Результат интеллектуальной деятельности: ШИХТА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АЛЮМООКСИДНОЙ КЕРАМИКИ

Изобретение относится к области производства технической керамики и может быть использовано, в частности, для изготовления керамических бронеэлементов.

В последнее время все большее распространение получают керамические материалы, основу которых составляет оксид алюминия (алюмооксидная керамика). Указанные материалы обладают высокими механическими характеристиками: твердостью, модулем упругости, прочностью, износостойкостью, стойкостью к ударным нагрузкам.

Состав шихты для изготовления керамики на основе оксида алюминия, как правило, содержит ряд добавок, введение которых обуславливает направленную модификацию свойств получаемого из шихты керамического материала.

Так, известно, что для снижения температуры спекания шихты на основе оксида алюминия, который имеет высокую температуру плавления, в состав указанной шихты вводят добавки диоксида титана и диоксида марганца [см., например, RU 2111935, RU 94026815].

Известны составы шихты на основе оксида алюминия, содержащие помимо добавок диоксида титана и диоксида марганца, добавку диоксида циркония, обеспечивающую повышение прочности получаемой из указанной шихты керамики [см., например, СА 1253176, US 5183610, US 5147833].

В качестве ближайшего аналога авторами заявляемого изобретения выбрана шихта, описанная в US 5147833.

Данная шихта содержит оксид алюминия в количестве 50-94 масс.%,, по 0,25-3 масс.% диоксида титана и диоксида марганца, а также диоксид циркония в количестве 6-50 масс.%.

Состав данной шихты характеризуется относительно высоким содержанием диоксида циркония, что позволяет повысить прочность на разрыв получаемой керамики.

Однако, как показывают исследования, относительно большое количество диоксида циркония приводит к снижению твердости изготавливаемой керамики.

Кроме того, использование в составе рассматриваемой шихты относительно большого количества диоксида циркония, который имеет высокую плотность, приводит к утяжелению получаемого керамического материала.

Задачей заявляемого изобретения является разработка шихты для изготовления керамического материала, имеющего высокую твердость, вязкость разрушения и относительно невысокую плотность при обеспечении относительно низкой температуры спекания шихты.

Сущность изобретения заключается в том, что в шихте для изготовления керамики, содержащей смесь частиц оксида алюминия, диоксида титана, диоксида марганца и диоксида циркония, согласно изобретению от 5 до 10% входящих в состав шихты частиц имеет средний размер не более 120 нм, а остальная часть входящих в состав шихты частиц имеет средний размер от 0,5 до 2 мкм, при этом вышеуказанные компоненты входят в состав шихты при следующем соотношении, масс.%:

В частном случае выполнения изобретения шихта дополнительно содержит оксид меди или оксид железа (III) в количестве от 0,4 до 0,6 масс.%.

Качественный и количественный состав шихты для изготовления алюмооксидной керамики, а также распределение частиц входящих в шихту компонентов по размеру (гранулометрический состав) были подобраны авторами заявляемого изобретения экспериментально.

Основу заявляемой шихты составляет оксид алюминия. Преимущественным является использование оксида алюминия в форме корунда (α-Al₂O₃). Благодаря высокому содержанию оксида алюминия, который имеет высокую твердость и относительно низкую плотность, обеспечивается высокий уровень твердости и относительно низкая плотность получаемой из заявляемой шихты керамики.

Введение добавок диоксида титана (TiO₂) и диоксида марганца (MnO₂) в заявляемых количественных пределах обеспечивает значительное снижение температуры спекания шихты (до 1250-1380°С). Введение в состав шихты диоксида титана и диоксида марганца в количестве более 3 масс.% приводит к ухудшению таких показателей керамики, как прочность и твердость, а также к повышению температуры спекания шихты. При введении в состав шихты диоксида титана и диоксида марганца в количестве менее 1 масс.% не обеспечивается заметного снижения температуры спекания шихты.

Использование в составе шихты диоксида циркония (ZrO₂) в заявляемых количественных пределах наряду с улучшением прочностных характеристик керамики обеспечивает повышение ее твердости и вязкости разрушения без заметного утяжеления керамики. Введение диоксида циркония в количестве более 6 масс.%, как показали исследования авторов, ведет к снижению твердости при одновременном повышении плотности получаемой керамики. Введение указанного компонента в количестве менее 1 масс.% не позволяет обеспечить требуемые характеристики прочности, твердости, вязкости разрушения и плотности получаемого керамического материала.

Важным в заявляемой шихте является то, что от 5 до 10% входящих в ее состав частиц компонентов имеют средний размер не более 120 нм, а остальные частицы имеют средний размер от 0,5 до 2 мкм. При указанном соотношении частиц разного размера в шихте достигается их плотная упаковка, что способствует улучшению физико-механических характеристик полученной из шихты керамики, таких как твердость и вязкость разрушения.

Таким образом, техническим результатом, достигаемым при реализации заявляемого изобретения, является получение шихты для изготовления керамического материала, имеющего высокую твердость, вязкость разрушения и относительно невысокую плотность при обеспечении относительно низкой температуры спекания шихты.

