate is isolated from the mother liquor. After that, the precipitate is washed to a pH of 8.2-8.6. Then the precipitate is dried in air at a temperature of 80-100 ° C. Then conduct the heat treatment of the obtained precipitate in air at a temperature of 1200-1300 ° C for 30-60 minutes. To prepare the mixture in the crushed product obtained after heat treatment of the precipitate, add a 7-10% solution of polyvinyl alcohol in an amount of 5-7%, calculated on the dry residue of the substance. Then the blanks are molded (pressed) under a pressure of 150-200 MPa, and the sintering of pressed blanks is carried out at a temperature of 1450-1550 ° C for 40-60 minutes.

Изобретение поясняется следующими фигурами:The invention is illustrated by the following figures:

Фиг. 1. Вид поверхности керамического материала после ударного изгиба. Длина линии-метки 5 мкм.FIG. 1. The surface view of the ceramic material after impact bending. The length of the tag line is 5 microns.

Фиг. 2. Вид поверхности керамического материала после ударного изгиба. Длина линии-метки 5 мкм.FIG. 2. The surface view of the ceramic material after impact bending. The length of the tag line is 5 microns.

Фиг. 3. Вид поверхности керамического материала после ударного изгиба. Длина линии-метки 2 мкм.FIG. 3. The surface view of the ceramic material after impact bending. The length of the tag line is 2 microns.

Для получения материала по заявленному способу в качестве исходного сырья использовали сплав алюминия с кремнием (ионный радиус Si меньше ионного радиуса Al на 20%). В результате его обработки водным раствором гидроксида лития, согласно реакции 1, образуется смесь гидроксида алюминия с метасиликатом лития, выделяющаяся в виде осадка, раствор алюмината лития и водород:To obtain the material according to the claimed method, an alloy of aluminum with silicon was used as a feedstock (the ionic radius of Si is 20% less than the ionic radius of Al). As a result of its treatment with an aqueous solution of lithium hydroxide, according to reaction 1, a mixture of aluminum hydroxide with lithium metasilicate is formed, which precipitates as a precipitate, a solution of lithium aluminate and hydrogen:

Figure 00000001
Figure 00000001

Продуктами реакции являются: осадок - смесь сложного алюмолитиевого гидроксида переменного стехиометрического состава (х=0,5-1; у=0,5-1; n=2,5-3) с метасиликатом лития, раствор алюмината лития и водород (состав осадка был установлен методом рентгенофазового и петрографического анализа).The reaction products are: precipitate - a mixture of complex aluminum-lithium hydroxide of variable stoichiometric composition (x = 0.5-1; y = 0.5-1; n = 2.5-3) with lithium metasilicate, a solution of lithium aluminate and hydrogen (sediment composition was established by x-ray phase and petrographic analysis).

Осадок выделяли из маточного раствора, промывали, высушивали, термообрабатывали на воздухе (1200-1300°С) до образования α-Al2O3, алюмолитиевой шпинели кубической сингонии:The precipitate was isolated from the mother liquor, washed, dried, heat treated in air (1200-1300 ° C) to form α-Al 2 O 3 , aluminum-lithium spinel cubic syngony:

Figure 00000002
Figure 00000002

Figure 00000003
Figure 00000003

Полученный осадок выделяли из маточного раствора, промывали, высушивали, термообрабатывали на воздухе (1200-1300°С) до образования доминирующей алюмооксидной фазы (Al2O3), согласно реакции 2, при этом метасиликат лития (Li2SiO3) расплавлялся (Tпл=1201°C), согласно реакции 3, равномерно покрывая зерна оксида алюминия, и насыщался ионами алюминия с образованием расплава эвкриптита LiAlSiO4пл=1423°С).The precipitate obtained was isolated from the mother liquor, washed, dried, and heat treated in air (1200–1300 ° C) to form the dominant alumina phase (Al 2 O 3 ), according to reaction 2, while the lithium metasilicate (Li 2 SiO 3 ) was melted (T pl = 1201 ° C), according to reaction 3, uniformly covering the grains of aluminum oxide, and was saturated with aluminum ions with the formation of a melt of eucryptite LiAlSiO 4 (T pl = 1423 ° C).

