close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY10869

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2008.08.30
(12)
(51) МПК (2006)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
C 04B 35/18
C 04B 35/48
ШИХТА И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
КЕРАМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА
(21) Номер заявки: a 20031182
(22) 2003.12.16
(43) 2005.06.30
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Институт порошковой
металлургии" (BY)
(72) Авторы: Шелег Валерий Константинович; Шмурадко Валерий Трофимович; Овчинников Владимир
Ильич; Лобачев Виктор Алексеевич;
Лапин Владимир Павлович (BY)
BY 10869 C1 2008.08.30
BY (11) 10869
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт порошковой металлургии" (BY)
(56) SU 899507, 1982.
JP 11292616 A, 1999.
US 6066585 A, 2000.
WO 02/28803 A1.
EP 853072 A1, 1998.
EP 997448 A2, 2000.
SU 977436, 1982.
SU 1677036 A1, 1991.
(57)
1. Шихта для изготовления керамического материала, содержащая β-сподумен, отличающаяся тем, что дополнительно содержит MgO, BaO, MnO и ZrO2 при следующем соотношении компонентов, мас. %:
40-60
β-сподумен
MgO
3-12
ВаО
1-5
MnO
1,0-2,5
ZrO2
33,5-42,0.
2. Способ изготовления керамического материала из шихты по п. 1, включающий размол, смешивание и гомогенизацию компонентов шихты в три стадии в течение одного
цикла, прессование при давлении 50-250 МПа и спекание в течение 7-12 часов в окислительной атмосфере по трехступенчатому температурно-временному режиму при температурах 1000-1150 °С, 1200-1300 °С и 1350-1450 °С.
Изобретение относится к производству электроизоляторов и изделий специального
назначения с повышенными термомеханическими, электрическими, диэлектрическими и
химическими свойствами и может быть использовано в машиностроении, электротехнической и электронной промышленности.
Известен керамический материал и способ его изготовления на основе оксидов алюминия, магния с добавками двуокиси кремния, оксидов кальция, бора [1]. При этом материал получают смешиванием компонентов шихты, формованием изделий и обжигом.
Причем оксиды алюминия и магния вводят в шихту в виде шпинели, а добавки оксидов
кальция, кремния, бора - в виде спека эвтектического состава в количестве 5-9 мас. %.
Однако, процесс получения известного материала энергоемок, т.к. требует дополнитель-
BY 10869 C1 2008.08.30
ных энергозатрат на синтез и размол шпинели и эвтектики. Материал согласно его составу
обладает недостаточной стойкостью к термоудару и относительно высокой температурой
спекания (1600 °С).
Известна шихта для изготовления керамического материала [2] из цирконового концентрата, алюмосиликатного мертеля, алюмоборфосфатного концентрата, глины, шамота,
ортофосфорной кислоты. Однако, из-за низких значений механической прочности (2022 МПа), материал на ее основе, согласно физическим и механическим подходам определения термостойкости, имеет низкие ее значения (700-720 °С).
Известен способ изготовления огнеупорного материала на основе диоксида циркония,
требующий проведения большого числа технологических операций и характеризующийся
как технологически трудоемкий [3].
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является шихта [4] для изготовления керамического материала, состоящая, вес. %:
45-60
β-сподумен
глина
20-23
каолин
12-18
песок
5-12
апатит
2-3.
Шихту готовят путем смешивания исходных компонентов, прессуют образцы и обжигают при температуре 1280 °С с выдержкой при этой температуре в течение 30 минут.
Однако, начиная с 1000 °С, материал требует обжига в восстановительной атмосфере.
Недостатком известного материала являются невысокие механическая (96 МПа), а
следовательно, термомеханическая прочность, термостойкость при повышенных температурах и термоциклировании (1000 °С - вода), электрическая прочность (31 кВ/мм).
Однако в связи с тем, что для ряда установок и оборудования электротехнической
промышленности необходима комплектация керамическими изделиями, обладающими
повышенными термостойкостью, механическими, термомеханическими и электрофизическими свойствами, были решены следующие задачи.
Задача изобретения - повышение термостойкости, рабочей температуры, механической
прочности, химической стойкости.
Поставленная задача достигается тем, что в известный состав шихты для изготовления
керамического материала, содержащий β-сподумен, дополнительно вводят MgO, BaO,
MnO, ZrO2 при следующем соотношении компонентов, вес. %:
40-60
β-сподумен
MgO
3-12
BaO
1-5
МnО
1-2,5
ZrO2
33,5-42.
Керамический материал получают путем размола, смешивания и гомогенизации компонентов шихты в три стадии в течение одного цикла, прессования при давлении 50250 МПа и спекания в течение 7-12 часов в окислительной атмосфере по трехступенчатому температурно-временному режиму при температурах 1000-1150 °С, 1200-1300 °С и
1350-1450 °С.
Технология изготовления керамического материала состоит в следующем.
