Способ получения корундовой керамики, содержащей металлический никель

Изобретение относится к области керамических материалов на основе корунда, использующихся в технике в качестве режущего инструмента, как носитель для никелевых, платиновых и палладиевых катализаторов, керамических мембран, применяемых для очистки сточных вод и др. Способ получения корундовой керамики, содержащей металлический никель, включает операции термообработки оксида алюминия, введения никельсодержащей добавки, прессования при удельном давлении прессования 100 кгс и спекания при температуре 1550°С в среде водорода. Никельсодержащую добавку диметилглиоксимата никеля вводят в порошок оксида алюминия в виде раствора в этаноле с последующим удалением этанола выпариванием при 100°С, при следующем содержании компонентов в керамической шихте, в мас.%: диметилглиоксимат никеля 1-20, оксид алюминия – остальное. Технический результат изобретения – улучшение распределения слоёв никеля в матрице корунда и снижение температуры спекания кермета. 1 пр.

 

Изобретение относится к области керамических материалов на основе корунда, использующихся в технике в качестве режущего инструмента, как носитель для никелевых, платиновых и палладиевых катализаторов, керамических мембран, применяемых для очистки сточных вод и др. Композиционные материалы на основе корундовой керамики и металлов - керметы - применяют в качестве электропроводящей керамики, режущего инструмента, катализаторов и мембран.

Электропроводящая керамика на основе корунда используется в нефтяной и газовой промышленности в качестве электропроводящего слоя теплового датчика муфты-нагревателя, применяющейся для предотвращения образования парафиновых пробок (патент РФ №2117136. Соединительная муфта-нагреватель / Шакиров Р.А., Леонов В.А., Климов А.Д., Шетлер А.Г.)

Корундовая керамика в настоящее время является одним из распространенных видов броневой защиты, поскольку обладает хорошим сочетанием целевых свойств - плотностью, твердостью, прочностью и трещиностойкостью (Баринов С.М., Шевченко В.Я. Прочность технической керамики. - М.: Наука, 1996. - 160 с.). Требуемая трещиностойкость может быть достигнута за счет дисперсных, вязких фаз (Лукин Е.С. Современная высокоплотная оксидная керамика с регулируемой микроструктурой. Ч. I. Влияние агрегации порошков оксидов на спекание и микроструктуру керамики // Огнеупоры и техническая керамика. - 1996. - №1 - С. 5-14).

Традиционной технологией изготовления керметов является метод горячего прессования (Температурная зависимость трещиностойкости композиционных корундовых материалов, упрочненных частицами Ni и NiAl / Евдокимов В.Ю., Тютькова Ю.Б., Егоров А.А. и др // Материаловедение. 2014. - №3. - С. 53-56).

Однако серьезным недостатком горячего прессования является его высокая энергоемкость, дороговизна, необходимость использования специального оборудования, такого как прессы горячего прессования, специально изготавливаемые пресс-формы для горячего прессования.

В работе (Механосинтез нанокомпозитов корундовая керамика / интерметаллид / Т.Ю. Киселева, А.А. Новакова, Т.Ф. Григорьева и др. // Перспективные материалы. 2008. - №6. - С. 11-20) предложен оригинальный способ получения порошков интерметаллидов, основанный на механохимической активации смеси порошков Fe₂O₃, Al и Fe. При механохимическом взаимодействии компонентов смеси при определенных их взаимных концентрациях возможно полное прохождение реакции восстановления оксида железа с образованием нанокомпозита Fe₂Al₅/Al₂O₃.

В заявке WIPO Patent Application WO /1992/007102 Buljan S.T., Lingertat H., Wayne S.F. "Alumina ceramic-metal articles" плотно спеченный кермет получают смешиванием оксида алюминия с добавками оксида магния, оксида кремния и др. с металлическим порошком никеля при соотношении оксид алюминия/никель от 85:15 до 88:12.