После охлаждения полученный продукт представлял собой спек. Из измельченного спека получали шихту для прессования изделий. В процессе спекания прессовок (1450-1550°С) также имело место образование расплава эвкриптита, температура плавления которого ниже температуры спекания (эвкриптита зафиксирован в спеченном материале методом РФА - 27% об). Таким образом, имело место спекание с участием жидкой фазы. При охлаждении спекаемых изделий расплав эвкриптита кристаллизуется в тригональной сингонии в правильный треугольник, а α-Al2O3 кристаллизуется в гексагональной сингонии соответствующей кристаллической структуре.After cooling, the resulting product was a cake. A mixture for pressing products was obtained from crushed cake. During the sintering of the compacts (1450–1550 ° C), the formation of a melt of eucryptite also took place, the melting point of which is lower than the sintering temperature (eucryptite was recorded in the sintered material by the XRD method - 27% vol). Thus, there was a sintering involving the liquid phase. When the sintered products are cooled, the eucriptite melt crystallizes in the trigonal syngony into a regular triangle, and α-Al 2 O 3 crystallizes in the hexagonal syngony with the corresponding crystal structure.

В соответствии с заявленным способом использовали сплав алюминия с кремнием, взятый в виде стружки. Стружку сплава получали при механической обработки (токарная и строгальная обработка, сверление, фрезерование). При этом количество кремния (С1) в сплаве с алюминием не должно превышать 14% мас. и быть менее 10% мас., поскольку именно в этом интервале значений С1 достигается заданный фазовый состав спеченного материала. Если С1 более 14% мас., то в спеченном материале фиксируются диоксид кремния и муллит с отличными (от оксида алюминия) показателями коэффициентов термического расширения, что приводило к его растрескиванию. Снижение С1 менее 10% мас. не обеспечивало образования эвкриптита.In accordance with the claimed method used an alloy of aluminum with silicon, taken in the form of chips. Alloy shavings were obtained during machining (turning and planing, drilling, milling). In this case, the amount of silicon (C 1 ) in the alloy with aluminum should not exceed 14% wt. and be less than 10 wt.%, since it is in this range of values of C 1 that the desired phase composition of the sintered material is achieved. If C 1 is more than 14 wt.%, Then silicon dioxide and mullite are fixed in the sintered material with excellent thermal expansion coefficients (from alumina), which led to its cracking. The decrease With 1 less than 10% wt. did not provide the formation of eucryptitis.

Обработку сплава производили водным раствором гидроксида лития с заданной концентрацией (С2). Снижение С2 менее 12% не целесообразно, так как реакция практически полностью останавливается согласно реакции (1). Увеличение С2 более 20% также не целесообразно, поскольку с увеличением концентрации в объеме реакции происходил резкий нагрев, так как реакция является экзотермической и раствор начинал выкипать, что приводило к выбрасыванию продуктов реакции 1 (в этом случае не наблюдалось улучшения физико-механических свойств спеченного материала).The alloy was treated with an aqueous solution of lithium hydroxide with a given concentration (C 2 ). A decrease in C 2 of less than 12% is not advisable, since the reaction is almost completely stopped according to reaction (1). An increase in C 2 of more than 20% is also not advisable, since a sharp heating occurred with increasing concentration in the reaction volume, since the reaction is exothermic and the solution began to boil, which led to the ejection of reaction products 1 (in this case, there was no improvement in the physicomechanical properties of sintered material).

Поскольку реакция (1) является экзотермической, то из реакционного объема необходимо отводить тепло во избежание резкого закипания и испарения воды, приводящих к выбросу продуктов реакции. Снижение температуры хладагента (Т1) менее 25°С приводило к уменьшению скорости химической реакции и производительности процесса. Увеличение T1 более 45°С приводило к росту размеров кристаллов гидроксида алюминия в осадке, что негативно сказывалось на показателях механических свойств керамики.Since reaction (1) is exothermic, it is necessary to remove heat from the reaction volume in order to avoid sharp boiling and evaporation of water, leading to the release of reaction products. Reduction of the coolant temperature (T 1) less than 25 ° C led to a decrease in the chemical reaction rate and productivity of the process. An increase in T 1 above 45 ° C led to an increase in the size of the crystals of aluminum hydroxide in the precipitate, which negatively affected the mechanical properties of ceramics.

