Способ изготовления прочной керамики
Владельцы патента RU 2286316:
Институт физики прочности и материаловедения (ИФПМ) СО РАН (RU)
Изобретение относится к области технической керамики и огнеупоров и может быть использовано для изготовления деталей, работающих при механических нагрузках. Техническим результатом изобретения является создание прочной керамики, содержащей диоксид циркония со структурой, имеющей различный размер зерна, приводящей к высокой вязкости разрушения. Предложен способ изготовления прочной керамики, включающий формование заготовок из ультрадисперсного порошка, содержащего диоксид циркония, спекание с последующим резким охлаждением. При этом спекание заготовок проводят в вакууме с остаточным давлением не ниже (2-3)·10-5 мм рт.ст. с изотермической выдержкой в температурной области существования кубической фазы диоксида циркония при 1750-1800°С в течение 2-12 часов. Скорость нагрева до температуры спекания изменяют поэтапно: до температуры 1200°С она составляет 350-500°С в час, а далее до температуры спекания - 300-320°С/ч. Для формования заготовок используют ультрадисперсный порошок, содержащий диоксид циркония не менее 20 вес.% с добавками оксидов металлов из группы, состоящей из оксида иттрия, оксида кальция, оксида магния, оксида церия, и их смесей и, дополнительно, оксид алюминия. 4 з.п. ф-лы, 1 табл.
Изобретение относится к области технической керамики и огнеупоров и может быть использовано для изготовления деталей, работающих при механических нагрузках.
Известен способ получения высокопрочного керамического материала из тетрагонального диоксида циркония (А.С. №1349199, С 04 В 35/48 от 03.10.85).
Недостатком данного изобретения является незначительная плотность спеченных образцов и как следствие низкая прочность при изгибе, а также невысокая твердость.
Ближайшим аналогом, принятым за прототип, является способ изготовления керамики на основе диоксида циркония (патент РФ №2194028, С 04 В 35/486, 26.02.2001 г.), включающий смешение диоксида циркония с оксидом иттрия путем совместного осаждения из растворов солей, при этом в момент осаждения в растворы солей добавляют фториды натрия и калия в количестве 0,5-1,0 вес.%, проводят термообработку смеси при 1250-1300°С, формование заготовки и спекание при температуре 1600-1700°С с последующим резким охлаждением до температуры 1270-1300°С со скоростью 480-600°С/ч.
Недостатком этой керамики является низкий предел прочности при изгибе, низкий критический коэффициент интенсивности напряжений при разрушении.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа изготовления прочной керамики, содержащей диоксид циркония со структурой, имеющей различный размер зерна, приводящей к высокой вязкости разрушения.
Для достижения указанного технического результата в способе изготовления прочной керамики, включающей формование заготовок из ультрадисперсного порошка, содержащей диоксид циркония, спекание с последующим резким охлаждением, спекание заготовок проводят в вакууме с изотермической выдержкой в температурной области существования кубической фазы диоксида циркония при 1750-1800°С в течение 2-12 часов, при этом скорость нагрева до температуры спекания изменяют поэтапно: до температуры 1200°С она составляет 350-500°С в час, а далее до температуры спекания - 300-320°С/ч.
Кроме того, спекание заготовок проводят в вакууме с остаточным давлением не ниже (2-3)·10-5 мм рт.ст.
Кроме того, охлаждение проводят со скоростью 30-150°С/мин до температуры 1000-1100°С.
Кроме того, используют ультрадисперсный порошок, содержащий диоксид циркония не менее 20 вес.%.
Кроме того, используют ультрадисперсный порошок, содержащий диоксид циркония с добавками оксидов металлов, выбранные из группы, состоящей из оксида иттрия, оксида кальция, оксида магния, оксида церия, и их смесей и, дополнительно, оксид алюминия до 100 вес.%.
При реализации предлагаемого изобретения керамический материал изготавливают из ультрадисперсного порошка диоксида циркония с добавками оксидов металлов, выбранные из группы, состоящей из оксида иттрия, оксида кальция, оксида магния, оксида церия, и их смесей, который может, дополнительно, содержать ультрадисперсный порошок оксида алюминия в указанных в описании соотношениях. Ультрадисперсные порошки вышеназванных оксидов металлов могут быть получены химическим, плазмохимическим методами, совместным осаждением из растворов и другими способами. Заготовки из ультрадисперсного порошка, содержащего диоксид циркония, изготавливают прессованием порошков в стальных пресс-формах либо литьем термопластичного шликера, затем проводят спекание в вакууме с изотермической выдержкой и последующим охлаждением.
