Шихта для получения изделий из нитрида алюминия

О П И С А Ы И Е 1 и,1 оо 227 зИЗОБРЕТЕЫ ИЯ Союз СоветсиикСоциалистическикРеспублик К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(23) Приоритет Опубликовано 070383. бюллетень9 Дата опубликования описания 07. 03. 83 вв аелаи нзовретеннй н открытий(511) ШИХТА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ НИТРИДААЛОМИНИЯ Изобретение относится к составу шихты для получения изделий из нитрида алюминия, которые могут быть ис. пользованы в качестве огнеупорного, электроизоляционного, химицески стойкого в агрессивных средах материала,Известен ряд составов на основе нитрида алюминия, содержащих значительное колицество добавок до 50 мас. в том числе и металлов 1, 2),(3 1, Эти составы относятся к композиционным материалам, повышающим, прочность керамики, Однако такое знацительное количество добавок в матери.але снижает его огнеупорность, стойкость в агрессивных средах, ухудшает15 его электроизоляционные свойства, увеличивает деформацию под нагрузкой при высоких температурах.Известна шихта на основе нитрида20 алюминия, содержащая 5,0-10,0 мас,2 добавок оксида иттрия и оксида кремния 1, Изделия обжи 1-ают при 1700 и 1800 оС с выдержкой 1 ц в среде 2азота, Эта шихта используется для пос лучения композиционного материала в системе р 1 М- У 2 О Ь с Целью создания волокнистой структуры, Однако данный состав шихты не позволяет по" луцать высокоплотные изделия из нитрида алюминия несмотря на относительно высокие температуры обжига и удельные давления прессования, Минимальную пористость 11,5 г имеют иэделия с добавкой 5,0 мас.Ф УОи 5,0 мас.Ф 5102. Давление прессования " 500 МПа температура обжига - 1800 С,Известна шихта для получения высокоплотных изделий из нитрида алюминия, состоящая из 90,00-99,85 мас.Ф порошка А 1 Н и 10,00-0,15 мас.". окси- дов иттрия или лантана, или иттрийалюминиевого граната 5 ). Такой состав позволяет получить высокоплотную керамику с меньшим количеством добавок и при меньших удельных давлениях прессования (150-200 МПа 7, но при знацительнь 1 х температурах обжига(1750-1850 С).При более низких тем"пературах открытая пористость образцов достигает 10-253,Недостатком такого состава являются относительно высокие температурыобжига для получения плотных изделийчто приводит к загрязнению керамикиматериалом деталей пецей ( углеродом,тугоплавкими металлами и т,р.), атакже к диссоциации Ай на составляю 1 вщие элементы, Кроме того, используемые добавки являются тугоплавкими сое.единениями с температурой плавления:У 0 - 2420 оС, а 0; 2450 С, УЯ 11- 1950 оС, а спекание нитрида алюминия добусловлено жидкой фазой, образующейся при взаимодействии тугоплавких до"бавок с примесями А 10, Л 1 ОС, Я 10 й,Ге, присутствующими в нитриде алюминия. Следовательно, при использовании такого состава нельзя получитьвысокоплотные изделия при температурах обжига 1750- 1900 С, используя по.рошки повышенной чистоты с содержа"нием А 1 й более 99,0 масс.Ф (содержа"ние Я 10, А 10 й, А 10 С менее 0,5 мас,Ж).Такие порошки получают низкотемпературными методами синтеза из солейи .оксидов, плазмохимическим методомсинтеза, газофаэным осаждением и т.д.Эти порошки имеют высокую дисперс 30ность (- 5-30 м/г) и поэтому нетребуют последующего измельчения приизготовлении изделий, которое сопровождается намолом мелющих тел железом, оксидом алюминия, карбидом воль- Ззфрама , а также гидролизом А 1 с образованием А 1(ОН), из которого при обжиге изделий образуются примеси А 1 Р,А 10 й, А 1 ОС.49Наиболее близка предлагаемой шихтана основе порошка нитрида алюминияи добавки иттрий - алюминиевого граната УА 10 , позволяющая получить5 1 Я.фплотную керамику при более низкойтемпературе обжига. Эта шихта содержит 0,1-10,0 масс.