Отмывку осадка гидроксида алюминия с включениями метасиликата лития проводили до величины рН среды в интервале значений 8,2-8,6. В этом интервале показателя рН-среды (слабощелочная среда) в составе осадка остается определенное дополнительное количество ионов Li+, участвующие в синтезе эвкриптита. Увеличение рН более 8,6 невозможно, поскольку приводит к синтезу алюмината лития в спеченном материале с потерей прочностных свойств. Снижение рН менее 8,2 приводило к полимеризации осадка с образованием геля, отмывка которого методом вакуумной фильтрации становится невозможной.The washing of the precipitate of aluminum hydroxide with inclusions of lithium metasilicate was carried out to a pH of the medium in the range of 8.2-8.6. In this range of the pH indicator (weakly alkaline medium), a certain additional amount of Li + ions participating in the synthesis of eucryptite remains in the composition of the precipitate. An increase in pH of more than 8.6 is impossible, since it leads to the synthesis of lithium aluminate in the sintered material with a loss of strength properties. A decrease in pH of less than 8.2 led to the polymerization of the precipitate with the formation of a gel, the washing of which by vacuum filtration becomes impossible.

Сушку осадка проводят на воздухе при температуре 80-100°С. При этом сушку осадка не целесообразно проводить при температуре (Т2) ниже 80°С в связи со значительным возрастанием времени, необходимым для достижения нулевой влажности. Увеличение Т2 более 100°С также не целесообразно, поскольку при Т2 достигается быстрое высушивание без термического разложения гидроксида.The precipitate is dried in air at a temperature of 80-100 ° C. At the same time, it is not advisable to dry the precipitate at a temperature (T 2 ) below 80 ° C due to a significant increase in the time required to achieve zero humidity. The increase in T 2 more than 100 ° C is also not advisable, since at T 2 is achieved quick drying without thermal decomposition of the hydroxide.

Термообработку осадка проводят на воздухе при температуре (Т3) и времени изотермической выдержки (τ1) не менее 1200°С и 30 минут, также не более 1300°С и 60 минут соответственно. В этом случае снижение Т3 и τ1 менее указанных значений приводит к чрезвычайно высокой усадке керамики при спекании и, как следствие, к ее возможной деформации и разрушению. Увеличение Т3 и τ1 выше указанных значений не целесообразно в связи с потерей активности порошка к спеканию и невозможности достижения высокого уровня механических свойств керамики.Heat treatment of the precipitate is carried out in air at a temperature (T 3 ) and isothermal exposure time (τ 1 ) of at least 1200 ° C and 30 minutes, also not more than 1300 ° C and 60 minutes, respectively. In this case, a decrease in T 3 and τ 1 below the indicated values leads to an extremely high shrinkage of the ceramic during sintering and, as a consequence, to its possible deformation and destruction. An increase in T 3 and τ 1 above the indicated values is not advisable due to the loss of activity of the powder to sintering and the inability to achieve a high level of mechanical properties of ceramics.

Концентрация водного раствора поливинилового спирта (С3) менее 7% не целесообразна, так как в противном случае требуется больший объем вводимого раствора связующего и возрастает время высушивания шихты. Увеличение С3 более 10% приводит к возрастанию вязкости раствора и ухудшению условий смешивания с порошком в процессе приготовления шихты.A concentration of an aqueous solution of polyvinyl alcohol (C 3 ) of less than 7% is not advisable, since otherwise a larger volume of the introduced binder solution is required and the drying time of the charge increases. An increase in C 3 of more than 10% leads to an increase in the viscosity of the solution and the deterioration of the conditions of mixing with the powder during the preparation of the charge.

Количество поливинилового спирта (С4) в шихте менее 5% не обеспечивает получения качественной прессовки: наблюдается образование трещин вследствие недостаточной пластичности смеси порошка с органической связкой. Увеличение С4 более 7% не целесообразно, так как наблюдается снижение механических свойств спеченного материала.The amount of polyvinyl alcohol (C 4 ) in the charge of less than 5% does not provide high-quality pressing: cracking is observed due to insufficient plasticity of the powder mixture with the organic binder. An increase in C 4 of more than 7% is not advisable, since there is a decrease in the mechanical properties of the sintered material.

Давление прессования (Р) менее 150 МПа приводило к снижению механических свойств керамики, увеличение Р, более 200 МПа, приводит к эффекту образования «перепрессовочных» трещин.Pressing pressure (P) less than 150 MPa led to a decrease in the mechanical properties of ceramics, an increase in P, more than 200 MPa, leads to the effect of the formation of “re-pressing” cracks.