1. Размол, смешивание и гомогенизация:
на первой стадии подготовки шихты производят размол оксидных добавок Mg, Ва, Мn
до размера частиц менее 10 мкм в керамическом аттриторе (размольной установке);
на второй стадии в размольную установку добавляют соответствующее количество
порошкового β-сподумена фракции 100-150 мкм. Шихту размалывают до размера частиц
50-70 мкм;
на третьей стадии в шихту добавляют ZrO2 с размером частиц менее 10 мкм, производят смешивание и гомогенизацию компонентов.
2
BY 10869 C1 2008.08.30
2. Прессование.
Формообразование изделий в зависимости от их конфигурации производят соответствующим методом прессования, применяемым в керамической технологии (статическим, изостатическим, гидродинамическим), в диапазоне давлений 50-250 МПа. Выше 250 МПа плотность материала не изменяется, происходит перепрессовка и расслоение изделий, ниже 50 МПа недопрессовка. Материал имеет низкую прочность и плотность, что, в свою очередь, из-за высокой усадки материала изделий при спекании приводит к искажению их геометрии.
3. Спекание.
Термообработку изделий производят в электропечи сопротивления при температуре
1000-1450 °С в течение 7-21 часа в окислительной атмосфере по трехступенчатому режиму (1000-1150 °С; 1200-1300 °С; 1350-1450 °С).
Примеры.
Из разработанного материала с применением указанной технологии были изготовлены
электроизоляторы пяти составов, представленных в табл. 1.
Таблица 1
№ п/п
Компоненты
1
2
3
4
5
β-сподумен
MgO
ВаО
МnО
ZrO2
1
39
12,5
5,5
0,5
42,5
Состав шихты, вес. %
3
4
5
45
65
70
10
8
6
3
4
4,5
2
2,5
3
40
20,5
16,5
2
40
12
5
1
42
6
60
3
1
2,5
33,5
7
75,5
2,5
0,5
5,5
16
Из полученных составов прессовались и спекались изделия при 1100-1450 °С в течение 21 часа при времени выдержки на максимальной температуре 1-5 часов. Охлаждение
изделий происходило вместе с печью.
На основании разработанных составов материала и технологии изготовления из них
изделий были проведены комплексные исследования физико-механических, термофизических, электрических и диэлектрических свойств. Указанные характеристики материала
представлены в табл. 2.
Таблица 2
№
Свойства материала изделий
№ состава, вес. %
п/п
1*
2
3
4
5
6
7* Прототип
1 Относительная плотность, %
91 92 94 96 95 94 93
98
2 Предел прочности при изгибе, МПа 131 134 140 161 154 134 130
96
3 Предел прочности при сжатии, МПа 250 253 290 324 320 261 254
Коэффициент термического расши4 рения в диапазоне температур
2,6 2,6 2,1 0,4 0,42 0,9 1,1
0,51
-1
-6
20-800 °С, град. × 10
Тангенс угла диэлектрических
5 потерь при частоте 50 Гц и темпе20 20 20 19 18 20 21
21
ратуре 20 °С, α.10-3
6 Диэлектрическая проницаемость
5,5 5,6 5,9 5,7
6,7
7 Электрическая прочность, кВ/мм
69 69 67 58 60 65 50
31,0
8 Интервал спекшегося состояния, °С
65 65 70 70 65 60
50
Термостойкость, воздушные тепло9
105 110 130 145 150 120 110
смены 1000 °C-20 °С
10 Термостойкость 1000 °С - вода
10 12 16 20 25 21 16
* Составы материала (запредельные) с низкими показателями физико-механических и
термических свойств.
3
BY 10869 C1 2008.08.30
Свойства полученного материала изделий, представленные в табл. 2, достигнуты за
счет введения в шихту конкретных оксидных добавок. β-сподумен, базовый компонент
шихты, обеспечивает своим фазовым составом низкий коэффициент термического расширения (КТР).
1. Введение в состав материала шихты на основе β-сподумена ВаО в количестве 15 вес. % обеспечивает образование в структуре синтезируемого материала призматических кристаллов цельзиана (BaAl2Si2O8), которые в моноклинной форме устойчивы от
комнатной температуры до 1590 °С, в гексагональной форме стабильны до 1760 °С. В совокупности повышают термомеханические свойства:
повышение термостойкости в 1,1-1,3 раза;
повышение химической (коррозионно-эрозионной) стойкости;
повышение рабочей температуры стеклокристаллической фазы материала на 70 °С;
снижение тангенса угла диэлектрических потерь в 1,1-1,16 раза;
спекаемость до высокоплотного состояния (94-96 %) достигается путем введения в
шихту ВаO в количестве 1-5 % в виде ВаСО3.
2. Введение в состав шихты MgO в количестве 3-12 вес. % ограничивает в рабочем
температурно-временном режиме рекристаллизацию и рост зерна в структуре материала,
осуществляет частичную стабилизацию ZrO2, снижает и стабилизирует величину КТР (коэффициент термического расширения), обеспечивая повышение физико-механических
свойств изделий.
