RU2524061C1 - Method of producing composite ceramic material - Google Patents

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: feedstock used to produce oxynitride ceramic is products of burning composite mixtures on air, said mixtures being based on coarse titanium powder with addition of 20-40 wt % fine titanium oxide powder TiO₂ and (over 100%) 10 wt % aluminium nanopowder. The obtained mixture is treated by hot pressing in a nitrogen atmosphere at 1500°C for 30 minutes.

EFFECT: simple synthesis techniques, using air as a nitrogen-containing reactant at the sintering mixture synthesis step.

1 ex

Description

Изобретение относится к технологии получения композиционного керамического материала технического назначения состава TiN/Al₂O₃, который является перспективным для получения жаропрочных и износостойких материалов, покрытий для режущих и обрабатывающих инструментов. Улучшенные характеристики многокомпонентного материала обеспечиваются комплексом индивидуальных свойств отдельных соединений, входящих в состав композиции, поэтому оксинитридные материалы обладают одновременно высокой прочностью, износостойкостью и высокой стойкостью к окислению.The invention relates to a technology for producing composite ceramic material for industrial use with the composition TiN / Al ₂ O ₃ , which is promising for obtaining heat-resistant and wear-resistant materials, coatings for cutting and processing tools. The improved characteristics of a multicomponent material are ensured by the complex of individual properties of the individual compounds that make up the composition; therefore, oxynitride materials have both high strength, wear resistance and high oxidation resistance.

Известен способ получения керамической композиции TiN/Al₂O₃ путем смешения в шаровой мельнице оксида алюминия и тетра-бутил титаната в этаноле в течение 8 ч, после которого необходимы промывка дистиллированной водой, сушка и прокалка при 450 ºС. Затем полученную порошковую смесь состава TiO₂-Al₂O₃ термически обрабатывают в токе аммиака. Полученный порошок состава TiN-Al₂O₃ спекают методом горячего прессования при температуре 1400÷1650°С и давлении 30 МПа в течение 60 мин в атмосфере N₂ (Li J., Gao L., Guo J. Mechanical properties and electrical conductivity if TiN-Al₂O₃ nanocomposites //Journal of the European Society. - V.23, 2003. - P.69-74). Недостатками данного метода являются многоступенчатость процесса и необходимость использования аммиака и чистого азота.A known method of obtaining a ceramic composition TiN / Al ₂ O ₃ by mixing in a ball mill alumina and tetra-butyl titanate in ethanol for 8 hours, after which washing with distilled water, drying and calcination at 450 ° C are necessary. Then, the obtained powder mixture of the composition TiO ₂ —Al ₂ O _{3 is} thermally treated in a stream of ammonia. The obtained powder of the composition TiN-Al ₂ O _{3 is} sintered by hot pressing at a temperature of 1400 ÷ 1650 ° C and a pressure of 30 MPa for 60 min in an atmosphere of N ₂ (Li J., Gao L., Guo J. Mechanical properties and electrical conductivity if TiN-Al ₂ O ₃ nanocomposites // Journal of the European Society. - V.23, 2003. - P.69-74). The disadvantages of this method are the multi-stage process and the need to use ammonia and pure nitrogen.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является способ получения композиции Ti(CxN1-x)/Al₂O₃ при проведении твердофазного азотирования в мощной шаровой мельнице в атмосфере азота с последующим низкотемпературным горячим прессованием порошковой смеси алюминия, оксида титана, углерода и стеарата натрия (http://worldwide.espacenet.com/publica). Недостатками предлагаемого метода являются длительный процесс подготовки шихты для спекания посредством механоактивации в токе чистого азота и применение стеарата натрия в качестве поверхностно-активного вещества (ПАВ).Closest to the proposed invention in technical essence is a method of obtaining a composition Ti (CxN1-x) / Al ₂ O ₃ during solid-phase nitriding in a powerful ball mill in a nitrogen atmosphere, followed by low-temperature hot pressing of a powder mixture of aluminum, titanium oxide, carbon and sodium stearate (http://worldwide.espacenet.com/publica). The disadvantages of the proposed method are the lengthy process of preparing the mixture for sintering by means of mechanical activation in a stream of pure nitrogen and the use of sodium stearate as a surfactant.