До температуры спекания авторы изобретения предлагают ступенчатый нагрев заготовок: до температуры 1200°С скорость нагрева составляет 350-500°С в час, а далее до температуры спекания - 300-320°С/ч. Экспериментально подобранная ступенчатая скорость нагрева до температуры спекания обеспечивает равномерную плотность по сечению заготовки. Спекание заготовки в вакууме с изотермической выдержкой в температурной области существования кубической фазы диоксида циркония приводит к существенному повышению плотности материала заготовки, а низкое парциальное давление кислорода при спекании позволяет увеличить времена изотермической выдержки и получить крупное зерно в спеченной керамике. При таком режиме спекания в материале заготовки реализуется дополнительный механизм стабилизации тетрагональной фазы диоксида циркония, что помогает предотвратить тетрагонально-моноклинное превращение в материале керамики с крупным зерном при охлаждении от температуры спекания до комнатной температуры, что, в свою очередь, приводит к получению материала с высокой прочностью при изгибе и вязкостью разрушения.
Изобретение осуществляется следующим образом.
Пример №1.
Образцы заготовок формовали из ультрадисперсного порошка диоксида циркония, содержащего 3 мол.% Y2О3 в стальной пресс-форме при давлении 200 МПа и спекали в вакууме с остаточным давлением 2·10-5 мм рт.ст. При этом нагрев до температуры спекания проводили ступенчато - до температуры 1200°С со скоростью 350°С в час, а далее до температуры спекания со скоростью 300°С. Спекание заготовок проводили при температуре 1800°С в течение 8-9 часов. Это позволило получить керамический материал с пределом прочности при изгибе 1000 МПа и вязкостью разрушения 15 МПа·м1/2. После спекания по предложенному режиму керамика имела размер зерна порядка 4-4.5 мкм, что значительно превышает критический размер для предлагаемого керамического материала, спеченного на воздухе. Самопроизвольное тетрагонально-моноклинное превращение, разрушающее образец при охлаждении, не зафиксировано. Скорость охлаждения образцов в данном случае составляла 150°С/мин.
Пример №2.
Образцы формовали из плазмохимического порошка, содержащего 80 вес.% ZrO2 (3 мол.% Y2О3) и 20 вес.% Al2O3 в стальной пресс-форме при давлении 200 МПа и спекали в вакууме с остаточным давлением 3·10-5 мм рт.ст. При этом нагрев до температуры спекания проводили ступенчато - до температуры 1200°С со скоростью 500°С в час, а далее до температуры спекания со скоростью 300°С. Спекание образцов проводили при температуре 1780°С в течение 9-11 часов. Это позволило получить керамический материал с пределом прочности при изгибе 1100 МПа и вязкостью разрушения 10 МПа·м1/2. После спекания по предложенному режиму керамика имела размер зерна порядка 5-5.5 мкм. Самопроизвольное тетрагонально-моноклинное превращение, разрушающее образец при охлаждении, не зафиксировано. Скорость охлаждения образцов в данном случае составляла 30°С/мин.
Полученная по предлагаемому способу керамика обладает высокой прочностью при изгибе 1000-1100 МПа и вязкостью разрушения от 10 до 15 МПа·м1/2.
| Таблица | ||||||||
| Составы ультрадисперсных порошков с содержанием ZrO2 | Технологические режимы | Физико-мех. св-ва | ||||||
| Тсп, °С | Рпарц, мм рт.ст | Скорость нагрева до 1200°С, °С/мин. | Скорость нагрева до тем-ры спекания, °С/мин | Время изотермической выдержки, ч | Температура охлаждения, °С | σизг, МПа | K1c, МПа·м1/2. | |
| ZrO2 (3 мол.% Y2О3) | 1800 | 2·10-5 | 350 | 300 | 8-9 | 1000 | 1000 | 15 |
| 80 вес.% (ZrO2+3 мол.% Y2O3) - 20 вес.% Al2О3 | 1780 | 2·10-5 | 500 | 300 | 9-11 | 1050 | 1100 | 10 |
| 60 Bec.% (ZrO2+9 мол.% MgO) - 40 вес.% Al2О3 | 1750 | 3 10-5 | 400 | 320 | 10-11 | 1050 | 1000 | 9 |
| 30 вес.% (ZrO2+8 мол.% СаО) - 70 вес.% Al2О3 | 1750 | 3·10-5 | 450 | 320 | 10-11 | 1100 | 1000 | 10 |
1. Способ изготовления прочной керамики, включающий формование заготовок из ультрадисперсного порошка, содержащего диоксид циркония, спекание с последующим резким охлаждением, отличающийся тем, что спекание заготовок проводят в вакууме с изотермической выдержкой в температурной области существования кубической фазы диоксида циркония при 1750-1800°С в течение 2-12 ч, при этом скорость нагрева до температуры спекания изменяют поэтапно: до температуры 1200°С она составляет 350-500°С/ч, а далее до температуры спекания - 300-320°С/ч.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что спекание проводят в вакууме с остаточным давлением не ниже (2-3)·10-5 мм рт.ст.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что охлаждение проводят со скоростью 30-150°С/мин до температуры 1000-1100°С.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют ультрадисперсный порошок, содержащий диоксид циркония не менее 20 вес.%.
5. Способ по п.4, отличающийся тем, что используют ультрадисперсный порошок, содержащий диоксид циркония с добавками оксидов металлов из группы, состоящей из оксида иттрия, оксида кальция, оксида магния, оксида церия, и их смесей и, дополнительно, оксид алюминия.