Спекание материала производят при температуре (Т4) и времени изотермической выдержки (τ2) не менее 1450°С и 40 минут, а также не более 1550°С и 60 - соответственно. Снижение Т4 и τ2 менее 1450°С и 40 минут приводило к падению механических свойств материала вследствие неполного завершения процесса спекания, а увеличение этих параметров более 1550°С и 60 минут также приводило к уменьшению прочностных характеристик вследствие значительной рекристаллизации зерен корунда.Sintering of the material is carried out at a temperature (T 4 ) and an isothermal holding time (τ 2 ) of at least 1450 ° C and 40 minutes, as well as no more than 1550 ° C and 60, respectively. Reduction T 4 and τ 2 less than 1450 ° C and 40 minutes resulted in a drop in the mechanical properties of the material due to partial completion of the sintering process, and the increase in these parameters over 1,550 ° C, and 60 minutes also led to a decrease in strength properties due to the large recrystallization grains of corundum.

В данном техническом решении наличие положительного эффекта объясняется формированием особой структуры материала (фиг. 1) вследствие зонального спекания высокодисперсной порошковой заготовки с участием жидкой фазы - расплава эвкриптита. Результатом зонального спекания является бимодальный характер распределения пор по размерам в спеченной керамике (наблюдаются субмикронные внутризеренные поры и межзеренные поры - 1-10 мкм, размер зерен сопоставим с размерами агломератов, полученных после термообработки гидроксида алюминия (фиг. 2). В процессе спекания алюмооксидные зерна (пластинчатой формы) покрываются расплавом эвкриптита (фиг. 3), который растекается по их поверхности и образует треугольные зерна правильной формы. Он же способствует снижению роста зерен оксида алюминия вследствие собирательной рекристаллизации (зернограничная фаза понижает поверхностную энергию зерен). При охлаждении спекаемой керамики происходит кристаллизация расплава эвкриптита, закрывающего поры внутри зерен и с поверхности изделия (закрытая пористость - 11% при общей пористости 12-13% и открытой пористости - 1-2%, см. таблицу). Образующееся закрытое поровое пространство в значительной степени способствует диссипации энергии удара при механическом и термическом нагружении (в отличие от материала, полученного по способу-прототипу, с общей пористостью 25-27%). При этом наличие прослоек эвкриптита между алюмооксидными зернами (адгезионный тип связи между α-Al2O3 и LiAlSiO4) обеспечивает достаточно большую прочность при пористости 12-13%.In this technical solution, the presence of a positive effect is explained by the formation of a special material structure (Fig. 1) due to the zonal sintering of a highly dispersed powder billet with the participation of the liquid phase - the eucriptite melt. The result of zonal sintering is the bimodal character of the size distribution of pores in sintered ceramics (submicron intragranular pores and intergranular pores of 1-10 μm are observed, the grain size is comparable to the sizes of agglomerates obtained after heat treatment of aluminum hydroxide (Fig. 2). Alumina grains are sintered during sintering (lamellar form) are covered with a melt of eucryptit (Fig. 3), which spreads over their surface and forms triangular grains of the correct form. It also helps to reduce the growth of alumina oxide grains I am due to collective recrystallization (the grain-boundary phase lowers the surface energy of grains). When the sintered ceramics are cooled, crystallization of the eucriptite melt occurs, closing the pores inside the grains and from the surface of the product (closed porosity - 11% with a total porosity of 12-13% and open porosity - 1-2 %, see table.) The resulting closed pore space significantly contributes to the dissipation of impact energy during mechanical and thermal loading (in contrast to the material obtained by the prototype method, with total porosity of 25-27%). Moreover, the presence of layers of eucryptite between alumina grains (the adhesive type of bond between α-Al 2 O 3 and LiAlSiO 4 ) provides a sufficiently high strength with a porosity of 12-13%.

Таким образом, техническая задача данного изобретения выполнена - достигнуто увеличение плотности и прочности при ударном воздействии нагрузки, при достаточно не высокой температуре спекания.Thus, the technical task of the present invention has been achieved - an increase in density and strength under impact impact of the load is achieved, at a sufficiently low sintering temperature.

Примеры реализации заявленного способа.Examples of the implementation of the claimed method.

