Способ получения керамического материала

 

Использование: для получения конструкционного низкотеплопроводного электроизоляционного керамического материала для работы в условиях интенсивных тепловых потоков при высоких температурах. Сущность изобретения: шихту на основе оксида алюминия прессуют под давлением 1250 кг/см², затем отжигают при температуре 1100 - 1300^oС со скоростью подъема температуры 50-70^oС/ч, выдерживают при конечной температуре в течение 1 ч. В качестве шихты может быть использован состав, мас.%: Al₃O₃ 94,0; SiO₂ 4,9; CaO 1,0; JiO₂ 0,025; Fe₂O₃ 0,086 или Al₂O₃ 95,4; SiO₂ 2,1; CaO 2,1; MgO 0,38. Цель - получение керамического материала с теплопроводностью менее 5 Вт/мк и удельным электрическим сопротивлением более 10⁸ Ом·м, возможность обработки резанием. 2 з. п. ф-лы.

Изобретение относится к области технологии машиностроения, точнее к способу получения керамических материалов, и может быть использовано для изготовления конструкционного низкотеплопроводного электроизоляционного керамического материала, работающего в условиях интенсивных тепловых потоков при высоких температурах.

Известен способ изготовления изоляторов, включающий формование исходного материала на основе Al₂O₃ и последующий обжиг [1] Недостаток указанного способа низкая механическая прочность керамических изделий.

Известен способ изготовления огнеупорных керамических изделий из материала, содержащего более 90% Al₂O₃, включающий прессование и последующий обжиг при температуре более 1500^оС [2] Данный способ взят за прототип изобретения.

Недостаток способа относительно высокая теплопроводность получаемой керамики.

Цель изобретения получение керамики с низкой теплопроводностью, допускающей обработку резанием, устойчивой к интенсивным тепловым потокам при высоких температурах среды, обладающей диэлектрическими свойствами, и при этом без раковин, трещин и расслоений.

Цель достигается следующим образом.

Исходную шихту на основе оксида алюминия (более 90%) прессуют под давлением 1250 кг/см², обжигают при температуре 1100-1300^оС. Температуру поднимают со скоростью 50-70^оС/ч, при конечной температуре выдерживают в течение 1 ч. В качестве шихты использован состав, мас. Al₂O₃ 94,0; SiO₂ 4,9; СаО 1,0; TiO₂ 0,025; Fe₂O₃ 0,086 или Al₂O₃ 95,4; SiO₂ 2,1; CaO 2,1; MgO 0,38.

Отличительными от прототипа являются следующие признаки: прессование шихты выполняют под давлением 1250 кг/см², обжиг при температуре 1100-1300^оС. Скорость подъема температуры составляет 50-70^оС/ч, а выдержка при конечной температуре один час.

В качестве шихты использован состав, мас. Al₂O₃ 94,0; SiO₂ 4,9; CaO 1,0; TiO₂ 0,025; Fe₂O₃ 0,086 или Al₂O₅ 95,4; SiO₂ 2,1; CaO 2,1; MgO 0,38, при использовании которого получены оптимальные параметры керамического материала.

При обжиге при температуре 1100-1300^оС отсутствует переход основной массы Al₂O₃ в α-модификацию, снижается твердость керамического материала до уровня, позволяющего вести механическую обработку керамического материала резанием. При температуре обжига выше 1300^оС теплопроводность и твердость керамического материала возрастают вследствие начала перехода основной массы Al₂O₃ в α-модификацию. Теплопроводность материала превышает 5 Вт/мК, материал не обрабатывается резанием. При температуре обжига менее 1100^оС ухудшаются конструкционные свойства материала материал крошится при обработке резанием, пачкается при обращении, непрочен в условиях транспортировки деталей и др. При обжиге в диапазоне температур 1100-1300^оС теплопроводность материала примерно постоянна подверженность обработке резанием практически одинакова.

При использовании в качестве шихты на основе оксида алюминия с содержанием Al₂O₃ более 90% шихты состава, мас. Al₂O₃ 94,0; SiO₂ 4,9; CaO 1,0; TiO₂ 0,025; Fe₂O₃ 0,086 или Al₂O₃ 95,4; SiO₂ 2,1; CaO 2,1; MgO 0,38 получена керамика с наиболее оптимальными характеристиками.

