ШИХТА ДЛЯ КЕРАМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ОКСИДОВ ЦИРКОНИЯ И АЛЮМИНИЯ И НИТРИДА ЦИРКОНИЯ
MIXTURE FOR CERAMIC MATERIAL BASED ON ZIRCONIUM AND ALUMINIUM OXIDES AND ZIRCONIUM NITRIDE

Изобретение относится к керамическому материаловедению, в частности к получению керамического материала на основе тугоплавких бескислородных и оксидных соединений для высокотемпературного применения, характеризующегося высокой прочностью, твердостью и трещиностойкостью, и может быть использовано также для изготовления режущего инструмента, в нефте- и газодобывающей промышленности (клапанные устройства и уплотнительные кольца насосов), при изготовлении сопловых насадок для пескоструйных аппаратов и распылителей химических растворов.
Известен ряд решений по технологии и составам керамических материалов на основе оксида алюминия или оксида циркония.
2
3
2
2
3
2
2
3
2
3
В патенте США №4316964 (опубл. 23.02.82) предлагается керамический материал на основе АlО, ZrO и добавкой до 2 мас.% таких оксидов, как YО, СеО, LаО, ЕrО. Указанный материал обладает хрупкостью и недостаточно высокой прочностью.
2
2
2
3
1/2
В патенте России №2336245, МПК С04В 35/488, С04В 35/58, (опубл. 20.10.2008, Бюл. №29), патентообладатель - ОАО «КОМПОЗИТ» предлагается керамический материал, содержащий ZrB и ZrO, отличающийся тем, что он дополнительно содержит ZrN, YО и(или) TiN. Недостатком материала является низкая механическая прочность при изгибе (400-480 МПа) и трещиностойкость (5,8-6,1 МПа·м), что ограничивает области применения материала.
2
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является керамический материал, предложенный в патенте США №5916833, МПК С04В 35/56, С04В 35/58, С04В 35/101, опубл. 29.06.1999, патентообладатель - NGK SPARK PLUG Co Ltd (Япония). В указанном патенте предлагается керамический материал, содержащий в том числе оксиды циркония и алюминия в объемном соотношении 80:20 (оксид циркония содержит добавку 3 мол. % оксида иттрия для стабилизации кубической фазы ZrO), дополнительно в шихту вводится 25-60 об.% ZrN. Способ получения включает совместное смешивание в барабанной мельнице в среде спирта, распылительную сушку, гранулирование и формование методом литья или экструзии, удаление пластификатора при температуре 450-530°С, спекание при температуре 1480-1550°С в среде аргона при давлении 2-5 атм.
1/2
К недостаткам известного способа относится недостаточно высокая трещиностойкость (5,2 МПа·м), что ограничивает области применения материала.
Задачей предлагаемого технического решения является увеличение трещиностойкости керамического материала.
2
2
3
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что предлагается шихта для керамического материала, содержащий ZrO и ZrN, отличающийся тем, что он дополнительно содержит АlО при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Аl<sub>2</sub>О<sub>3</sub>
10-40
ZrN
20-65
ZrO<sub>2</sub>
остальное.
Приготовление предлагаемого керамического материала включает смешивание и измельчение исходных компонентов, прессование, сушку и спекание керамического материала при 1700-1800°С в среде азота при давлении 0,10-0,12 МПа с выдержкой при конечной температуре в течение 1 часа.
1/2
Предлагаемый керамический материал обладает высокой трещиностойкостью (коэффициентом интенсивности критических напряжений 7-14 МПа·м). Помимо этого, указанные свойства достигаются при значительно меньшем давлении азота при спекании (0,10-0,12 МПа), при формовании заготовок не требуется сложной операции литья (или экструзии).
2
При введении ZrN свыше 20 мас.% происходит частичная или полная стабилизация кубической фазы ZrO, что увеличивает прочность и термостойкость материала.
Введение оксида алюминия совместно с нитридом циркония создает барьер для диффузионных процессов, что в значительной степени тормозит процесс рекристаллизации при спекании и позволяет получать материалы с малым размером зерна (1-3) мкм, что приводит к росту прочности и трещиностойкости.
1-X
X
При взаимодействии оксида и нитрида циркония на границе раздела зерен образуются твердые растворы переменного состава (оксинитриды циркония ZrNO), что приводит к снижению температуры спекания и получения плотноспеченного материала с пористостью 1-2% и менее.
Уровень механических и физических свойств позволит использовать материалы этой системы в качестве конструкционных, коррозионностойких, устойчивых в контакте с расплавами металлов резистивных материалов, в качестве покрытий, резцов для цветных металлов.
Предлагаемое техническое решение обладает новизной, изобретательским уровнем и промышленно применимо. Составы керамического материала и свойства приведены в таблице.
Примеры осуществления предлагаемого способа.
Пример 1.
Совместным измельчением в вибрационной мельнице до дисперсности 1-2 мкм в среде этилового спирта с добавлением полиэтиленгликоля в качестве пластификатора изготавливают порошковую шихту, состоящую из 20 мас.% оксида алюминия, 40 мас.% диоксида циркония и 40 мас.% нитрида циркония.
Из полученной шихты прессуют образцы при давлении 100-110 МПа. Спекание проводят при температуре 1750°С в среде азота при давлении 0,10-0,42 МПа с выдержкой при конечной температуре в течение часа.
(Свойства в таблице)
Пример 2.
Порошковая шихта состоит из 5 мас.% оксида алюминия, 30 мас.% диоксида циркония и 65 мас.% нитрида циркония. Температура спекания в среде азота 1700°С.
Пример 3.
Порошковая шихта состоит из 20 мас.% оксида алюминия, 60 мас.% диоксида циркония и 20 мас.% нитрида циркония. Температура спекания в среде азота 1800°С.
Пример 4.
Порошковая шихта состоит из 40 мас.% оксида алюминия, 20 мас.% диоксида циркония и 40 мас.% нитрида циркония. Температура спекания в среде азота 1750°С.
Указанные примеры приведены в таблице. В таблице приведены также примеры (4, 5) вне заявляемой области и пример по способу-прототипу.
Заявляемый способ позволяет получать высокопрочный керамический материал для изготовления износостойких изделий, обладающий плотностью до 99% от теоретической, размером зерна 1-3 мкм и, как следствие, высокой прочностью и трещиностойкостью.
Таблица
ШИХТА ДЛЯ КЕРАМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ОКСИДОВ ЦИРКОНИЯ И АЛЮМИНИЯ И НИТРИДА ЦИРКОНИЯ
№ примера
Содержание компонентов, мас.%
Температура спекания, °С
Трещиностойкость, МПа·м<sup>1/2</sup>
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
ZrO<sub>2</sub>
ZrN
1
20
40
40
1750
14
2
10
25
65
1700
13
3
20
60
20
1800
10
4
40
20
40
1750
8,1
5*
8
12
80
1820
5,8
6*
45
40
15
1650
5,5
7*
17
65
18
1700
5,2
Прототип
1500
5,1
* - Примеры вне заявляемой области