Шихта и способ изготовления керамического материала

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ШИХТА И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(72) Авторы Шелег Валерий Константинович Шмурадко Валерий Трофимович Овчинников Владимир Ильич Лобачев Виктор Алексеевич Лапин Владимир Павлович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(57) 1. Шихта для изготовления керамического материала, содержащая -сподумен, отличающаяся тем, что дополнительно содержит , ,и 2 при следующем соотношении компонентов, мас.40-60 1,0-2,5 2 33,5-42,0. 2. Способ изготовления керамического материала из шихты по п. 1, включающий размол, смешивание и гомогенизацию компонентов шихты в три стадии в течение одного цикла, прессование при давлении 50-250 МПа и спекание в течение 7-12 часов в окислительной атмосфере по трехступенчатому температурно-временному режиму при температурах 1000-1150 С, 1200-1300 С и 1350-1450 С. Изобретение относится к производству электроизоляторов и изделий специального назначения с повышенными термомеханическими, электрическими, диэлектрическими и химическими свойствами и может быть использовано в машиностроении, электротехнической и электронной промышленности. Известен керамический материал и способ его изготовления на основе оксидов алюминия, магния с добавками двуокиси кремния, оксидов кальция, бора 1. При этом материал получают смешиванием компонентов шихты, формованием изделий и обжигом. Причем оксиды алюминия и магния вводят в шихту в виде шпинели, а добавки оксидов кальция, кремния, бора - в виде спека эвтектического состава в количестве 5-9 мас. . Однако, процесс получения известного материала энергоемок, т.к. требует дополнитель 10869 1 2008.08.30 ных энергозатрат на синтез и размол шпинели и эвтектики. Материал согласно его составу обладает недостаточной стойкостью к термоудару и относительно высокой температурой спекания (1600 С). Известна шихта для изготовления керамического материала 2 из цирконового концентрата, алюмосиликатного мертеля, алюмоборфосфатного концентрата, глины, шамота,ортофосфорной кислоты. Однако, из-за низких значений механической прочности (2022 МПа), материал на ее основе, согласно физическим и механическим подходам определения термостойкости, имеет низкие ее значения (700-720 С). Известен способ изготовления огнеупорного материала на основе диоксида циркония,требующий проведения большого числа технологических операций и характеризующийся как технологически трудоемкий 3. Наиболее близким техническим решением к заявляемому является шихта 4 для изготовления керамического материала, состоящая, вес.45-60-сподумен глина 20-23 каолин 12-18 песок 5-12 апатит 2-3. Шихту готовят путем смешивания исходных компонентов, прессуют образцы и обжигают при температуре 1280 С с выдержкой при этой температуре в течение 30 минут. Однако, начиная с 1000 С, материал требует обжига в восстановительной атмосфере. Недостатком известного материала являются невысокие механическая (96 МПа), а следовательно, термомеханическая прочность, термостойкость при повышенных температурах и термоциклировании (1000 С - вода), электрическая прочность (31 кВ/мм). Однако в связи с тем, что для ряда установок и оборудования электротехнической промышленности необходима комплектация керамическими изделиями, обладающими повышенными термостойкостью, механическими, термомеханическими и электрофизическими свойствами, были решены следующие задачи. Задача изобретения - повышение термостойкости, рабочей температуры, механической прочности, химической стойкости. Поставленная задача достигается тем, что в известный состав шихты для изготовления керамического материала, содержащий -сподумен, дополнительно вводят , 2 при следующем соотношении компонентов, вес.40-60 1-5 МО 1-2,5 2 33,5-42. Керамический материал получают путем размола, смешивания и гомогенизации компонентов шихты в три стадии в течение одного цикла, прессования при давлении 50250 МПа и спекания в течение 7-12 часов в окислительной атмосфере по трехступенчатому температурно-временному режиму при температурах 1000-1150 С, 1200-1300 С и 1350-1450 С. Технология изготовления керамического материала состоит в следующем. 1. Размол, смешивание и гомогенизация на первой стадии подготовки шихты производят размол оксидных добавок , Ва, М до размера частиц менее 10 мкм в керамическом аттриторе (размольной установке) на второй стадии в размольную установку добавляют соответствующее количество порошкового -сподумена фракции 100-150 мкм. Шихту размалывают до размера частиц 50-70 мкм на третьей стадии в шихту добавляют 2 с размером частиц менее 10 мкм, производят смешивание и гомогенизацию компонентов. 2 10869 1 2008.08.30 2. Прессование. Формообразование изделий в зависимости от их конфигурации производят соответствующим методом прессования, применяемым в керамической технологии (статическим, изостатическим, гидродинамическим), в диапазоне давлений 50-250 МПа. Выше 250 МПа плотность материала не изменяется, происходит перепрессовка и расслоение изделий, ниже 50 МПа недопрессовка. Материал имеет низкую прочность и плотность, что, в свою очередь, из-за высокой усадки материала изделий при спекании приводит к искажению их геометрии. 3. Спекание. Термообработку изделий производят в электропечи сопротивления при температуре 1000-1450 С в течение 7-21 часа в окислительной атмосфере по трехступенчатому режиму (1000-1150 С 1200-1300 С 1350-1450 С). Примеры. Из разработанного материала с применением указанной технологии были изготовлены электроизоляторы пяти составов, представленных в табл. 1. Таблица 1 п/п Из полученных составов прессовались и спекались изделия при 1100-1450 С в течение 21 часа при времени выдержки на максимальной температуре 1-5 часов. Охлаждение изделий происходило вместе с печью. На основании разработанных составов материала и технологии изготовления из них изделий были проведены комплексные исследования физико-механических, термофизических, электрических и диэлектрических свойств. Указанные характеристики материала представлены в табл. 2. Таблица 2 Свойства материала изделийсостава, вес.п/п 1 2 3 4 5 6 7 Прототип 1 Относительная плотность,91 92 94 96 95 94 93 98 2 Предел прочности при изгибе, МПа 131 134 140 161 154 134 130 96 3 Предел прочности при сжатии, МПа 250 253 290 324 320 261 254 Коэффициент термического расши 4 рения в диапазоне температур 2,6 2,6 2,1 0,4 0,42 0,9 1,1 0,51-6 20-800 С, град.10 Тангенс угла диэлектрических 5 потерь при частоте 50 Гц и темпе 20 20 20 19 18 20 21 21 ратуре 20 С, .10-3 6 Диэлектрическая проницаемость 5,5 5,6 5,9 5,7 6,7 7 Электрическая прочность, кВ/мм 69 69 67 58 60 65 50 31,0 8 Интервал спекшегося состояния, С 65 65 70 70 65 60 50 Термостойкость, воздушные тепло 9 105 110 130 145 150 120 110 смены 1000 -20 С 10 Термостойкость 1000 С - вода 10 12 16 20 25 21 16 Составы материала (запредельные) с низкими показателями физико-механических и термических свойств. 3 10869 1 2008.08.30 Свойства полученного материала изделий, представленные в табл. 2, достигнуты за счет введения в шихту конкретных оксидных добавок. -сподумен, базовый компонент шихты, обеспечивает своим фазовым составом низкий коэффициент термического расширения (КТР). 1. Введение в состав материала шихты на основе -сподумена ВаО в количестве 15 вес.обеспечивает образование в структуре синтезируемого материала призматических кристаллов цельзиана (228), которые в моноклинной форме устойчивы от комнатной температуры до 1590 С, в гексагональной форме стабильны до 1760 С. В совокупности повышают термомеханические свойства повышение термостойкости в 1,1-1,3 раза повышение химической (коррозионно-эрозионной) стойкости повышение рабочей температуры стеклокристаллической фазы материала на 70 С снижение тангенса угла диэлектрических потерь в 1,1-1,16 раза спекаемость до высокоплотного состояния (94-96 ) достигается путем введения в шихту Ва в количестве 1-5 в виде ВаСО 3. 2. Введение в состав шихтыв количестве 3-12 вес.ограничивает в рабочем температурно-временном режиме рекристаллизацию и рост зерна в структуре материала,осуществляет частичную стабилизацию 2, снижает и стабилизирует величину КТР (коэффициент термического расширения), обеспечивая повышение физико-механических свойств изделий. 3. Введение в состав шихты материала МО в количестве 1-2,5 вес.обеспечивает снижение температуры спекания материала и повышение его плотности. 4. Введение в состав материала шихты 2 в количестве 33,5-42 вес.обеспечивает релаксацию (снижение) термических и механических напряжений в структуре и в материале изделий присутствие в структуре материала метастабильной фазы, обладающей высокой прочностью, которая повышает физико-механические и термомеханические свойства материала. Повышение термической стойкости изделий обеспечивается синтезом в изделиях зернистой структуры за счет введения добавок (, ВаО, МО,2,) наличием в материале изделий регулируемой пористости в диапазоне 6 - 8 образованием при термообработке изделий алюмомагниевой шпинели 2 О 4 присутствием в материале изделий кроме -сподумена (2 О 2342) эвкрипта(2 О 2322) и петалита (2 О 2382) образованием призматических кристаллов цельзиана в виде 228 и 4 3-ступенчатым температурно-временным режимом термообработки изделий в диапазоне температур 1000-1450 С, температурно-временные ступени которого обеспечивают при спекании образование поликристаллической структуры с высокими прочностными свойствами для данного класса материалов введением 2, релаксирующим (снижающим) термические напряжения в материале изделий. Повышение механической прочности изделий обеспечивается введением в состав шихты керамического материала высокопрочной и высокотемпературной фазы в виде 2, частично стабилизирующейсяна первой-второй ступенях температурно-временного режима спекания синтезом в структуре материала при спекании связывающей (матричной) стеклокристаллической фазы, содержащей призматические кристаллы цельзиана образованием при спекании термопрочной алюмомагниевой шпинели. 10869 1 2008.08.30 Повышение рабочей температуры достигнуто введением в состав шихты синтезируемого материала высокопрочной и высокотемпературной добавки в виде 2 синтезом в составе материала изделий стеклокристаллической фазы, содержащей призматические кристаллы цельзиана (228) в моноклинной и гексагональной формах, устойчивых до температур 1590 и 1760 С соответственно образованием при спекании термопрочной алюмомагниевой шпинели. Повышение химической (коррозионной и эрозионной) стойкости изделий достигается созданием в материале изделий плотной структуры с регулируемой закрытой пористостью (в зависимости от условий эксплуатации изделий) в пределах 6-8 присутствием в материале шихты соединений бария синтезом при спекании в структуре материала фаз, обладающих высокой энергией связи металла и кислорода. В данном материале этои 228. Согласно данным, представленным в табл. 2, и способу изготовления, керамический материал обладает следующими структурой и свойствами структура материала плотная,зернистая, пористость закрытая, регулируемая в пределах 6-8 . В целях снижения содержания в материале стекла последнее синтезировалось при термообработке изделия на третьей ступени температурно-временного режима спекания в виде стеклокристаллической фазы, содержащей в своем составе призматические термопрочные кристаллы цельзиана в моноклинной и гексагональной формах, стабильные до 1590 и 1760 С соответственно. Создание материала и изделий, стойких к термоудару, достигалось зернистой структурой, содержащей поры закрытого типа в пределах 6-8 , рассеивающие зарождающиеся магистральные трещины в материале при термонагрузках наличием призматических кристаллов цельзиана и алюмомагниевой шпинели введением в состав материала релаксатора термонапряжений в форме 2 содержанием в составе материала -сподумена, а также эвкриптита и петалита режимами трехступенчатой термообработки изделий при спекании в диапазоне температур 1000-1450 С 1) 1000-1150 С 2) 1200-1300 С 3) 1350-1450 С. Снижение тангенса угла диэлектрических потерь обеспечивается введением в материал ВаО. Разработанная шихта и способ получения из нее керамического материала согласно полученным свойствам может применяться в электротехнической, машиностроительной промышленности в условиях высоких термоциклических нагрузок и химически активных сред. Источники информации 1. А.с. СССР 753831, МПК С 04 В 35/10, 1980 // Бюл.29. 2. А.с. СССР 1677036, МПК С 04 В 28/34, 1991 // Бюл.34. 3. А.с. СССР 1306925, МПК С 04 В 28/34. 4. А.с. СССР 899507, МПК С 04 В 35/18, 1982 // Бюл.3. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5