способ получения огнеупорного керамического материала на основе циркона

Формула изобретения

1. Способ получения огнеупорного керамического материала на основе циркона, включающий измельчение циркона, формование заготовок и спекание, отличающийся тем, что измельчение циркона проводят в водном растворе поверхностно-активного вещества концентрации 0,3-0,5 мас.% в течение 4-10 ч, спекание осуществляют при температуре 1600°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве поверхностно-активного вещества используют поливиниловый спирт.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к способу получения огнеупорных и керамических изделий на основе циркона и может быть использовано в машиностроении, авиационной и электротехнической промышленности.

Известно, что циркон представляет собой ортосиликат циркония с химической формулой ZrO₂ ·SiO₂. Обладая благоприятными теплофизическими свойствами, хорошими термостойкостью и электроизолирующими свойствами, он не получил до настоящего времени широкого применения в технике. В основном его применяют для изготовления огнеупоров, в качестве добавок в различных керамических массах и для получения диоксида циркония. Одной из особенностей циркона является его термическая диссоциация в твердой фазе на составляющие окислы при температуре от 1285 до 1700°С, в зависимости от степени чистоты ZrSiO ₄ (Kaiser A., Lobert M., Telle R. Tehrmal stability of zircon (ZrSiO₄). // Journal of the European Ceramic Society. 28 (2008). P.2199-2211). Однако, несмотря на диссоциацию, изделия из циркона обладают огнеупорностью около 2000°С.

Обычный способ изготовления цирконовых огнеупоров основан на измельчении до получения зерен размером 1-2 мм, введении связующих веществ, прессовании при давлении 80-120 МПа и спекании при температуре 1550-1600°С. Основным недостатком получаемой цирконовой керамики является высокая пористость (Химическая технология керамики и огнеупоров. / Под общ. ред. П.П.Будникова и Д.Н.Полубояринова. - M.: Стройиздат, 1972. 552 с.).

Известен способ получения керамических материалов на основе нанодисперсных порошков тугоплавких соединений, включающий предварительную термообработку порошков при 800-1400°С в течение 0,5-1 ч, затем механическую активацию в шаровой мельнице с добавлением поверхностно-активного вещества (ПАВ) в виде олеиновой кислоты в течение 25-100 часов и спекание в течение 10 ч при (1200±20)°С в течение 12 ч при повышении от 1200 до 1600°С, охлаждение с 1600 до 1200°С с выдержкой 10 ч при температуре 1200°С (Патент РФ № 2284975, С04В 35/48, С04В 35/626, 2006.10.10). Недостатком указанного способа являются большая продолжительность процессов обработки порошка в шаровой мельнице и спекания, что повышает энергозатраты и, следовательно, стоимость изделий.

Наиболее близким к заявляемому объекту является изобретение (RU 1000441 С04В 35/48, опубл. 28.02.83), в котором с целью снижения пористости и повышения плотности изделий вводят окись магния 1,5-5,0 мас.% и хромовый ангидрид 1,5-10,0 мас.%, а поливиниловый спирт (ПВС) в количестве 0,4-1,2 мас.% используют в качестве временной связки. Недостатком указанного изобретения является введение добавок, изменяющих фазовый состав цирконовой керамики. Известно, что введение оксида магния способствует активации процесса спекания, при этом значительно снижается температура начала разложения циркона и в ходе спекания образуется новое соединение монтичеллит (Физико-технические свойства цирконовой керамики. / И.Г.Мельникова, И.В.Раздольская, Е.М.Доливо-Добровольская и др. // Стекло и керамика. 1988. № 7. С.20-21).

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение огнеупорных свойств керамического материала на основе циркона с высокой плотностью без введения дополнительных добавок, оказывающих влияние на фазовый состав материала.

Технический результат обеспечивается тем, что в способе получения огнеупорного керамического материала на основе циркона, согласно изобретению, измельчение циркона проводят в водном растворе поверхностно-активного вещества концентрации 0,3-0,5 мас.%, в течение 4-10 часов, спекание осуществляют при температуре 1600°С. В качестве поверхностно-активного вещества используют поливиниловый спирт.

Способ осуществляют следующим образом.

Пример 1. В качестве исходного материала используют циркон марки Zircon Standard Grade (Possen Erzconter), содержащий примеси Fe₂O₃, TiO ₂, Al₂O₃, CaO, MgO, Cr₂ O₃, P₂O₅ в количестве менее 1 мас.%. Удельная поверхность исходного порошка циркона, определенная методом БЭТ, составляет 0,59 м²/г. Измельчение порошка циркона проводят в шаровой планетарной мельнице САНД при скорости вращения 160 об/мин в течение 6 часов в водном растворе ПВС концентрации 0,5% мас.%, используемого в качестве ПАВ, соотношение массы порошка циркона и мелющих тел составляет 1:2, что позволяет увеличить удельную поверхность порошка до 5,6 м²/г. После высушивания измельченного порошка циркона проводят формование заготовок методом полусухого прессования в стальной пресс-форме при давлении 250 МПа с добавлением 4%-ного водного раствора ПВС, используемого в качестве временной связки, спекание проводят на воздухе в электропечи сопротивления при температуре 1600°С, продолжительность выдержки 2 ч. Остаточная пористость цирконовой керамики составляет около 10%.

Пример 2. Способ осуществляют аналогично примеру 1 с тем отличием, что в качестве ПАВ применяют агар-агар. При измельчении порошка циркона в течение 6 часов в водном растворе агар-агара концентрации 0,5% мас.% и соблюдении остальных параметров процесса согласно примеру 1 получают огнеупорный керамический материал на основе циркона с плотностью 4,16 г/см³ .

Экспериментально доказано, что продолжительности измельчения менее 6 часов недостаточно для получения плотного керамического материала, а увеличение продолжительности измельчения до 10 часов приводит к снижению плотности.

Выбор ПВС для использования в качестве ПАВ при измельчении циркона обусловлен, прежде всего, тем, что он не оказывает влияния на фазовый состав материала. Дополнительно принята во внимание стоимость реагента.

Оптимальная концентрация водного раствора ПВС, используемого в качестве ПАВ при измельчении циркона, 0,3-0,5 мас.% установлена экспериментально. Дальнейшее увеличение концентрации ПАВ приводит при сушке измельченного порошка циркона к образованию полимерной пленки на его поверхности.

Температура спекания цирконовой керамики 1600°С является оптимальной, выше которой происходит термическая диссоциация циркона, что подтверждается данными спектроскопии комбинационного рассеяния света.

В таблице приведены данные о влиянии продолжительности измельчения и концентрации ПАВ в растворе на плотность цирконовой керамики после спекания при температуре 1600°С с выдержкой в течение 2 часов.

Концентрация ПАВ (ПВС) в растворе, мас.%	Продолжительность измельчения, ч	Плотность материала после спекания, г/см3
0,3	6	4,10
0,5	2	3,40
	4	3,87
	6	4,09
	10	3,99
1,0	6	4,10

Таким образом, заявляемое изобретение позволяет получить огнеупорный керамический материал на основе циркона с высокой плотностью без введения дополнительных добавок.