Способ получения термостойкой керамики повышенной прочности

Изобретение относится к технологии получения термостойкой керамики повышенной прочности и может найти применение для производства керамических материалов технического назначения, в частности керамической футеровки, а также других изделий, работающих в условиях, где требуется высокая термостойкость.

Предложенный способ включает приготовление шихты на основе глины путем введения в нее полидиметилсилана, катализатора хлорида кобальта, перемешивание в шаровой мельнице, формование изделий методом полусухого прессования и обжиг в безокислительной (инертной) среде. Обжиг осуществляют в два этапа: сначала керамическую массу нагревают до 350°С в течение 4 часов, затем температуру поднимают до 950°С в течение 1 часа.

Технический результат изобретения - получение термостойких керамических изделий повышенной прочности.

Известны способы получения керамических материалов на основе технического глинозема, содержащие с целью повышения термической стойкости изделий оксид циркония, оксид алюминия и так далее (патент РФ №2150442, С04В 35/10; А.С. №159755). Их общими недостатками являются применение химически чистых дорогостоящих оксидов, высокая температура обжига (1300°С и выше) и невысокая термостойкость.

Известен способ получения керамики и изделий из нее на основе 30-70 мас.% γ-глинозема и глинистого компонента путем их смешивания и термообработки при температуре 1100-1200°С, причем в качестве глинистого компонента используют огнеупорную глину (Патент RU №2136631). По данному способу все компоненты в соответствующей пропорции загружают в шаровую мельницу и перемешивают всухую в течение двух часов. После смешения компонентов в массу добавляют 25-35% воды для роспуска глины и оставляют вылеживаться не менее одних суток. Полученную массу высушивают, просеивают через сито 063. Изделия формуют полусухим прессованием при давлении 30-40 МПа. Отпрессованные изделия обжигают при температуре 1100-1200°С.

Недостатками данного способа являются невысокая прочность изделий, сравнительная сложность и длительность технологического цикла, высокие температура обжига и давление прессования, повышающие себестоимость и энергоемкость производства.

Наиболее близким техническим решением является способ получения термостойкой керамики, в котором в качестве компонентов шихты используют компоненты-предшественники муллита (например, глину) и источник углерода (например, органосилановую добавку, из которой в процессе обжига образуется карбид кремния) в количестве 0,1-30 мас.%. Шихту формуют и обжигают при температуре 500-950°С в атмосфере азота (Патент US 2015/0225302, кл. С04В 38/00, опубл. 13.08.15).

Недостатком данного способа является невысокая прочность изделий. Получаемая по этому способу керамика не обладает достаточно высокими механическими характеристиками.

Целью заявленного технического решения является повышение прочности термостойкой керамики. Поставленная цель достигается тем, что в шихту на основе глины добавляют 1-3 мас.% полидиметилсилана, 0,05-0,1 мас.% катализатора хлорида кобальта, перемешивают в шаровой мельнице, формуют изделие методом полусухого прессования и обжигают в безокислительной (инертной) среде. Обжиг осуществляют в два этапа: сначала керамическую массу нагревают до 350°С в течение 4 часов, затем температуру поднимают до 950°С в течение 1 часа. Для достижения эффекта упрочнения термостойкой керамики количество полидиметилсилана и катализатора хлорида кобальта должно быть таким, чтобы на 1 стадии обжига произошло образование достаточного количества поликарбосилана, а на 2 стадии произошло образование из поликарбосилана карбида кремния с достаточным содержанием наноразмерных частиц, равномерно распределенных между зернами кристаллической фазы по всему объему керамики. Это придаст керамике более плотную структуру, повысит ее термостойкость и прочность.

Для достижения технического результата в качестве основного компонента для приготовления керамики была использована глина Суворотского месторождения Владимирской области, содержащая в своем составе следующие соединения (в мас.%): кварц (SiO₂) - 77,2; анортит (CaO⋅Al₂O₃⋅2SiO₂) - 5,3; каолинит (Al₂O₃⋅2SiO₂⋅2H₂O) - 7,0; ортоклаз (K₂O⋅Al₂O₃⋅6SiO₂) - 5,9; альбит (Na₂O⋅Al₂O₃⋅6SiO₂) - 4,6. Данная глина обладает числом пластичности 5,2 и относится к малопластичным (по ГОСТ 9169-75).