Пример 1. 100 грамм сплава алюминия с кремнием (количество кремния С1=10% мас.) в виде стружки загружали в стеклянную колбу из термостойкого стекла, помещенную в воду, выполняющую функцию хладагента. Температуру хладагента поддерживали постоянной (T1=25°C) при помощи термостата с точностью ±2°С. В колбу со стружкой алюминиевого сплава приливали 2000 см3 12% водного раствора щелочи LiOH с концентрацией С2=12% для полного растворения сплава. Растворение сплава, или, иначе говоря, его химическое диспергирование, проводили при непрерывном перемешивании стеклянной пропеллерной мешалкой. После завершения химического диспергирования из маточного раствора путем вакуумной фильтрации выделяли осадок - смесь гидроксида алюминия и метасиликата лития. Этот осадок многократно промывали дистиллированной водой с откачкой жидкости (также методом вакуумной фильтрации). Конечное значение рН, зафиксированное для откачиваемой жидкости было равным 8,2. Полученный осадок высушивали на воздухе до нулевой влажности при температуре Т2, равной 80°С. После этого его помещали в корундовую емкость и термообрабатывали на воздухе при температуре Т3, равной 1200°С, в течение времени τ1, равного 30 минутам. Полученный спек измельчали и вводили в него водный раствор поливинилового спирта (ПВС) с концентрацией С3, равной 10%, в пересчете содержания ПВС на сухой остаток - С4, равного 5% мас. Высушенная смесь представляла собой шихту, из которой прессовали образцы (сырец), прикладывая давление Р, равное 150 МПа. После выжига из сырца временной органической связки - ПВС (300°С, 1 час, на воздухе), проводили его спекание на воздухе при температуре Т4 и времени изотермической выдержки τ2, равных 1450°С и 40 минут - соответственно.Example 1. 100 grams of an alloy of aluminum with silicon (amount of silicon C 1 = 10% wt.) In the form of chips was loaded into a glass flask made of heat-resistant glass, placed in water, acting as a refrigerant. The temperature of the refrigerant was kept constant (T 1 = 25 ° C) using a thermostat with an accuracy of ± 2 ° C. 2000 cm 3 of a 12% aqueous solution of alkali LiOH with a concentration of C 2 = 12% was poured into a flask with shavings of an aluminum alloy to completely dissolve the alloy. Dissolution of the alloy, or, in other words, its chemical dispersion, was carried out with continuous stirring with a glass propeller stirrer. After chemical dispersion was completed, a precipitate was isolated from the mother liquor by vacuum filtration — a mixture of aluminum hydroxide and lithium metasilicate. This precipitate was repeatedly washed with distilled water and pumping liquid (also by vacuum filtration). The final pH recorded for the pumped liquid was 8.2. The resulting precipitate was dried in air to zero humidity at a temperature of T 2 equal to 80 ° C. After that, it was placed in a corundum container and heat treated in air at a temperature of T 3 equal to 1200 ° C for a time τ 1 equal to 30 minutes. The obtained cake was crushed and an aqueous solution of polyvinyl alcohol (PVA) was introduced into it with a concentration of C 3 equal to 10%, in terms of the PVA content on a dry residue - C 4 equal to 5% wt. The dried mixture was a mixture from which samples were pressed (raw), applying a pressure P equal to 150 MPa. After burning a temporary organic binder - PVA (300 ° C, 1 hour, in air) from raw, it was sintered in air at a temperature of T 4 and an isothermal exposure time of τ 2 equal to 1450 ° C and 40 minutes, respectively.

Согласно данным РФА фазовый состав керамики представлен α-Al2O3 (76% об.) и LiAlSiO4 (24% об.).According to the XRD data, the phase composition of the ceramic is represented by α-Al 2 O 3 (76% vol.) And LiAlSiO 4 (24% vol.).

Пример 2. Все технологические операции совпадают с описанными в примере 1.Example 2. All technological operations coincide with those described in example 1.

100 грамм сплава алюминия с кремнием в виде стружки (C1=12% мас.) обрабатывали водным раствором едкого натра (С2=16%) при температуре хладагента T1=35°C. После завершения химического диспергирования сплава из маточного раствора отфильтровывали осадок - смесь гидроксида алюминия и метасиликата лития, который отмывали дистиллированной водой до конечного значения рН-среды, равного 8,4.100 grams of an alloy of aluminum with silicon in the form of chips (C 1 = 12% wt.) Was treated with an aqueous solution of sodium hydroxide (C 2 = 16%) at a refrigerant temperature T 1 = 35 ° C. After the chemical dispersion of the alloy was completed, a precipitate was filtered out of the mother liquor — a mixture of aluminum hydroxide and lithium metasilicate, which was washed with distilled water to a final pH of 8.4.