Ж УЗА 101. Из та"кой шихты с относительной плотностью92,5 изделия получают при температуре обжига 1700-1800 чС. Прессуют изделия при удельном даЬлении 500 МПаб50Недостатки последнего состававысокая температура обжига изделий,что осложняет технологию полученияизделий, а также необходимость использовать высокие давления прессования 1,500 ИПа) для получения плотных изделий. Такие высокие давленияпрессования затрудняют получение ка 273 фчественных прессовоы беэ расслоений иперепрессовок иэ порошков нитридаалюминия, отличающикся высокой дисперсностью, а следовательно, приводят к большому проценту брака при производстве изделий. Такие высокие давления прессования также ограничиваютполучение крупногабаритных иэделий изнитрида алюминия, так как весьма сложно изготавливать пресс"формы, выдерживающие подобные давления, а такжетребуются прессы более сложной конструкции. Кроме того, эта шихта ыедостатоцно эфФективна, так как полученный материал имеет пористость 7,5цто снижает его прочность, увеличиваетгазопроницаемость, снижает его химическую стойкость в агрессивных средах,а следовательно, ограничивает его область применения в технике.Целью изобретения является снижение температуры обжига изделий, удель.ного давления прессования при одновременном уменьшении пористости иэделий,Поставленная цель достигается темчто шихта, включающая А 1 й и добавку,содержит в качестве добавки СаО и510, и/или СаО и В Опри следующем соотношении компонентов, масс. 1:СаО 0,1-9,0510 0,4-13,6А 1 й Остальноепричем отношение по массе СаО:51 псЬставляет от 1;10 до 1,6;1или СаР 0,1-12,00,2-13 6А 1 й Остальноепри отношении по массе СаО:Р О от1:10 до 8:1. Укаэанные добавки оксида кальция и оксида кремния или оксида кальция и оксида бора могут быть взяты вместе или порознь, так как они дают ана. логичный результат.Сущность изобретения заключается в следующем. При обжиге ( температура обжига 1500-1900 С) укаэанные добавки образуют жидкую фазу, по-видимому, растворяющую нитрид алюминия, цто активирует процесс спекания нитрида алюминия, вероятно, протекающего по механизму жидкофазного спекания с частичным растворением твердой Фазы, Зтд приводит к снижению температуры обжига;, снижению прристости материала и снижению необходимого для273 4Пример исполнения. Промышленныйпорошок нитрида алюминия с содержанием А 1 М более 99,0 масс,Ф смешиваютс добавкой состава, указанного в таблице. Из шихты формуют заготовки, которые обжигают в высокотемпературнойпечи в бескислородной атмосфере в интервале температур 1500-1900 С,В табл.1 приведены примеры опыт"ных составов и достигаемые результаты по свойствам изделий, изгот зленныхиз предлагаемой шихты,Предлагаемый состав шихты более В 1002 получения плотных иэделий удельного давления прессования.Данный состав позволяет получать изделия из нитрида алюминия с плотностью, близкой к теоретической, иэ порошков повышенной чистоты с содержанием А 1 М более 99,0 масс.Ф в связи с тем что для образования жидкой фазы из предлагаемого состава шихты не требуется взаимодействия с примеся О ми А 10, А 1 ОЙ, А 1 ОС, Жидкая фаза образуется благодаря плавлению или образуюшихся при обжиге или введенных легкоплавких стекол, боратов или силикатов кальция. Жидкая фаза обра- ь зуется в интервале температур 1100- 1500 ф С.Нижний предел соотношения компонентов шихты (,1,0 масс.) обусловлен невысокой эффективностью малого коли О чества добавки, верхний (15,0 мас.Ц- деформацией образцов при обжиге и припеканЬем к засыпке или контейнеру. У керамики, содержащей добавку в количестве, большем 15,0 мас.1 снижается р огнеупорность, увеличивается деформация под нагрузкой, ухудшается химическая стойкость.Пределы соотношения по массе -СдО: 1510 от 1:10 до 1,б;1 или СаО: В Ор, ЗО от 1;10 до 8:1 - связаны с общим количеством добавки и вероятно влияют на растворимость нитрида алюминия в жидкой фазе, а следовательно, на процесс жидкофазного спекания нитрида алюминия, Нижние пределы соотношения по массе оксида кальция к оксиду кремния СаО:510 (1:10) или оксида кальция к оксиру бора СаО:ВО (1:10) относятся к максимальному количеству добавки, верхние - СаО :510 (1,6;1) или СаО : Г Оз 8;1 к минимальному количеству добавки.Добавку можно вводить в виде порошков оксидов, различных кремний"45 или бороорганических соединений и веществ, содержащих укаэанные оксиды: синтезированного стекла или кристаллических соединений (боратов кальция силикатов кальция).50Из предлагаемого состава цихты изделия могут быть изготовлены любым известным способом: не только полусуким прессованием, но и шликерным литьем из суспензий в органических растворителях, горячим литьем, протяжкой, горячим прессованием и т.