Недостатком предложенного способа является необходимость смешивания двух твердых порошков - оксида алюминия и никеля, что не позволяет добиться идеального распределения частиц друг в друге.

Наиболее близким по техническому решению к заявляемому изобретению является патент США №7488443 Bewley et al "Electrically conductive cermet and method of making". Для получения электропроводящего кермета отделяют просеиванием через сито 100 мкм фракцию частиц оксида алюминия и смешивают в мельнице с фракцией частиц молибдена такого же размера, после чего прессуют и проводят обжиг в водороде при температуре 1875 градусов в течение 2 часов.

Недостатком предложенного способа является необходимость смешивания двух твердых порошков - оксида алюминия и молибдена, что не позволяет добиться идеального распределения частиц друг в друге, а также необходимость обжига при температуре 1875°С, что требует специальных печей и высоких затрат электроэнергии.

Задачей настоящего изобретения является улучшение распределения слоев никеля в матрице корунда, а также снижение затрат энергии при получении электропроводящего композиционного материала на основе матрицы из альфа-оксида алюминия, содержащей равномерно распределенные слои никеля.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание кермета, содержащего никель, равномерно распределенный в матрице корунда, и снижение температуры спекания кермета, что позволяет снизить температуру обжига и существенно экономить электроэнергию.

Технический результат достигается тем, что никельсодержащую добавку диметилглиоксимат никеля вводят в порошок оксида алюминия в виде раствора в этаноле с последующим удалением этанола выпариванием при 100°С, при следующем содержании компонентов в керамической шихте, % масс.:

Диметилглиоксимат никеля	1-20
Оксид алюминия	до 100

с последующим отжигом полученного порошка при 200°С, прессованием при удельном давлении прессования 100 кгс и обжигом в водороде при температуре 1550°С.

Сущность изобретения состоит в том, что металлический никель вводят в корундовую матрицу в виде спиртового раствора диметилглиоксимата никеля с последующим выпариванием спирта и отжигом полученного порошка при 200°С для удаления остатков диметилглиоксима. Образовавшийся порошок после прессования в виде штабиков обжигают в водороде при 1550°С. Снижение температуры обжига на 300°С по сравнению с прототипом приводит к экономии печного ресурса, возможности более длительного использования нагревателей, а также существенной экономии электроэнергии.

При анализе микроструктуры полученных образцов керметов выявлено, что никель распределен равномерно в виде тонких слоев между частицами корунда. Электропроводящие свойства полученных образцов обусловлены наличием слоев никеля между частицами корунда.

Пример.

8,16 г диметилглиоксимата никеля растворяли в 300 мл этанола. К полученному раствору добавляли 45 г оксида алюминия, предварительно прокаленного при 1450°С. Смесь порошка и раствора перемешивали в течение 1 часа с помощью лопастной мешалки со скоростью оборотов 400-450 мин^-1, после чего помещали смесь в сушильный шкаф и высушивали при температуре 100°С. Содержание диметилгиоксимата никеля в высушенном порошке 15,35 масс. %, оксида алюминия 84,65 масс. %. Полученный порошок отжигали при температуре 200°С и прессовали при удельном давлении прессования 200 кг/см². Обжиг проводили в водородной печи при температуре 1550°С в течение 2 часов.

Способ получения корундовой керамики, содержащей металлический никель, включающий операции термообработки оксида алюминия, введения никельсодержащей добавки, прессования и обжига, отличающийся тем, что никельсодержащую добавку диметилглиоксимата никеля вводят в порошок оксида алюминия в виде раствора в этаноле с последующим удалением этанола выпариванием при 100°С, при следующем содержании компонентов в керамической шихте, % масс.:

Диметилглиоксимат никеля	1-20
Оксид алюминия	до 100

с последующим отжигом полученного порошка при 200°С, прессованием при удельном давлении прессования 100 кгс и обжигом в водороде при температуре 1550°С.