Спеченный материал на основе α - оксида алюминия и способ получения спеченного керамического материала - RU2021225C1

Чертежи

Описание

Изобретение касается спеченного материала на базе оксида алюминия и золь-гелевого способа его получения.

Оксидные абразивы, как алюминиевый корунд или циркониевый корунд, получают обычно путем плавления оксидов или смеси оксидов, застывания расплава, измельчения и разделения на фракции.

Недостатком этого способа являются большие энергетические затраты и ограниченная возможность оказания влияния на механические свойства продукта, обусловленная в основном составом и условиями охлаждения.

Известны также спеченные заготовки на основе оксида алюминия, пригодные для применения в качестве абразивов, одни из которых были получены из чистого оксида алюминия или гидроксида ключиния или из боксита путем тонкого измельчения, в соответствующем случае добавками вспомогательного спекающего средства или образователя стеклофазы, уплотнения и спекания или горячего прессования. Однако оказалось, что полученные таким образом материалы не обладают еще оптимальными абразивными свойствами, так как величина их кристаллитов лежит в интервале от 5 до 20 мкм, в то время как для достижения максимальной твердости и вязкости необходимы значительно меньшие кристаллиты. Было предложено измельчать глинозем с добавками до величины частиц менее 0,1 мкм и затем подвергать многоступенчатой термообработке и спеканию. Способ хотя и исходит из благоприятного по стоимости сырья, однако процесс измельчения требует больших затрат и его осуществление в больших масштабах сомнительно.

Проблема измельчения отпадает при способе золь-геля. Известные формы осуществления золь-гелевого способа требуют, как правило, добавки оксида магния или его предшественника или другого соединения, образующего шпинель металла.

Известен керамический материал, полученный смешиванием глинозема с размером частиц 0,063 мм с титансодержащей добавкой, формованием и спеканием при 1450-1750^оС. Однако этот материал и в силу использования глинозема с указанным размером частиц, и в силу достаточно высоких температур обжига имеет более крупно кристаллическое строение и иные механические свойства, обусловленные этим.

Известно модифицирование продукта, получаемого из шихты, содержащей Al₂ O₃ и TiO₂, с введением добавок, например MgO или MgO и SiO₂.

Желательно, чтобы можно было пpостым способом влиять на свойства спеченного продукта, в частности на его вязкость при разрыве и твердость, без применения многочисленных различных добавок.

Задачей изобретения является создание способа получения керамического материала на основе оксида алюминия, который просто осуществляется при применении относительно малых количеств предпочтительно оксидных добавок и дает продукты, которые пригодны в качестве абразивов, и позволяет оказывать влияние на их механические свойства просто и воспроизводимо.

Было обнаружено, что в результате добавки оксида титана или титаната алюминия в тонкоизмельченной форме или смеси обоих компонентов или соответствующих их предшественников к полученным обычными методами золям гидроксида алюминия или гидроксида алюминия также без дополнительных добавок обычными методами работы могут быть получены плотные тела с большой твердостью и вязкостью и очень тонкой структурой, если выдерживаются подходящие условия спекания.

Хотя было известно, что на Al₂O₃ и TiO₂ без дополнительных добавок могут быть получены плотные спеченные продукты, но они состоят из эквимолярных количеств Al₂O₃ и TiO₂ или из Al₂TiO₅ и получаются плотными лишь после горячего прессования.

Добавляемый в соответствии с изобретением двуоксид титана имеет предпочтительно среднюю величину частиц, выраженную в виде значения d₅₀, менее 5 мкм, предпочтительно менее 1 мкм. Особенно предпочтительно так называемый высокодисперсный, полученный путем пламенного гидролиза безводный тетрахлорид титана со средней величиной первичных частиц 10-50 нм. Такой продукт получает, например, фирма Дегусса и обозначает его как двуокись титана Р25.

При другой форме осуществления способа в соответствии с изобретением применяют тонкоизмельченный титанат алюминия со средней величиной зерна, выраженной в виде значения d₅₀ менее 5 мкм, предпочтительно менее 1 мкм. Особенно предпочтительно высокодисперсный продукт со средней величиной частиц 10-50 нм.

Можно также применять другие источники тонкоизмельченного диоксида титана, например гидролизованные тетаралкоксититанаты, или вместо титаната алюминия использовать смесь двуокиси титана и оксида алюминия. В качестве оксида алюминия в этом случае предпочтительно применять высокодисперсный оксид алюминия со средней величиной частиц 5-50 нм, который преимущественно состоит из γ -модификации. Такие высокодисперсные оксиды алюминия получают путем пламенного гидролиза безводного хлорида алюминия и выпускается, например, фирмой Дегусса с маркировкой: оксид алюминия С.