Полученный осадок высушивали на воздухе до нулевой влажности (Т2=90°С) и проводили его термообработку на воздухе при следующих температурно-временных параметрах: Т3=1250°С, τ1=45 минут.The obtained precipitate was dried in air to zero humidity (T 2 = 90 ° C) and heat treated in air at the following temperature-time parameters: T 3 = 1250 ° C, τ 1 = 45 minutes.

Для приготовления шихты использовали водный раствор ПВС (С3=8,5%, С4=6% мас).To prepare the mixture used an aqueous solution of PVA (C 3 = 8.5%, C 4 = 6% wt).

Прессование сырца производили при Р=175 МПа после выжига из него органической связки спекание проводили на воздухе при следующих температурно-временных параметрах: Т4=1500°С, τ2=50 минут.The raw material was pressed at P = 175 MPa after burning an organic binder from it, sintering was carried out in air at the following temperature and time parameters: T 4 = 1500 ° C, τ 2 = 50 minutes.

Согласно данным РФА фазовый состав керамики представлен α-Al2O3 (74% об.) и LiAlSiO4 (26% об.).According to XRD data, the phase composition of the ceramic is represented by α-Al 2 O 3 (74% vol.) And LiAlSiO 4 (26% vol.).

Пример 3. Все технологические операции совпадают с описанными в примере 1.Example 3. All technological operations coincide with those described in example 1.

100 грамм сплава алюминия с кремнием (С1=14% мас.) в виде стружки обрабатывали водным раствором гидроокиси лития (С2=20%) при температуре хладагента T1=45°C. После завершения химического диспергирования сплава из маточного раствора отфильтровывали осадок - смесь гидроксида алюминия и метасиликата лития, который отмывали дистиллированной водой до конечного значения рН-среды, равного 8,6.100 grams of an alloy of aluminum with silicon (C 1 = 14% wt.) In the form of chips was treated with an aqueous solution of lithium hydroxide (C 2 = 20%) at a refrigerant temperature T 1 = 45 ° C. After the chemical dispersion of the alloy was completed, a precipitate was filtered out of the mother liquor — a mixture of aluminum hydroxide and lithium metasilicate, which was washed with distilled water to a final pH of 8.6.

Полученный осадок высушивали на воздухе до нулевой влажности (Т2=100°С) и проводили его термообработку на воздухе при следующих температурно-временных параметрах: Т3=1300°С, τ1=60 минут.The obtained precipitate was dried in air to zero humidity (T 2 = 100 ° C) and heat treated in air at the following temperature-time parameters: T 3 = 1300 ° C, τ 1 = 60 minutes.

Для приготовления шихты использовали водный раствор ПВС (С3=7%, С4=7% мас.).To prepare the mixture used an aqueous solution of PVA (C 3 = 7%, C 4 = 7% wt.).

Прессование сырца производили при Р=200 МПа, после выжига из него органической связки спекание проводили на воздухе при следующих температурно-временных параметрах: Т4=1550°С, τ2=60 минут.Compressing raw produced at P = 200 MPa, after burning out the organic binder therefrom sintering was performed in air at the following time-temperature parameters: T = 4 1 550 ° C, τ 2 = 60 minutes.

Согласно данным РФА фазовый состав керамики представлен α-Al2O3 (72% об.) и LiAlSiO4 (28% об.).According to the XRD data, the phase composition of the ceramic is represented by α-Al 2 O 3 (72% vol.) And LiAlSiO 4 (28% vol.).

Результаты испытаний материала, полученного в соответствии с заявленным способом, в сравнении с материалом, изготовленным по способу-прототипу, приведены в таблице.The test results of the material obtained in accordance with the claimed method, in comparison with the material manufactured by the prototype method, are shown in the table.

Прочность при изгибе определяли на призматических образцах (7×8×50, мм) по трехточечной схеме нагружения (испытательная машина TIRATEST-2300), а прочность при ударном изгибе - на призматических образцах (7×8×50, мм) с использованием маятникового копра [3].Bending strength was determined on prismatic samples (7 × 8 × 50, mm) using a three-point loading scheme (TIRATEST-2300 testing machine), and impact bending strength was determined on prismatic samples (7 × 8 × 50, mm) using a pendulum ram [3].

