190957. lajstromszámú szabadalom • Eljárás 96-99,9 tömeg% alumínium-oxid tartalmú tömör és homogén szövetszerkezetű, polikristályos alumínium-oxid kerámiák előállítására
1 19C 957 2 A találmány tárgya eljárás 96-99,9 tömeg% alumínium-oxid tartalmú, tömör és homogén szövetszerkezetű, polikristályos alumínium-oxid kerámiák előállítására. Ismeretes, hogy azok az alumínium-oxid (korund) kerámiák rendelkeznek a legkedvezőbb mechanikai-, elektrotechnikai-, kémiai-, stb. tulajdonságokkal, melyek magas alumínium-oxid tartalmúak, finom kristály-szemcsézettségűek és a lehető legtömörebb szövetszerkezetük van. Ezek elérése érdekében kémiailag tiszta, főleg alkáliamentes, finom szemcsézettségű alapanyagot használnak, melyet hasznos adalékokkal látnak el, s melyet nagy nyers-sürüségre történő formázás után a lehető legalacsonyabb hőmérsékleten zsugorítanak tömör idomtestté. A nagytisztaságú, (99,7 tömeg% feletti alumínium-oxid tartalmú) idomtestek zsugorítása, mely részművelet a kész kerámia végső paramétereit mintegy 80%-ában megszabja, igen fontos műveleti lépcső, s általában több óráig tartó, 1750 °C hőmérséklet körüli égetést jelent. így például Ziegler (Keram. Zeitschrift, 33, 12, 1981) 0,25 tömeg % magnézium-oxid bevitelével 1750 °C hőmérsékletű zsugorítással készített alumínium-oxid kerámiákat; Abraham (Cercl. Met. Inst. 20, 1979, Bukarest) 0,1-0,3 tömeg% magnéziumoxid, titán(IV)-oxid, króm(III)-oxid és mangán(II)oxid bevitelével ugyancsak 1750 °C hőmérsékletű égetéssel állított elő alumínium-oxidból kerámiákat; Orlova (Ogneoporüh, 10, 1980) 90%-ában 4 pm-nél finomabb kristály-szemcsézettségű alumínium-oxidból granulátumokat készített, melyeket 1750 °C hőmérsékleten zsugorított. E magas hőmérsékleten azonban jelentős, mintegy 10-szeres szemcseméret-növekedés lép fel, melynek csökkentésére használják a különböző adalékokat. Az adalékanyagok mennyiségének függvényében lecsökkenthető a zsugorítási hőmérséklet is, de a kerámia veszít a nagytisztaságú idomokra jellemző kiváló értékeiből. Sok esetben ez nem hátrányos, vagy gazdaságilag indokolt az alacsonyabb hőmérsékletű zsugorítás végrehajtása, azonban az így készített idomtesteket csak az adott célra lehet felhasználni. így például a 156 766. számú magyar szabadalmi leírás szerint 2-4 tömeg % üvegfázisú brittel az alumínium-oxid zsugorítását még igen magas, 1750 °C hőmérsékleten végezték, hogy megfelelő tömörségű és fémezhetöségű kerámiát kapjanak. Az 1 268 018. számú angol szabadalmi leírásban megadott összetételű és 4 tömeg %-ban adagolt frittel 1593 °C hőmérsékleten tudtak alumínium-oxid testet zsugorítani. Az 1 310 443. számú angol szabadalmi leírás szerint 5-10 tömeg % üvegfázisú frittet vittek be, s ezáltal a zsugorítási hőmérsékletet 1350-1450 °C-ra szállították le. Köztudott, hogy az így készített termék alacsony lágyuláspontja, nagy felületi érdessége és polírozhatatlansága, csökkent értékű kémiai ellenállása és mechanikai szilárdsága miatt csak korlátozott területen használható. Természetszerűleg a zsugorításnál meghatározó szerepe van az alumínium-oxid alapanyagnak is, mert például a különlegesen előálított alumíniumoxidok esetében kevés adalékkal is lehet alacsony ? hőmérsékleten zsugorítani. így például az 1 371 068. számú angol szabadalmi leírás szerint alumínium-izopropilátból előállított por 0,1 tömeg% magnézium-oxiddal aktiválva 1500 °C hőmérséklet körül jól zsugorodott; vagy például az 1 465 111. számú angol szabadalmi leírásban olvasható megoldás kidolgozói az úgynevezett „reaktív” alumínium-oxidot 0,2 tömeg % magnézium-oxid, vas(III)-oxid jelenlétében ' 1600 °C hőmérsékleten tudták színtereim; Schulz (Interceram, 30, 4, 1981) Alcoa gyártmányú (US A) XA-16 jelű „reaktív” alumínium-oxidból sajtolt idomtesteket, melyeket 1600 °C hőmérsékleten 2 órás zsugorítással tömörített. Ezek az utóbbi évektœn kifejlesztett különleges alumínium-oxid alapanyagok azonban az ipari, timföldeknél vagy ezekből tisztítással előállított kerámiai alapanyagoknál lényegesen magasabb áron kerülnek forgalomba és emellett a lineáris zsugorodásuk eltérő volta, például a szerszámozás miatt sem hagyható figyelmen kívül. A nagy tömörség fokozását célozzák a meleg izosztatikus (HIP) sajtológépekre épülő technológiák is, melyekkel többnyire különleges alumínium-oxidok formázás és előégetés utáni, 1400-1520 °C hőmérsékletű vákuumban vagy nagy nyomású védőgázban történő szinterelését végzik, így elérik a közel elméleti, 3,96 g/cm3-es sűrűséget is, mint arról Halcomb (Ceram. Bull. 61, 12, 1982) és Furukawa (Ceam. Bull. 62, 12, 1983) beszámolnak. A HIP sajtolok eredményessége melletti hátrányuk a magas beszerzési ár és az energia-igényes üzemeltetés. A felsoroltakon kívül még számos kutatási és szabadalommal védett gyártástechnológiai eljárás ismeretes. Ezek közös jellemzője, hogy vagy kevés adalékkal dolgoznak és magas hőmérsékletű zsugorítást írnak elő, vagy sok idegen anyagot visznek be, s így leszállítják a szinterelési hőmérsékletet, de az így készített kerámia - szemben az előbbivel - csak korlátozott területen használható fel. Ezt a hiányt pótolja a találmányunk szerinti eljárás, mely lényegében a gallium-oxid specifikus, zsugorítási hőmérsékletét leszállító és egyben a tömörödési elősegítő hatására épül. A találmányunk lényegét képező fiziko-kémiai mechanizmus a következők szerint foglalható öszsze: Ismeretes, hogy a gallium-vegyületek a megfelelő alumínium-vegyületekkel nagy hasonlóságot mutatnak, mivel a Ga3+-ion átmérője (0,06 nm) hasonló a vele rokon Al3+-ionéhoz (0,05 nm), s így az alumínium-vegyületek kristályrácsába könnyen beépül. A gallium- és az a lumínium-vegyületek közti reakció már néhány száz °C-on megkezdődik (G. Hill, stb. J. Amer. Ceram Soc. 35, 6, 1952), amikor is GaAI03 képlettel jellemezhető, 810 °C hőmérsékletig állandó vegyület keletkezik. Magasabb hőmérsékleten ez alfa-alumínium-oxidra és béta-gallium(III)-oxidra esik szét, de 1500 °C körüli hőmérséklettartományban, megfelelő körülmények között szilárd fázisú reakció eredményeként a gallium-oxid stabilan beépül az alfa-korund kristályrácsába. Ennek eredményeként az 1740 ± 15 °C olvadáspcntú (Ullmann, 7. köt. 1956, 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