Двуокись титана или иные титансодержащие добавки целесообразно добавлять к золю оксида алюминия или гидроксиду алюминия в таком количестве, чтобы содержание оксида титана в готовом спеченном продукте составляло 0,1-10 мас.%. Под содержанием диоксида титана здесь следует понимать элементарно-аналитический состав, а не фазовый состав, т.е. не играет роли, в какой форме находится титан в готовом продукте: TiO₂ или Al₂TiO₅ или в какой-либо еще форме. Предпочтительно содержание TiO₂ в готовом спеченном продукте составляет 1-5 мас.%.

Двуокись титана или иные титансодержащие добавки целесообразно интенсивно диспергировать в золе, чтобы достигнуть наилучшего гомогенного распределения. Этого можно достичь в результате перемешивания высокоскоростной мешалкой или, например, путем обработки в шаровой или в вибрационной мельнице. В случае золей с большим содержанием твердого вещества гомогенное распределение добавок достигается предпочтительно с помощью барботера, кнетмашины, экструдера или подобных устройств.

Разумеется, что можно применять также дополнительно к двуокиси титана или его предшественнику или титанату алюминия еще вспомогательные спекающие вещества, ингибиторы роста зерна, зародышеобразователи или образователи стеклофазы. Такие дополнительные добавки известны из уровня техники и охватывают например SiO₂, MgO или ZrO₂ или предшественников этих оксидов, как, например, эфиры кремневой кислоты, соли магния, соли цирконила или алкокголяты циркония, кроме того, MgAl₂O₄, MgTiO₃, α -Fe₂O₃, FeAl₂O₄, ViO, NiTiO₃, NiAl₂O₄, α-Al₂O₃, α -Cr₂O₃, CeO₂, ZrO₂ZnTiO₃, ZnAl₂O₄ или Y₂O₃. Эти добавки добавляют предпочтительно в количестве 0,001-5 мас.%, считая на спеченный продукт, и таким образом можно модифицировать свойства в соответствующем случае спеченного продукта в соответствии с изобретением. Золь непосредственно после этого переводят известным образом в гель и при температуре менее 100^оС высушивают.

Гелеобразование осуществляют предпочтительно путем длительного добавления азотной, соляной или уксусной кислоты в плоских чашках при толщине слоя менее сантиметра.

Сушку предпочтительно проводят в сушильном шкафу и продолжают ее предпочтительно при 75^оС несколько дней. После высушивания гель можно измельчить известным способом, если конечный продукт должен применяться в виде абразива, разделяют на соответствующие желаемые фракции, при этом целесообразно принимать во внимание усадку во время процесса спекания.

Процесс спекания целесообразно проводить многостадийно. Сначала высушенный гель нагревают менее 1 ч до температуры 300-700^оС, чтобы физически и химически связанную воду и иные летучие при этой температуре составные части удалить и гидроксилы и гидраты оксидов перевести в оксиды. Непосредственно после этого таким образом кальцинированный материал нагревают снова до температуры спекания, причем в соответствующем случае может быть выгодно перед собственно спеканием дать еще выдержку при температуре, например, 1100^оС, лежащей несколько ниже температуры спекания. Спекание осуществляют предпочтительно при температуре 1250-1500^оС, причем в зависимости от температуры время выдержки составляет от нескольких минут до нескольких часов. Оптимальное время выдержки зависит существенно также от скорости нагрева и охлаждения и должно определяться опытным путем, как это известно в технике керамики и известно специалистам. Полученный таким образом спеченный материал состоит из кристаллитов, самое меньшее 95% которых имеют величину менее 4 мкм, предпочтительно менее 2 мкм. Они пронизаны многочисленными микропорами, которые преимущественно имеют величину 10-500 нм и не связаны друг с другом. Эти микропоры находятся частично между кристаллитами, частично в отдельных кристаллитах. Их количество можно оценить по величине поглощения кристаллической решетки в электронной растровой микроскопии (РЭМ) на поверхности излома. Как правило материал на один кристаллит содержит одну пару.

Вязкость при разрыве К_1с этого материала благодаря многочисленным микропорам высокая и составляет предпочтительно по крайней мере 4,5 МПа˙ м^1/2, микротвердость составляет предпочтительно самое меньшее 16 ГПа.

В рентгеновской дифрактограмме этого материала можно определить в случае TiO₂ содержания около 2% наличия фазы рутила.