Получение конструкционного керамического материала из материала на основе оксида алюминия (более 90%) с применением обжига при 1100-1300^оС не используется в известных технических решениях. Известные способы получения керамических материалов, основной составляющей которых является Al₂O₃, не позволяют получать конструкционный материал, который одновременно обладает устойчивостью к воздействию интенсивных тепловых потоков при высоких температурах среды, диэлектрическими свойствами, низкой теплопроводностью, не имеет раковин, трещин, расслоений и допускает обработку резанием быстрорежущим или твердосплавным инструментом.

Давление прессования 1250 кг/см² обеспечивает получение керамики без пустот и трещин, без расслоений, а также обеспечивает получение оптимальных характеристик керамического материала.

При скорости подъема температуры менее 50-70^оС/ч значительно увеличивается цикл обжига без существенного улучшения качества изделия, а более высокая скорость подъема температуры приводит к неравномерности процесса обжига, к появлению раковин и трещин.

Заявляемый способ изготовления керамики на основе оксида алюминия реализуется следующим образом. На гидравлическом прессе обрабатывают шихту на основе оксида алюминия (более 90%) методом одностороннего прессования при давлении 1250 кг/см², затем в высокотемпературной печи камерного типа на дисилицидмолибденовых нагревателях в воздушной среде подвергают термической обработке при температуре 1100-1300^оС со скоростью подъема температуры 50-70^оС/ч с последующей выдержкой при конечной температуре в течение 1 ч.

Предлагаемым способом наряду с образцами из других шихт изготовлены образцы из шихты "хилумина", содержащей мас. Al₂O₃ 94; SiO₂ 4,9; Fe₂O₃ 0,086; TiO 0,025; CaO 1 (шлихта изготавливается по ТУВ20.027.007 Уфимским заводом электротехнических изделий) а также из шихты "хилумина" состава, мас. Al₂O₃ 95,4; SiO₂ 2,1; CaO 2,1; MgO 0,38 (шихта изготовлена Энгельским заводом автотракторных запасных частей по ТУ 37.454.020-84).

Коэффициент теплопроводности образца, полученного заявляемым способом из шихты, поставляемой Уфимским заводом электротехнических изделий и Энгельским заводом автотракторных запасных частей, составил 4,8 Вт/мК при 25^оС и 4,5 Вт/мК при 400^оС, микротвердость менее 700 кг/мм².

Обработка резанием полученных образцов проводилась при изготовлении из них деталей в виде дисков диаметром 60 мм, толщиной 10 мм. В деталях выполнялись отверстия диаметром 1,5 мм, глубиной 30 мм. Токарные и сверлильные операции выполнялись быстрорежущим и твердоплавким инструментом.

Материал, изготовленный заявляемым способом, экспериментально проверен на устойчивость к воздействию интенсивных тепловых потоков при высоких температурах среды (до 2˙10⁶ Вт/м² при 2000^оС), диэлектрические свойства по ГОСТ 5458-75, ГОСТ 2449-80, отсутствие раковин, трещин, расслоений рентгеноструктурным на установке УРС-50ИМ и электронномикроскопическим на микроскопе ЭММА-2 методами. Керамический материал сохраняет указанные свойства устойчивость к воздействию интенсивных тепловых потоков при высоких температурах среды, диэлектрические свойства, отсутствие пустот, раковин, трещин, расслоений.

Заявляемый способ изготовления керамики из шихты, содержащей более 90% оксида алюминия, по сравнению с известными способами обеспечивает низкую теплопроводность материала (менее 5 Вт/мК), удельное электрическое сопротивление более 10⁸ Ом˙м и возможность механической обработки материала резанием, что позволяет применять полученный керамический материал для изготавливания деталей устройств, работающих в условиях воздействия интенсивных тепловых потоков при высоких температурах, обеспечивающих теплоэлектроизоляцию, требующих обработки резанием.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА из шихты, содержащей более 90 мас.% оксида алюминия, включающий прессование шихты и последующий ее обжиг, отличающийся тем, что шихту прессуют под давлением 1250кг/см², а обжиг ведут при температуре 1100 - 1300^oС со скоростью подъема температуры 50 - 70 град/час с выдержкой при конечной температуре в течение 1 часа.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве шихты используют состав, мас.%: Al₂O₃ - 94,0 SiO₂ - 4,9 CaO - 1,0 TiO₂ - 0,025 Fe₂O₃ - 0,086 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве шихты используют состав, мас.%: Al₂O₃ - 95,4
SiO₂ - 2,1
CaO - 2,1
MgO - 0,38