Основной технической задачей данного изобретения является упрощение технических приемов синтеза по сравнению с прототипом: использование воздуха в качестве азотсодержащего реагента на стадии синтеза шихты для спекания, исключая стадию механоактивации исходной порошковой смеси в токе чистого азота с применением ПАВ, в частности стеарата натрия, для предотвращения агрегирования шихты на стадии синтеза.The main technical objective of this invention is to simplify the synthesis techniques compared to the prototype: the use of air as a nitrogen-containing reagent at the stage of synthesis of the mixture for sintering, excluding the stage of mechanical activation of the initial powder mixture in a stream of pure nitrogen using surfactants, in particular sodium stearate, to prevent aggregation charge at the synthesis stage.

Поставленная техническая задача достигается использованием в качестве исходной шихты для получения оксинитридной керамики продуктов сгорания на воздухе композиционных смесей на основе грубодисперсного порошка титана и мелкодисперсного порошка оксида титана TiO₂ в количестве 20-40 мас.% с добавкой нанопорошка алюминия в количестве 10 мас.%.The stated technical problem is achieved by using composite mixtures based on coarse dispersed titanium powder and finely divided titanium oxide powder TiO ₂ in an amount of 20-40 wt.% With the addition of aluminum nanopowder in an amount of 10 wt.% As an initial charge for producing oxynitride ceramics.

Использование продуктов сгорания на воздухе композиционных смесей на основе грубодисперсного порошка титана и мелкодисперсного порошка оксида титана TiO₂ в количестве 20-40 мас.% с добавкой нанопорошка алюминия в количестве 10 мас.% в качестве исходной шихты для получения оксинитридной керамики является экономически более выгодным. Содержание недогоревшего металла и оксида титана в продуктах сгорания незначительно, поэтому проведение горячего изостатического прессования в атмосфере азота при температуре 1550°С в течение 30 минут позволяет полностью перевести их в нитридную фазу. При этом оксид алюминия остается в неизменной форме, тем самым синтезируется композиционная керамика состава 90%TiN/10%Al₂O₃.The use of combustion products in air of composite mixtures based on coarse titanium powder and finely divided titanium oxide powder TiO ₂ in an amount of 20-40 wt.% With the addition of aluminum nanopowder in an amount of 10 wt.% As the initial charge for producing oxynitride ceramics is more economical. The content of unburned metal and titanium oxide in the combustion products is insignificant, therefore, conducting hot isostatic pressing in a nitrogen atmosphere at a temperature of 1550 ° C for 30 minutes allows them to be completely transferred to the nitride phase. In this case, aluminum oxide remains unchanged, thereby synthesizing composite ceramics with a composition of 90% TiN / 10% Al ₂ O ₃ .

Пример конкретного выполнения.An example of a specific implementation.

Для приготовления исходной смеси для сжигания используют порошок титана дисперсностью 630-1000 мкм. Оксид титана (TiO₂) с размером частиц менее 80 мкм вводят в количестве 30 мас.% в исходную смесь. Нанопорошок алюминия вводят в количестве 10 мас.% сверх 100%. Готовую смесь в свободнонасыпанном состоянии помещают на огнеупорную подложку. Процесс горения инициируют локальным нагревом образца с помощью нихромовой спирали.To prepare the initial mixture for combustion, titanium powder with a fineness of 630-1000 microns is used. Titanium oxide (TiO₂) with a particle size of less than 80 μm is introduced in an amount of 30 wt.% in the initial mixture. Aluminum nanopowder is introduced in an amount of 10 wt.% In excess of 100%. The finished mixture in a free-sprinkled state is placed on a refractory substrate. The combustion process is initiated by local heating of the sample using a nichrome spiral.