В результате термообработки после спекания при температуре, которая лежит ниже температуры спекания, предпочтительно ниже на 100^оС, и продолжается предпочтительно 1-8 ч, можно сильно уменьшить число микропор, и даже возможно довести до полного исчезновения. Размер кристаллитов при этом процессе увеличивается, причем, однако, можно без дополнительных усилий получить продукт со средней величиной кристаллитов, например 2 мкм, в котором по крайней мере 95% кристаллитов имеют величину меньше 4 мкм и который в основном свободен от микропор. В результате дополнительный термообработки микротвердость увеличивается приблизительно до 18 ГПа, в то время как вязкость при разрыве снижается до значения 2-2,5 МПа ˙ м^1/2.

После термообработки на рентгеновской диаграмме нет больше дифракционных линий рутила.

Независимо от микропор полученные в соответствии с изобретением продукты спекания еще обладают закрытыми большими порами. Плотность, определяемая с помощью пикнометрии, поэтому испытывает влияние от степени измельчения пробы. Для предпочтительного применения в качестве абразива или для получения керамических порошков это, однако, не является существенным недостатком.

Спеченные продукты в соответствии с изобретением применяют предпочтительно в качестве абразивов, а именно как в свободной форме, в зависимости от зернистости в виде струйного или протирочного абразива, так и в виде абразива на подложке, например, абразивной бумаги, или ткани, или в керамически связанных или полимерно-связанных абразивах, как например, абразивные, отрезные шлифовальные или обдирочные круги.

Другое предпочтительное применение спеченных материалов в соответствии с изобретением - это получение керамического порошка, который известным образом перерабатывают до керамических строительных деталей или используют в виде керамического распыляемого в плазме порошка.

Другое предпочтительное применение спеченных материалов в соответствии с изобретением представляет собой получение керамических режущих инструментов для обработки путем снятия стружки, в частности для обработки металлов, а также получение измельчающих тел, например, для шаровых мельниц.

П р и м е р ы 1-9. Общее описание.

В перемешиваемой емкости 20 л дистиллированной воды ( ≅ 5 μ s) и 5 кг пураля^® SB (Condea Chemie GmbH) смешивают с помощью пропеллерной мешалки (n = 100 мин^-1 ). Непосредственно после этого добавляют соответствующее количество высокодисперсной двуокиси титана Р 25 (Дегусса АГ) и полученную таким образом смесь низкой вязкостью интенсивно диспергируют по меньшей мере в течение 24 ч. После этого путем добавления около 0,75 л концентрированной уксусной кислоты устанавливают значение рН = 3,5 и смесь толщиной слоя 2-3 см выливают в чашку из жести. При комнатной температуре образуется в течение 45 мин - 60 мин плотный гель, который высушивают при 75^оС в течение 2-3 дней в сушильном шкафу.

Высушенный гель спекают большими кусками в печи быстрого обжига при различных условиях. Характеризуют спеченный продукт путем определения следующих свойств:
плотность, пикнометрически в ксилоле раздробленных проб с величиной зерна 0-0,5 мм;
микротвердость по Викерсу (сила воздействия 1 N);
микротвердость по Викерсу (сила воздействия 100 N);
вязкость при разрыве К_1с по Анстису и Ниихара на полированных поверхностях;
величина кристаллитов и пор с помощью снимков РЭМ на поверхности излома.

Условия спекания и результаты.

П р и м е р ы 1-3. Добавляемые количества двуоксида титана Р 25 составляют 0,1 мас.% (пример 1), 1 мас.% (пример 2) и 2 мас.% (пример 3) ,считая соответственно на используемый пураль^® .

Высушенный гель нагревали в течение 1 ч до 400^оС, при этой температуре выдерживали 1 ч, затем нагревали в течение 30 мин до 1100^оС, при этой температуре выдерживали 3 ч, затем нагревали 30 мин до конечной температуры 1300^оС, выдерживали при этой температуре 15 мин и охлаждали.

Свойства полученных таким образом материалов представлены в табл.1.

П р и м е р ы 4-6. Добавляемое количество диоксида титана Р 25 составило 2 мас.% (пример 4), 3,5 мас.% (пример 5) и 5 мас.% (пример 6), считая соответственно на используемый пураль.

Высушенный гель в течение 1 ч нагревают до 400^оС и выдерживают при этой температуре 1 ч. Непосредственно после этого нагревают в течение 30 мин до 1330^оС, выдерживают при этой температуре 5 мин и охлаждают.

Полученные при этих условиях свойства приведены в табл.2.

П р и м е р ы 7-9. Добавляемое количество двуокиси титана Р 25 составляет 2 мас.% (пример 7), 3,5 мас.% (пример 8) и 5 мас.% (пример 9), соответственно считая на используемый пураль^® .