Из приведенных данных видно, что материал, полученный по предложенному способу, имеет более высокую плотность и прочность при ударном изгибе по сравнению с материалом, изготовленным по способу-прототипу. Хотелось бы отметить значительное снижение времени спекания (40-60 минут - по заявленному способу, 60-180 - по прототипу).From the above data it is seen that the material obtained by the proposed method has a higher density and impact bending strength compared to the material made by the prototype method. I would like to note a significant reduction in sintering time (40-60 minutes - according to the claimed method, 60-180 - according to the prototype).

Источники информацииInformation sources

1. Патент РФ №2461530, опубл. 20.09.2012, бюл. №26. Способ получения композиционного материала Al2O3-Al; С04В 35/65, 35/117, B22F 3/23.1. RF patent No. 2461530, publ. 09/20/2012, bull. No. 26. A method of obtaining a composite material Al 2 O 3 -Al; C04B 35/65, 35/117, B22F 3/23.

2. Патент РФ №2453517, опубл. 20.06.2012, Способ получения конструкционной алюмооксидной керамики; С04В 35/111, С04В 35/626, C01F 7/42, (прототип).2. RF patent No. 2453517, publ. 06/20/2012, A method for producing structural alumina ceramics; C04B 35/111, C04B 35/626, C01F 7/42, (prototype).

3. Практикум по технологии керамики и огнеупоров / Под ред. Полубояринова Д.Н. и Попильского Р.Я. М.: Изд-во литературы по строительству, 1972, 352 с.3. Workshop on the technology of ceramics and refractories / Ed. Poluboyarinova D.N. and Popilsky R.Ya. M .: Publishing house of literature on construction, 1972, 352 p.

Figure 00000004
Figure 00000004

Claims (1)

Способ получения конструкционной алюмооксидной керамики, включающий обработку алюминиевого сплава водосодержащим реагентом, выделение из маточного раствора образовавшегося осадка, его промывку, сушку, термообработку, приготовление из полученного продукта шихты, формование и спекание отформованных заготовок, отличающийся тем, что используют стружку сплава алюминия с кремнием, содержащимся в количестве 10-14 мас.%, который обрабатывают водным раствором гидроокиси лития с концентрацией 12-20% при теплоотводе из реакционного объема хладагентом с температурой 25-45°C, из маточного раствора выделяют осадок гидроксида алюминия с включениями метасиликата лития, промывку осадка ведут до величины pH среды 8,2-8,6, сушку осадка проводят на воздухе при температуре 80-100°C, термообработку осадка проводят на воздухе при температуре 1250-1350°C в течение 30-60 минут, для приготовления шихты в измельченный продукт, полученный после термообработки осадка, добавляют 7-10%-ный раствор поливинилового спирта в количестве 5-7% в пересчете на сухой остаток вещества, формование заготовок проводят путем прессования под давлением 150-200 МПа, а спекание проводят на воздухе при температуре 1450 -1550°C в течение 40-60 минут. A method for producing structural alumina ceramics, including treating an aluminum alloy with a water-containing reagent, isolating the precipitate formed from the mother liquor, washing, drying, heat-treating it, preparing the mixture from the resulting product, molding and sintering the molded billets, characterized in that the chips are made of an aluminum alloy with silicon, contained in an amount of 10-14 wt.%, which is treated with an aqueous solution of lithium hydroxide with a concentration of 12-20% with heat removal from the reaction volume of the refrigerant volume with a temperature of 25-45 ° C, aluminum hydroxide precipitate with lithium metasilicate inclusions is isolated from the mother liquor, the precipitate is washed to a pH of 8.2-8.6, the precipitate is dried in air at a temperature of 80-100 ° C, heat treatment the precipitate is carried out in air at a temperature of 1250-1350 ° C for 30-60 minutes, to prepare the mixture in the crushed product obtained after heat treatment of the precipitate, add 7-10% solution of polyvinyl alcohol in an amount of 5-7% in terms of dry the remainder of the substance, the molding of blanks is carried out by means of presses Nia pressure of 150-200 MPa and sintering in air at 1450 -1550 ° C for 40-60 minutes.
RU2014150906/03A 2014-12-16 2014-12-16 Method of producing alumina structural ceramic RU2584992C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014150906/03A RU2584992C1 (en) 2014-12-16 2014-12-16 Method of producing alumina structural ceramic

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014150906/03A RU2584992C1 (en) 2014-12-16 2014-12-16 Method of producing alumina structural ceramic