Введение порошка оксида титана в количестве 50 мас.% и более приводит к затруднению инициирования процесса горения и недогоранию исходных смесей, а менее 20 мас.% - к плавлению и интенсивному спеканию порошка титана. Оптимальным количеством добавки оксида титана является 20-40 мас.%, что обеспечивает максимальный выход нитрида титана с образованием рыхлого спека. Нанопорошок алюминия вводят в качестве дополнительной горючей составляющей и для формирования на стадии горения оксида алюминия модификации корунд α-Al₂O₃.The introduction of titanium oxide powder in an amount of 50 wt.% Or more leads to a difficulty in initiating the combustion process and incomplete burning of the initial mixtures, and less than 20 wt.% Leads to melting and intense sintering of the titanium powder. The optimal amount of titanium oxide additive is 20-40 wt.%, Which ensures maximum yield of titanium nitride with the formation of friable cake. Aluminum nanopowder is introduced as an additional combustible component and for the formation of alumina α-Al ₂ O ₃ at the stage of combustion of aluminum oxide.

Продукты сгорания грубодисперсных порошков титана, оксида титана и наноалюминия представляли собой высокопористые спеки, легко поддающиеся дальнейшей обработке состава TiN (68-72%), TiO₂ (10-12%), Ti (8-10%), α-Al₂O₃ (10%). Размол спека осуществляли в шаровой в течение 30 минут. Горячее изостатическое прессование проводили в атмосфере азота при температуре 1550°С в течение 30 минут. При этом была получена керамика состава 90%TiN/10%Al₂O₃, которая обладала следующими механическими свойствами: относительная плотность 99 %, прочность на сжатие 2,2 ГПа, микротвердость 17 ГПа.The combustion products of coarse powders of titanium, titanium oxide and nanoaluminium were highly porous specimens that are easily amenable to further processing of the composition TiN (68-72%), TiO ₂ (10-12%), Ti (8-10%), α-Al ₂ O ₃ (10%). Grinding of the cake was carried out in a ball for 30 minutes. Hot isostatic pressing was carried out in a nitrogen atmosphere at a temperature of 1550 ° C for 30 minutes. In this case, a ceramic composition of 90% TiN / 10% Al ₂ O ₃ was obtained, which had the following mechanical properties: relative density 99%, compressive strength 2.2 GPa, microhardness 17 GPa.

Технический результат достигается за счет использования в качестве исходной шихты для получения оксинитридной керамики продуктов сгорания на воздухе композиционных смесей на основе грубодисперсного порошка титана и мелкодисперсного порошка оксида титана TiO₂ в количестве 20-40 мас.% с добавкой нанопорошка алюминия в количестве 10 мас.%, не требующей механоактивации в токе чистого азота и применение стеарата натрия в качестве поверхностно-активного вещества.The technical result is achieved due to the use of composite mixtures based on coarse dispersed titanium powder and finely divided titanium oxide powder TiO ₂ in an amount of 20-40 wt.% With the addition of aluminum nanopowder in an amount of 10 wt.% As an initial charge for producing oxynitride ceramics that does not require mechanical activation in a stream of pure nitrogen and the use of sodium stearate as a surfactant.

Claims (1)

Способ получения композиционного керамического материала, заключающийся в использовании в качестве исходной шихты для получения оксинитридной керамики продуктов сгорания на воздухе композиционных смесей на основе грубодисперсного порошка титана и мелкодисперсного порошка оксида титана TiO₂ в количестве 20-40 мас.% с добавкой нанопорошка алюминия в количестве 10 мас. %, горячее изостатическое прессование проводят в атмосфере азота при температуре 1550^оС в течение 30 минут. A method of producing a composite ceramic material, which consists in using, as an initial charge for producing oxynitride ceramics, products of combustion in air of composite mixtures based on coarse titanium powder and finely divided titanium oxide powder TiO ₂ in an amount of 20-40 wt.% With the addition of aluminum nanopowder in an amount of 10 wt. %, hot isostatic pressing is carried out in a nitrogen atmosphere at a temperature of 1550 ^about C for 30 minutes.