В частном случае выполнения изобретения дополнительное введение в шихту оксида меди (CuO) или оксида железа (III) (Fe₂O₃) способствует снижению плотности.

Для получения шихты ее компоненты смешивают в требуемом массовом соотношении по известным технологиям с получением однородной смеси мелкодисперсных частиц шихты требуемого гранулометрического состава. В частности, используют технологию совместного мокрого или сухого помола компонентов шихты с одновременным их перемешиванием, например, в шаровой мельнице или вибромельнице, при этом требуемый гранулометрический состав в готовой смеси обеспечивается режимом помола.

Керамические изделия из шихты получают по традиционной технологии, включающей формование изделия методом полусухого прессования, холодного или горячего литья, экструзии, последующую сушку полученной сырой заготовки и спекание (обжиг) при температуре 1250-1380°С в окислительной среде.

Возможность реализации заявляемого изобретения показана в примерах конкретного выполнения.

Пример 1.

Готовили шихту следующего состава, масс.%:

α-Al₂O₃ - 94,8;

TiO₂ - 1,6;

MnO₂ - 1,6;

ZrO₂ - 2.

Осуществляли мокрый помол и одновременное смешивание компонентов шихты в шаровой мельнице, при этом задавали такой режим помола, при котором в полученной шихте частицы со средним размером не более 120 нм составляли 6%, а остальную часть шихты составляли частицы со средним размером 0,5-2 мкм.

Температура спекания шихты составляла 1350°С.

Полученный после спекания шихты керамический материал имел следующие характеристики.

Плотность - 3,90 г/см³, твердость по Виккерсу (HV) - 19,2, вязкость разрушения - 5,6 МН*м^-3/2.

Пример 2.

Готовили шихту следующего состава, масс.%:

α-Al₂O₃ - 92,06;

TiO₂ - 1,57;

MnO₂ - 1,57;

ZrO₂ - 4,80.

Осуществляли мокрый помол и одновременное смешивание компонентов шихты в шаровой мельнице, при этом задавали такой режим помола, при котором в полученной шихте частицы со средним размером не более 120 нм составляли 10%, а остальную часть шихты составляли частицы со средним размером 0,5-2 мкм.

Температура спекания шихты составляла 1380°С.

Полученный после спекания шихты керамический материал имел следующие характеристики.

Плотность - 4,02 г/см³, твердость по Виккерсу (HV) - 17,3,, вязкость разрушения - 6,1 MН*м^-3/2.

Пример 3.

Готовили шихту следующего состава, масс.%:

α-Al₂O₃ - 94,8;

TiO₂ - 1,5;

MnO₂ - 1,5;

ZrO₂ - 1,8;

Fe₂O₃ - 0,4.

Осуществляли сухой помол и одновременное смешивание компонентов шихты в шаровой мельнице, при этом задавали такой режим помола, при котором в полученной шихте частицы со средним размером не более 120 нм составляли 8%, а остальную часть шихты составляли частицы со средним размером 0,5-2 мкм.

Температура спекания шихты составляла 1340°С.

Полученный после спекания шихты керамический материал имел следующие характеристики.

Плотность - 3,86 г/см³, твердость по Виккерсу (HV) - 18,6,, вязкость разрушения -5,4 МН*м^-3/2.

Пример 4.

Готовили шихту следующего состава, масс.%:

α-Al₂O₃ - 94,8;

TiO₂ - 1,5;

MnO₂ - 1,5;

ZrO₂ - 1,8;

CuO - 0,4.

Осуществляли сухой помол и одновременное смешивание компонентов шихты в шаровой мельнице, при этом задавали такой режим помола, при котором в полученной шихте частицы со средним размером не более 120 нм составляли 8%, а остальную часть шихты составляли частицы со средним размером 0,5-2 мкм.

Температура спекания шихты составляла 1320°С.

Полученный после спекания шихты керамический материал имел следующие характеристики.

Плотность - 3,95 г/см³, твердость по Виккерсу (HV) - 17,3, вязкость разрушения - 5,1 МН*м^-3/2.

Пример 5 (сравнительный).

Готовили шихту следующего состава, масс.%:

α-Al₂O₃ - 87,90;

TiO₂ - 1,5;

MnO₂ - 1,5;

ZrO₂ - 9,1.

Осуществляли мокрый помол и одновременное смешивание компонентов шихты в шаровой мельнице, при этом задавали такой режим помола, при котором в полученной шихте частицы со средним размером не более 120 нм составляли 10%, а остальную часть шихты составляли частицы со средним размером 0,5-2 мкм.

Температура спекания шихты составляла 1430°С.

Полученный после спекания шихты керамический материал имел следующие характеристики.

Плотность - 4,3 г/см, твердость по Виккерсу (HV) - 14,8, вязкость разрушения - 6,2 МН*м^-3/2.

Данный пример показывает, что использование в составе шихты диоксида циркония в количестве более 6 масс.% приводит к заметному снижению твердости керамики.

Как видно из примеров конкретного выполнения, керамический материал, полученный из заявляемой шихты, обладает высокой твердостью, вязкостью разрушения, имеет относительно небольшую плотность. При этом температура спекания шихты является относительно низкой и не превышает 1350°С.