3. Введение в состав шихты материала МnО в количестве 1-2,5 вес. % обеспечивает
снижение температуры спекания материала и повышение его плотности.
4. Введение в состав материала шихты ZrO2 в количестве 33,5-42 вес. % обеспечивает:
релаксацию (снижение) термических и механических напряжений в структуре и в материале изделий;
присутствие в структуре материала метастабильной фазы, обладающей высокой прочностью, которая повышает физико-механические и термомеханические свойства материала.
Повышение термической стойкости изделий обеспечивается:
синтезом в изделиях зернистой структуры за счет введения добавок (MgO, ВаО, МnО,
ZrO2,);
наличием в материале изделий регулируемой пористости в диапазоне 6 - 8 %;
образованием при термообработке изделий алюмомагниевой шпинели Al2MgО4;
присутствием в материале изделий кроме β-сподумена (Li2О·Al2O3·4SiO2) эвкрипта
(Li2О·Al2O3·2SiO2) и петалита (Li2О·Al2O3·8SiO2);
образованием призматических кристаллов цельзиана в виде BaAl2Si2O8 и BaMgSiO4;
3-ступенчатым температурно-временным режимом термообработки изделий в диапазоне температур 1000-1450 °С, температурно-временные ступени которого обеспечивают
при спекании образование поликристаллической структуры с высокими прочностными
свойствами для данного класса материалов;
введением ZrO2, релаксирующим (снижающим) термические напряжения в материале
изделий.
Повышение механической прочности изделий обеспечивается:
введением в состав шихты керамического материала высокопрочной и высокотемпературной фазы в виде ZrO2, частично стабилизирующейся MgO на первой-второй ступенях температурно-временного режима спекания;
синтезом в структуре материала при спекании связывающей (матричной) стеклокристаллической фазы, содержащей призматические кристаллы цельзиана;
образованием при спекании термопрочной алюмомагниевой шпинели.
4
BY 10869 C1 2008.08.30
Повышение рабочей температуры достигнуто:
введением в состав шихты синтезируемого материала высокопрочной и высокотемпературной добавки в виде ZrO2;
синтезом в составе материала изделий стеклокристаллической фазы, содержащей
призматические кристаллы цельзиана (BaAl2Si2O8) в моноклинной и гексагональной формах, устойчивых до температур 1590 и 1760 °С соответственно;
образованием при спекании термопрочной алюмомагниевой шпинели.
Повышение химической (коррозионной и эрозионной) стойкости изделий достигается:
созданием в материале изделий плотной структуры с регулируемой закрытой пористостью (в зависимости от условий эксплуатации изделий) в пределах 6-8 %;
присутствием в материале шихты соединений бария;
синтезом при спекании в структуре материала фаз, обладающих высокой энергией
связи металла и кислорода. В данном материале это MgO и BaAl2Si2O8.
Согласно данным, представленным в табл. 2, и способу изготовления, керамический
материал обладает следующими структурой и свойствами: структура материала плотная,
зернистая, пористость закрытая, регулируемая в пределах 6-8 %. В целях снижения содержания в материале стекла последнее синтезировалось при термообработке изделия на
третьей ступени температурно-временного режима спекания в виде стеклокристаллической фазы, содержащей в своем составе призматические термопрочные кристаллы цельзиана в моноклинной и гексагональной формах, стабильные до 1590 и 1760 °С соответственно.
Создание материала и изделий, стойких к термоудару, достигалось:
зернистой структурой, содержащей поры закрытого типа в пределах 6-8 %, рассеивающие зарождающиеся магистральные трещины в материале при термонагрузках;
наличием призматических кристаллов цельзиана и алюмомагниевой шпинели;
введением в состав материала релаксатора термонапряжений в форме ZrO2;
содержанием в составе материала β-сподумена, а также эвкриптита и петалита;
режимами трехступенчатой термообработки изделий при спекании в диапазоне температур 1000-1450 °С: 1) 1000-1150 °С; 2) 1200-1300 °С; 3) 1350-1450 °С.
Снижение тангенса угла диэлектрических потерь обеспечивается введением в материал ВаО.
Разработанная шихта и способ получения из нее керамического материала согласно
полученным свойствам может применяться в электротехнической, машиностроительной
промышленности в условиях высоких термоциклических нагрузок и химически активных
сред.
Источники информации:
1. А.с. СССР 753831, МПК С 04В 35/10, 1980 // Бюл. № 29.
2. А.с. СССР 1677036, МПК С 04В 28/34, 1991 // Бюл. № 34.
3. А.с. СССР 1306925, МПК С 04В 28/34.
4. А.с. СССР 899507, МПК С 04В 35/18, 1982 // Бюл. № 3.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
5
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
102 Кб
Теги
by10869, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа