1. РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН
(19) KZ (13) A4 (11) 29609
(51) C04B 35/58 (2006.01)
C04B 35/65 (2006.01)
МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ
(21) 2014/0665.1
(22) 14.05.2014
(45) 16.03.2015, бюл. №3
(72) Фоменко Сергей Михайлович; Мансуров
Зулхаир Аймухаметович; Абдулкаримова Роза
Габдуловна; Алипбаев Аманбол Наматжанович
(73) Республиканское государственное предприятие
на праве хозяйственного ведения "Институт
проблем горения" Комитета науки Министерства
образования и науки Республики Казахстан
(56) SU 1720258 A1, 10.05.1995 г
(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ
ИЗДЕЛИЙ
(57) Изобретение относится к технологии
изготовления керамических изделий на основе
тугоплавких нитридов методом
самораспространяющегося высокотемпературного
синтеза и может быть использовано при
изготовлении тиглей для плавки и испарения
металлов, материалов для облицовки
высокотемпературных печей, получения
жаропрочных диэлектрических изделий, деталей
газотурбинных и дизельных двигателей, а кроме
того, может найти применение в изготовлении
режущего и абразивного инструмента.
Способ получения керамических изделий на
основе тугоплавких нитридов, включает
приготовление экзотермической смеси, содержащей
алюминий, кремний, золь кремнезема, один из
оксидов металлов VI группы и либо оксид одного из
азотируемого элемента IV группы периодической
системы элементов, либо силикат циркония,
формование, прессование заготовки изделия и ее
термообработку в режиме горения при температуре
900-1000°С в азотсодержащей среде под давлением
0,5-2,5 МПа при одновременном регулировании в
процессе обработки температуры и давления.
В результате термообработки экзотермической
смеси в режиме горения при температуре
термообработки 900-1000°С и давлении 0,5-2,5 МПа
в азотсодержащей среде получают керамическое
изделие на основе тугоплавких нитридов,
обладающее прочностью на сжатие 200-500 МПа,
огнеупорностью 1770-1900°С, пористостью 80-90%,
химической однородностью 1%.
(19)KZ(13)A4(11)29609

2. 29609
2
Изобретение относится к технологии
изготовления керамических изделий на основе
тугоплавких нитридов методом
самораспространяющегося высокотемпературного
синтеза и может быть использовано при
изготовлении тиглей для плавки и испарения
металлов, материалов для облицовки
высокотемпературных печей, получения
жаропрочных диэлектрических изделий, деталей
газотурбинных и дизельных двигателей, а кроме
того, может найти применение в изготовлении
режущего и абразивного инструмента.
Известен способ получения порошковых
композиций на основе нитридов элементов,
включающий приготовление экзотермической
смеси, содержащей по крайней мере один порошок
азотируемого элемента и комплексную фторидную
соль аммония, воспламенение смеси в среде азота
под давлением, при этом экзотермическая смесь
содержит по крайней мере другой азотируемый
элемент, входящий в состав комплексной
фторидной соли аммония или в состав фторида
элемента, и азид щелочного или щелочноземельного
металла. (РФ Патент №2163181, МПК В22F 9/16,
В22F 3/23, С04В 35/58, опубл. 20.02.2001)
Недостатком известного способа является
невозможность получения готовых изделий любой
сложной формы и конфигурации.
Наиболее близким техническим решением к
заявляемому, является способ получения
керамических изделий, включающий приготовление
экзотермической порошкообразной смеси,
содержащей по меньшей мере один компонент из
группы: металл III - VIII группы периодической
системы элементов, бор, кремний, углерод, а также
по меньшей мере одно неорганическое соединение
из группы: борид, силицид, нитрид переходных
металлов IVБ - VIБ групп; карбид, нитрид, оксид,
кремния; нитрид, оксид алюминия; нитрид бора,
оксид элемента II - IV группы, из смеси формуют
заготовку изделия, которую подвергают
термической обработке в режиме горения в среде
азотсодержащего газа при регулировании
температуры от 2000 до 3000°С и давления от 0,1 до
1000 МПа. Пористость полученных изделий 1 -10%,
прочность 25-40 кг/мм2
. (РФ Патент №1720258,
МПК С04В 35/58, С04В 35/65, опубл. 10.15.1995)
Недостатком известного способа является
использование чистых реактивов, повышенная
температура термообработки заготовки изделия и
повышенное давление газа при азотировании.