Опыт проводили как в примерах 4-6, однако после времени выдерживания 5 мин при температуре 1330^оС не сразу охлаждали до комнатной температуры, а еще 5 ч выдерживали при 1250^оС. Микропоры в спеченном материале были при этом полностью ликвидированы, свойства полученных таким образом материалов приведены в табл.3.

П р и м е р ы 10-11. Получение геля осуществляют, как в примерах 1-9, вместо высокодисперсного двуоксида титана используя эквимолярное количество смеси высокодисперсного оксида алюминия С (Дегусса АГ) и двуокиси татанa Р 25 (Дегусса АГ), используя соответственно состав 56 мас.% Al₂O₃ и 44 мас.% TiO₂. Общее количество аддитивной смеси составило 2 мас.%, считая на массу пураля^® SB.

Далее представлены условия спекания и результаты.

П р и м е р 10. Высушенный гель нагревали в течение 1 ч до 400^оС, 1 ч выдерживали при этой температуре, в течение 10 мин нагревали до 730^оС и 30 мин выдерживали при этой температуре. В течение 30 мин температуру поднимали до 1100^оС и выдерживали еще 10 мин и охлаждали до комнатной температуры.

Свойства полученных таким образом продуктов следующие: Плотность 3,66 г/см³ Микротвердость 19,0 ГПа Макротвердость 15,2 ГПа К_1с 5,1 МПа˙ м^1/2 Средняя величина кристал- литов 0,7 мкм Средняя величина микро- пор 0,15 мкм
П р и м е р 11. Температурный режим выдерживали, как в примере 10, однако материал перед охлаждением выдерживали еще 5 ч при температуре 1250^оС. Микропоры после этой термообработки исчезали. Свойства полученного таким образом материала следующие: Плотность 3,66 г/см³ Микротвердость 20,2 ГПа Макротвердость 15,4 ГПа К_1с 2,4 МПа˙ м^1/2 Средняя величина кристаллитов 2,5 мкм Средняя величина микро- пoр Нет микропор (мкм)
П р и м е р ы 12-13. Получение геля осуществляют, как в примерах 10-11, однако вместо диспергирования золя мешалкой проводят тонкое измельчение в вибрационной мельнице с шариками оксидов алюминия ( ≥ 97% Al₂O₃, ⌀ 1,50-2 см). Продолжительность измельчения составляла 30 мин, массовое соотношение измельчающих шариков и используемого пураля около 10:1.

Условия спекания были такими же, как в примерах 10 и 11.

Свойства полученных таким образом продуктов приведены в табл.4.

П р и м е р ы 14-15. Получение геля осуществляют, как в примерах 1-9, однако вместо высокодисперсного двуоксида титана применяют 2 мас.%, считая на используемое количество пураля^® (порошок титаната алюминия H.C. Stark, величина зерна 0-10 мкм, d₅₀ = 4,5 мкм). Высушенный гель нагревали в течение 1 ч до 400^оС, 10 мин выдерживали при этой температуре и тотчас же (пример 14) или через 5 ч при 1250^оС (пример 15) охлаждали до комнатной температуры.

Свойства полученных таким образом продуктов приведены в табл.5.

П р и м е р 16. В сосуде с мешалкой энергично диспергировали 300 мл дистиллированной воды, 100 г пураля^® SB, 3 г двуоксида титана Р 25, 0,53 г ацетата магния (тетрагидрата) и 3 мл глицерина в течение 20 ч.

Непосредственно после этого в смеси с низкой вязкостью добавлением приблизительно 12 мл концентрированной соляной кислоты устанавливали значение рН около 3,5 и выливали на сушильный лист с толщиной слоя около 3 см. Желирование осуществляли приблизительно в течение 45 мин при комнатной температуре. Гель высушивали в сушильном шкафу при 80^оС.

Высушенный гель нагревали в течение 1 ч при 400^оС в печи быстрого обжига, выдерживали при этой температуре 1 ч, затем нагревали 1 ч до 700^оС и 30 мин выдерживали при этой температуре и непосредственно после этого нагревали 1 ч до 1310^оС, 10 мин выдерживали при этой температуре и охлаждали.

Свойства полученного продукта следующие: Плотность 3,72 г/см³ Микротвердость 21,4 ГПа Макротвердость 15,0 ГПа К_1с 5,5 МПа ˙ м^1/2 Средняя величина кристал- литов 2,5 мкм Средняя величина микро- пор 0,2 мкм
П р и м е р 17 (сравнительный пример): диспераль^® без добавок.