д, Укаэанные составы готовят смешанием компонентов. эффективен, чем известный, так как позволяет получать плотные изделияпри 1500-1 б 50 ОС,что значительно снижает энергозатраты на изготовлениеизделий, уменьшает загрязнение керамики материалом деталей печей, а также диссоциацию нитрида алюминия насоставляющие элементы. Данный составцихты дает возможность использоватьдля обжига изделий высокопроиэводи;тельные, менее энергоемкие промышленные печи с корундовой футеровкой,работающие при температуре до 1700 С.Изделия из предлагаемой шика могут быть сформованы при давлениях100-150 МПа, Эти давления ниже чемдавления формовки изделий из шихтыизвестного состава, что позволяет по.лучать изделия без перепрессовок ирасслоений из тонкодисперсных порошков нитрида алюминия. Такой составпозволяет получать крупногабаритныеизделия из А 1 И, не используя приэтом сложных пресс-Форм и прессового оборудования,Предлагаемый состав шихты позволяет получать изделия с относительной плотнос. ью 95,0-99,0 при общейпористости 1,0-5,03 во всем интервале температур обжига 1500-1900 С(открытая пористость 0,0-0,3 Ц .Предлагаемые добавки более дешевы и более распространены в природе,в то время как соединения иттрия илантана мало распространены в земной коре. Оксиды иттрия и лантанадефицитны и дороги а иттрий - алюминиевый грант, кроме того, сложен визготовлении, Экономический эффектот замены добавки У А 1 О на предла"гаемые на 1 О т продукции составитоколо 25000 рублей.Свойства полученного материалаприведены в табл.2.Полученный материал может бытьиспользован в электронной, радиотех.13 85,0 1)34 14 99,8 0,03 150 1;10 200 0,17 15 79,0 10,5 10)5 100 16 96,5 1,5 1,О 1,0 7 92,0 5,0 1,0 2,0 18 90,0 10,0) УР,10, прототип 200 200. 500 нической, авиационной идругих отраслях промышленн"сти в качестве огне"упорного конструкционного материала,1 98,9 О, 2 85,0 9,0 3, 96)0 2,0 ,4 990 06 5 85,0 1,34 6 99,7 0,03 7 80,0 10,0 1002273 8 термостойких электроизоляторов, контейнеров для работы в агрессивных средах, таких, какжидкий алюминий, галлий и т.д.Ти/и Температураобжига С Достигаемые результаты пористость открытая, По Ф плотность относит, У Ф 96,0 1600 1500 .1600 97,0 99,0 0,30,09 1670 2,0 1,8 95,0 1500 19,6 80,4 1670 Образец деФормирован, из засыпкине извлекается97,6 1500 1670 0,4 1600 98,0 1600 10 96,4 1,0 97,2 1500 0,7 670 98,0 12 0,6 25 96,5 13 3500 1670 76,5 24 5 14 Образец деФормирован, из засыпкине извлекается 1500 161650. 99,0 0,4 17 1600 0,3 18 92,5едрииеры 6 и 1 д содершат добавку в количестве выше предполагаемогоинтервала, а примеры 17 и 15 содержат ее ниже этого интервала.Материал в этом случае значительно уступает по свойствам заявляемомуматериалу. 1700 Таблица 2 Результаты измерений Наименование свойств ти/и 95,0-99,0 г 0,0-0,312 1002273 Продолжение табл. 2 е объемноесопротивление,ом.см, й коэффициент термирасширения 20-800 С Удельн электр Линеин ског град,мпература начала деформацид нагрузкой 2 кг/см 1800 С ормула из ни 0,1-9,00,4-13,6Остальноемассе СаО:до 1,6:1 ил2,03,6ьноессе СаО:В, ОКузнецова И,Г. и торых добавок на сп уктуру керамики изтруды МХТИ им.в.108, И, 1979, 84 нии М 48-18925, публик,1973 (протобцев К. ние нек микрост алюмини елеева, тент Яп /С 229,др, Вли кание и нитрида Д.ИМен6. П кл. 20/ тип),ношение и т от 1:10О,1- 0,2- Оста енин по м :1,и АМпри отн 1:10 до т Составитель НТехред Т. фанта оболева Корректор О, Макаре тор Б, фею 20 Помитета СССРоткрытийшская наб д аказ 171 ВНИ/8 Тираж ПИ Государственного по делам изобретений 35, Москва, Ж, Рписно тиал ППП "Патент", г, Ужгород ул Проектная Шихта для получения изднитрида алюминия, включающдобавку, о т л и ч а ю щ атем, что, с целью снижениятуры обжига, уменьшения уддавления прессования, снижристости изделий, она содечестве добавки СаО и 5 п 2и 820 при следующем соотнопонентов, масс.3СаООАМпричем от осоставляеСаО лии изя АМ ия с ятемперальногония пожит в ка/или СаОшенин ком Источники информации,инятые во внимание при экспертизе атент Японии г 49"20369,3/С 239, опублик, 1974.атент Японии Ю 50-1569,3/С 33, опублик. 975.вторское свидетельство СССР1, кл, С 04 8 35/58, 194.ахретдинов ф.А Калинин В,Б.ерамика повышенной термостойз нитрида алюминия, М., Ог 1980, И 3, 50-53. кл, 20/ 2. П кл. 20/ А Нф 41000 4 ф и др. К кости и неупоры