Задачей заявляемого технического решения
является разработка способа получения
керамических изделий на основе тугоплавких
нитридов с использованием природного сырья
Казахстана.
Технический результат поставленной задачи
состоит в увеличении начальной прочности изделий
при формовании, пониженной температуре
термообработки заготовки изделия, а также
пониженном давлении газа при азотировании.
Задача решается тем, что способ получения
керамических изделий на основе тугоплавких
нитридов, включает приготовление экзотермической
смеси, содержащей алюминий, кремний, золь
кремнезема, один из оксидов металлов VI группы и
либо оксид одного из азотируемого элемента IV
группы периодической системы элементов, либо
силикат циркония, формование, прессование
заготовки изделия и ее термообработку в режиме
горения при температуре 900-1000°С в
азотсодержащей среде под давлением 0,5- 2,5 МПа
при одновременном регулировании в процессе
обработки температуры и давления.
Существенным отличием заявляемого
технического решения от известного является то,
что в экзотермическую смесь дополнительно вводят
золь кремнезема, один из оксидов металлов VI
группы, а в качестве композиции азотируемого
элемента IV группы вводят силикат циркония, при
этом термообработку осуществляют при
температуре 900-1000°С и давлении 0,5-2,5 МПа.
В заявляемом способе получения керамических
изделий на основе тугоплавких нитридов в
экзотермическою смесь вводят золь кремнезема в
качестве связующего для увеличения начальной
прочности изделий при формовании. Кроме того,
золь кремнезема является дополнительным
окислителем. Оксид кремния - составляющий золя
кремнезема имеет наноразмерную дисперсность, за
счет чего увеличивается удельная поверхность золя
кремнезема, соответственно увеличивается его
реакционная способность по отношению к
восстановителю и повышается химическая
однородность материала изделия.
В заявляемом способе в экзотермическую смесь
в качестве химически активного восстановителя
вводят алюминий.
Кремний вводят в экзотермическую смесь в
качестве азотируемого элемента для увеличения
общей доли нитридов, соответственно, повышения
физико - механических свойств получаемых
керамических изделий.
В заявляемом техническом решении в качестве
оксида одного из азотируемого элемента IV группы
периодической системы элементов в
экзотермическою смесь вводят природный кварцит
месторождения «Тектурмас» (Карагандинская
область, Республика Казахстан) с содержанием
SiО2 - 97%.
Силикат циркония ZrSiO4, иначе циркон,
является природным минералом. В заявляемом
способе используют концентрат циркона
Обуховского месторождения Республики Казахстан.
Оксид металла VI группы периодической
системы элементов вводят в экзотермическою смесь
в качестве активного окислителя для интенсивности
экзотермических реакций, сопровождающихся
повышением температуры синтеза и как следствие
повышением степени азотирования системы.
Введение в экзотермическою смесь оксида металла
VI группы периодической системы элементов
позволяет использовать азотируемые элементы,
такие как природный кварцит и циркон, которые
участвуя в окислительно - восстановительной
реакции, не обеспечивают высокой температуры.

3. 29609
3
Таким образом, введение оксида металла VI группы
периодической системы элементов в
экзотермическою смесь позволяет достичь такого
технического эффекта как понижение температуры
термообработки до 900-1000°С, в отличие от
известного способа - температура термообработки
2000 - 3000°С.
Механизм химических превращений описан
формулами 1-8
Zr SiO4 + Аl→Al2O3 + Zr + Si (1)
2Zr + N2→2ZrN (2)
3Si + 2N2→Si3 N4 (3)
SiO2 + Al→Al2O3 + Si (4)
Сr2О2 + Al→Al2O3 + Cr (5)
Cr + N2→CrN, (6)
ТiO2 +Al→Al2O3 + Ti (7)
Ti + N2→ Ti N (8)
Температура термообработки в заявляемом
способе подобрана экспериментально и является
необходимой и достаточной для инициирования
режима горения спрессованной заготовки изделия в
азотсодержащей среде под давлением 0,5-2,5 МПа.
Температуру термообработки регулируют до
величины инициирования режима горения
спрессованной заготовки изделия в зависимости от
состава экзотермической смеси.
Давление азотсодержащей среды в заявляемом
способе подобрано экспериментально и является
необходимым и достаточным для наибольшего
азотирования компонентов смеси.
Заявляемый способ получения керамических
изделий на основе тугоплавких нитридов
осуществляют следующим образом.
Смешивают сухие компоненты: алюминий,
кремний, один из оксидов металлов VI группы и
либо оксид одного из азотируемого элемента IV
группы периодической системы элементов, либо
силикат циркония. Сухую смесь затворяют золью
кремнезема. Из пластичной смеси формуют
заготовку изделия, затем прессуют и помещают ее в
реактор. В реакторе заготовку изделия нагревают до
температуры 900-1000°С внешним источником
тепла для инициирования горения экзотермической
смеси. Одновременно с подогревом в реактор
подают азот под давлением 0,5-2,5 МПа.
В результате термообработки экзотермической
смеси в режиме горения в азотсодержащей среде
получают керамическое изделие на основе
тугоплавких нитридов, обладающее прочностью на
сжатие 200-500 МПа, огнеупорностью 1770-1900°С,
пористостью 80-90 %, химической однородностью
1%.
Пример 1
Смешивают сухие компоненты: алюминий,
кремний, оксид титана, оксид хрома. Сухую смесь
затворяют золью кремнезема. Из пластичной смеси
формуют заготовку изделия, затем прессуют при
давлении 30 МПа, сушат в печи при температуре
80°С в течение 60 минут. Сформованную заготовку
изделия помещают в трубчатую печь, которая
находится в реакторе. Затем включают печь и
одновременно подают газ - азот в реактор,
регулируя температуру печи и давления газа в
реакторе. При достижении температуры печи
1000°С экзотермическая смесь воспламеняется. При
давлении газа в реакторе 0,5 МПа и прохождении
волны горения по всей заготовке формируется
керамическое изделие.
В результате термообработки экзотермической
смеси в режиме горения в азотсодержащей среде
получают керамическое изделие на основе
тугоплавких нитридов, обладающее прочностью на
сжатие 200 МПа, огнеупорностью 1770°С,
пористостью 80%, химической однородностью 1%.
Примеры 2, 3 таблицы 1 выполняют аналогично
примеру 1.
Таблица 1
№ Состав
экзотермической
смеси
Давление газа,
МПа
Температура
термообработки,
°С
Прочность на
сжатие МПа
Огнеупорность,
°С
Пористость,
%
Химическая
однородность,
%
1 Алюминий
Кремний
Оксид титана
Оксид хрома
Золь кремнезема
0,5 1000 200 1900 85 1
2 Алюминий
Кремний
Природный кварц
Оксид молибдена
Золь кремнезема
1,0 950 350 1800 90 1
3 Алюминий
Кремний
Циркон
Оксид вольфрама
Золь кремнезема
2,5 900 500 1770 80 1
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ получения керамических изделий на
основе тугоплавких нитридов, включающий
приготовление экзотермической смеси, содержащей
алюминий, кремний и либо оксид одного из
азотируемого элемента IV группы периодической
системы элементов, либо его композицию,
формование, прессование заготовки изделия и ее
термообработку в режиме горения в
азотсодержащей среде под давлением при
одновременном регулировании в процессе

4. 29609
4
обработки температуры и давления, отличающийся
тем, что в экзотермическую смесь дополнительно
вводят золь кремнезема, один из оксидов металлов
VI группы, а в качестве композиции азотируемого
элемента IV группы вводят силикат циркония, при
этом термообработку осуществляют при
температуре 900-1000°С и давлении 0,5-2,5 МПа.
Верстка Ж. Жомартбек
Корректор К. Нгметжанова