П р и м е р 18: диспераль^® с 2 мас.% диоксида титана Р 25.

П р и м е р 19: диспераль^® с 1,12 мас.% оксида алюминия С и 0,88 мас.% диоксида титана Р 25.

П р и м е р 20: диспераль^® с 2 мас.% титаната алюминия (Н.С. Stark).

Свойства полученных таким образом спеченных продуктов приведены в табл. 6.

П р и м е р 21. От полученного по примеру 4 геля с 2 мас.% TiO₂была отсеяна фракция с величиной зерна < 200 мкм и подвергнута кальницированию при 1200-1300^оС 4 ч. Кальцинированный продукт, который более чем на 80% состоял из α-Al₂ O₃, был диспергирован с измельчающими телами из α-Al₂O₃ (⌀ = 2 мм) при добавлении 0,2 мас.% оксида магния в воде в течение около 2 ч так, что была получена суспензия с содержанием твердого вещества около 35%. Средняя величина частиц (d₅₀ -значение) составила около 0,4 мкм.

Суспензию обезвоживали в фильтровальном прессе, плотную массу после фильтрования высушивали. Из полученного таким образом порошка, способного спекаться, был получен шликер.

80 мас. ч. порошка и 20 мас.ч. дистиллированной воды диспергировали с 0,7 мас. ч. долапикса^® CE 64 (изготовитель Цшиммер и Шварц) и 0, 2 мас.ч. поливинилового спирта в барабанной мельнице с измельчающими телами из Al₂O₃ ( ⌀= 15 мм) в течение 3 ч. Массовое соотношение порошка и измельчающих тел составило около 1:2. Шликер подвергали влажному просеиванию (проходили частицы < 53 мкм), чтобы отделить грубые агломераты, и заливали в гипсовые формы к тиглям с диаметром ≈ 50 мм, высотой около 50 мм и толщиной стенок 2-3 мм. Заливку высушивали при 100^оС и спекали 15 мин при 1350^оС. Общая линейная усадка при сушке и спекании составила около 26%.

Полученный таким образом тигель имел следующие свойства: спеченная плотность > 99% от теоретической плотности; микротвердость 20 ГПа; К_1с5-6 МПа˙ м^1/2.

Таким же методом получали пробные палочки для измерения прочности при разрыве при изгибе и шлифовали их до поперечника 4х4 мм.

Измеренная прочность при изгибе на разрыв (4-точка опыта на изгиб: расстояние от балки 40 мм, расстояние от точки приложения нагрузки 20 мм) составила 700-750 МПа.

П р и м е р 22. Опыт проводили, как описано в примере 21, однако вместо фильтровального пресса применяли распылительную сушилку. Свойства полученного продукта согласуются с данными примера 21.

Реферат

Назначение: материалы в соответствии с изобретением пригодны в частности в качестве абразивов или для получения керамических порошков или частей инструментов. Сущность изобретения: получают спеченный материал, содержащий 95 - 99 мас.% a = A₂O₃ и 1 - 5% TiO₂, причем самое меньшее 95% кристаллитов имеет размер 4 мкм (предпочтительно < 2 мкм), микротвердость ≥ 16 ГПа (предпочтительно > 18 ГПа), вязкость на излом ≥ 2 МПa·м^1/2 , (предпочтительно ≥ 45 МПa·м^1/2 ) материал может содержать 0,001 - 4 мас.% одной добавки из: SiO₂, MgO, ZrO₂ , MgAl₂O₄ , MgTiO₃ , α-Fe₂O₃ , NiO; FeAl₂ O₄ , NiTiO₃ , NiAl₂O₄ , α-A₂O₃ , α-Cr₂O₃ , CeO₂ , ZnTiO₃ , ZnAl₂ O₄, Y₂O₃ . Материал получают путем приготовления золя, гелеобразования, сушки, измельчения, разделения на фракции, формования и спекания. Причем золь содержит тонкоизмельченный или высокодисперсный компонент из группы: TiO₂ и/или Al₂TiO₅ и Al₂O₃ и/или вещество, разлагающееся с образованием TiO₂ и/или Al₂TiO₅ и Al₂O₃ , а спекание ведут с двумя изотермическими выдержками - при 300 - 700°С и при 1250 - 1500°С. После спекания возможна дополнительная термообработка при T₂ 800 - 1300°С, однако T₂ по меньшей мере на 20°С ниже температуры спекания. Спекание можно вести при атмосферном давлении, в качестве соединения алюминия используют бемит или Al(OH)₃ . 2 с. и 11 з.п. ф-лы, 6 табл.

Формула