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2584992C1 true RU2584992C1 (en) 2016-05-27

Family

ID=56095859

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014150906/03A RU2584992C1 (en) 2014-12-16 2014-12-16 Method of producing alumina structural ceramic

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2584992C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2737298C1 (en) * 2020-05-20 2020-11-26 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН) Method of producing nanoporous ceramics based on mullite

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5413974A (en) * 1990-03-27 1995-05-09 Asahi Kasei Kogyo Kabushiki Kaisha Aluminum-containing oxide and process for producing aluminum-containing oxide
RU2176985C1 (en) * 2000-06-30 2001-12-20 Открытое акционерное общество Научно-производственное объединение "Поволжский АвиТИ" Method of preparing corundum
RU2453517C1 (en) * 2010-12-09 2012-06-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный индустриальный университет" (ФГБОУ ВПО "МГИУ") Method to produce structural alumina ceramics
CN102557095A (en) * 2010-12-13 2012-07-11 中国科学院金属研究所 Technology for preparing a-Al2O3 powder by using aluminum-rich alloy
RU2522487C2 (en) * 2012-11-02 2014-07-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный индустриальный университет" Method of obtaining construction alumooxide ceramics

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5413974A (en) * 1990-03-27 1995-05-09 Asahi Kasei Kogyo Kabushiki Kaisha Aluminum-containing oxide and process for producing aluminum-containing oxide
RU2176985C1 (en) * 2000-06-30 2001-12-20 Открытое акционерное общество Научно-производственное объединение "Поволжский АвиТИ" Method of preparing corundum
RU2453517C1 (en) * 2010-12-09 2012-06-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный индустриальный университет" (ФГБОУ ВПО "МГИУ") Method to produce structural alumina ceramics
CN102557095A (en) * 2010-12-13 2012-07-11 中国科学院金属研究所 Technology for preparing a-Al2O3 powder by using aluminum-rich alloy
RU2522487C2 (en) * 2012-11-02 2014-07-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный индустриальный университет" Method of obtaining construction alumooxide ceramics

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2737298C1 (en) * 2020-05-20 2020-11-26 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН) Method of producing nanoporous ceramics based on mullite

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2453517C1 (en) Method to produce structural alumina ceramics
CN108367993B (en) Sintered refractory zircon composite material, method for the production thereof and use thereof
CN101918338A (en) A kind of polycrystal alumina transparent ceramic and preparation method thereof with preferred orientation
JP6661873B2 (en) Sintered zircon material for block formation
DK172348B1 (en) Preparation method for the production of polycrystalline alpha-aluminum materials
TW201609378A (en) Transparent spinel article and tape cast methods for making
CN107001149B (en) Boron-free aluminum alloy ceramic foam filter
US4073662A (en) Method for removing a magnesia doped alumina core material
US5589430A (en) Densely sintered, tabular ceramic parts of aluminum oxide having improved thermal shock resistance
US10717656B2 (en) Method for preparing a material made from aluminosilicate and method for preparing a composite material having an aluminosilicate matrix
US5424257A (en) Ceramic moldings composed of aluminum oxide having high metallization adhesion
RU2584992C1 (en) Method of producing alumina structural ceramic
Lisachuk et al. Study of technological features of celsian ceramics creation
JP6278476B2 (en) Ceramic composition comprising alumina
RU2522487C2 (en) Method of obtaining construction alumooxide ceramics
Zaichuk et al. Heat-resistant ceramics of β-eucryptite composition: peculiarities of production, microstructure and properties
US10233107B2 (en) Refractory product having improved flow
RU2545270C1 (en) Method of obtaining constructional alumina ceramics
RU2581183C1 (en) Method of producing alumina structural ceramic
CN108046783B (en) Cordierite-corundum hollow sphere sagger, preparation method and application thereof
Bhattacharyya et al. Effect of titania on fired characteristics of triaxial porcelain
RU2547852C1 (en) Method of obtaining constructional alumina ceramics
RU2536692C1 (en) Method of obtaining constructive aluminium oxide ceramics
RU2567246C1 (en) Method of producing articles from sintered glass ceramic material of lithium-aluminosilicate composition
RU2799462C1 (en) METHOD OF OBTAINING A COMPOSITE MATERIAL Al2O3-Al

Legal Events

Date Code Title Description
PC43 Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions

Effective date: 20170427

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20201217