Перед использованием глина высушивалась при температуре 130°С, измельчалась в шаровой мельнице с отбором фракции менее 0,63 мм.

В качестве добавки использовали полидиметилсилан (C₂H₆Si) в виде белого порошка с размером частиц 40-60 мкм и содержанием (%): С 39.65; Н 9.25; Si 47.80. В качестве катализатора использовался хлорид кобальта(II) (CoCl₂). В качестве инертной среды использовался газообразный азот повышенной чистоты (объемная доля азота, %, не менее 99,99). Эксплуатационные свойства полученных керамических изделий определяли по термостойкости, прочности на изгиб, пористости. Термостойкость определяли по ГОСТ 473.5-81, прочность на изгиб по ГОСТ 473.8-81, пористость по ГОСТ 473.4-81.

Заявляемое изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1.

В глину вводят 0,5 мас.% полидиметилсилана, 0,05 мас.% хлорида кобальта, тщательно перемешивают в шаровой мельнице в течение 1 часа, формуют изделия методом полусухого прессования и обжигают в безокислительной (инертной) среде. Обжиг осуществляют в электрической печи в два этапа: сначала керамическую массу нагревают до 350°С в течение 4 часов, затем температуру поднимают до 950°С в течение 1 часа.

Пример 2.

В глину вводят 2,0 мас.% полидиметилсилана, тщательно перемешивают в шаровой мельнице в течение 1 часа, формуют изделие методом полусухого прессования и обжигают в безокислительной (инертной) среде. Обжиг осуществляют в электрической печи в два этапа: сначала керамическую массу нагревают до 350°С в течение 4 часов, затем температуру поднимают до 950°С в течение 1 часа.

Пример 3.

В глину вводят 1 мас.% полидиметилсилана, 0,1 мас.% хлорида кобальта, тщательно перемешивают в шаровой мельнице в течение 1 часа, формуют изделие методом полусухого прессования и обжигают в безокислительной (инертной) среде. Обжиг осуществляют в электрической печи в два этапа: сначала керамическую массу нагревают до 350°С в течение 4 часов, затем температуру поднимают до 950°С в течение 1 часа.

Пример 4.

В глину вводят 3 мас.% полидиметилсилана, 0,05 мас.% хлорида кобальта, тщательно перемешивают в шаровой мельнице в течение 1 часа, формуют изделие методом полусухого прессования и обжигают в безокислительной (инертной) среде. Обжиг осуществляют в электрической печи в два этапа: сначала керамическую массу нагревают до 350°С в течение 4 часов, затем температуру поднимают до 950°С в течение 1 часа.

Пример 5.

В глину вводят 5 мас.% полидиметилсилана, 0,3 мас.% хлорида кобальта, тщательно перемешивают в шаровой мельнице в течение 1 часа, формуют изделие методом полусухого прессования и обжигают в безокислительной (инертной) среде. Обжиг осуществляют в электрической печи в два этапа: сначала керамическую массу нагревают до 350°С в течение 4 часов, затем температуру поднимают до 950°С в течение 1 часа.

Добавление 0,5 мас.% полидиметилсилана не приводит к улучшению термостойкости и прочности полученной керамики по сравнению с известным способом в два этапа: сначала керамическую массу нагревают до 350°С в течение 4 часов, затем температуру поднимают до 950°С в течение 1 часа. Увеличение вводимого полидиметилсилана свыше 3 мас.% хотя и приводит к увеличению термостойкости и прочности полученной керамики, но незначительно, соответственно для достижения большего экономического эффекта добавлять полидиметилсилана больше чем 3 мас.% в шихту не целесообразно.

Свойства керамики, полученной с использованием известного и предлагаемого способов приведены в таблице 1.