Способ повышения износостойкости поверхности спеченного керамического изделия


 


Владельцы патента RU 2422412:

Учреждение Российской академии наук Институт физики прочности и материаловедения СО РАН (ИФПМ СО РАН) (RU)

Изобретение относится к машиностроительной промышленности и применяется при изготовлении керамических изделий, работающих при трении по стали. Техническим результатом изобретения является повышение износостойкости изделий. Способ повышения износостойкости поверхности спеченного керамического изделия на основе порошков диоксида циркония или диоксида циркония и окиси алюминия включает интенсивную кратковременную обработку трением стальным контртелом рабочей поверхности изделия при скорости скольжения 35-45 м/с и давлении трения 5-10 МПа, с выдержкой в течение 0,5-1 минуты, в результате которой происходит перенос материала контртела на поверхность изделия и формирование на его поверхности антифрикционного износостойкого покрытия. Причем повышение скорости и давления до конечных значений осуществляют линейно. После чего скорость и давление трения снижают и обработку заканчивают. 2 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к машиностроительной промышленности и применяется при изготовлении пар трения скольжения на основе керамических материалов.

Известен способ повышения износостойкости керамики на основе диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (Nettleship L, Sstevens R. // Int. J. High Technology Ceramics. 1987. №3. P. 1-32), в котором для повышения износостойкости изделий из керамики на основе диоксида циркония в нее добавляют стабилизатор в виде соединения оксида иттрия.

Недостатком данного способа является невысокая износостойкость поверхности керамики.

Известно (Becker P.C., Libsch T.A., Rhee S.K. Wear Mechanisms of Tonghened Zirconias. Ceramic Engineering and science. 1985, t 6. №7-8, p.1040 - 1058), что при сухом трении циркониевой керамики по закаленной стали износ сильно зависит от скорости скольжения при испытании. В мягких условиях износа наблюдаются малые степени износа. При увеличении скорости скольжения интенсивность износа увеличивается.

Однако в данной работе рассматриваются скорости скольжения, не превышающие 3-4 м/с. Авторы не рассматривают стойкость к изнашиванию материалов при более высоких скоростях скольжения, где как раз и наблюдается область катастрофического износа.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ фрикционно-механического нанесения антифрикционного покрытия (патент РФ, 2060300, С23С 26/00, опубл. 1996.05.20), включающий нанесение среды на поверхность обрабатываемой детали и формирование основного фрикционного покрытия натиранием поверхности сплавом меди, при этом нанесение среды и формирование основного покрытия производят путем одновременной подачи сплава меди, например бронзы БрОФ 4-0,25 и сплава галлия в твердом состоянии под давлением, обеспечивающим нанесение материала среды на обрабатываемую поверхность.

Недостатком данного способа является применение дорогостоящих материалов при формировании антифрикционного покрытия, а также применение специального оборудования для его нанесения.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа повышения износостойкости поверхности спеченного керамического изделия на основе порошков диоксида циркония или диоксида циркония и окиси алюминия. Реализация предлагаемого способа позволяет повысить износостойкость поверхности трения вышеуказанных керамических изделий, работающих при трении по стали.

Указанный технический результат достигается тем, что способ повышения износостойкости поверхности спеченного керамического изделия на основе порошков диоксида циркония или диоксида циркония и окиси алюминия, включающий нанесение износостойкого покрытия на поверхность обрабатываемого изделия натиранием поверхности. Для этого рабочую поверхность изделия подвергают интенсивной кратковременной обработке трением по стальному контртелу при скорости скольжения 35-45 м/с и давлении трения 5-10 МПа, с выдержкой в течение 0,5 - 1 минуты, в результате которой происходит перенос материала контртела на поверхность изделия и формирования на его поверхности антифрикционного износостойкого покрытия, причем повышение скорости и давления до конечных значений осуществляют линейно, затем скорость и давление снижают и обработку заканчивают. Керамическое изделие на основе порошков диоксида циркония и окиси алюминия может иметь следующее соотношение компонентов, об.%:

диоксид циркония 20-80,

окиси алюминия 80-20.

Используют порошки диоксида циркония и оксида алюминия, полученные плазмохимическим методом.

Рабочая поверхность изделия подвергается интенсивной кратковременной обработке трением стальным контртелом, в качестве которого может выступать ответная стальная часть пары трения. При этом с контртела происходит перенос стали на поверхность керамического изделия с образованием антифрикционного износостойкого слоя.

Скорость и давление трения превышает рабочий режим на 40-50%, так как только при этом режиме трения происходит равномерный прогрев контртела и изделия и перенос материала контртела на поверхность трения керамики, что позволяет сформировать ровный антифрикционный износостойкий слой на керамическом изделии.

Обработку трением проводят не менее 0.5-1 минуты. Дальнейшее увеличение времени обработки не целесообразно, так как за этот период обработки антифрикционный износостойкий слой на спеченном керамическом изделии формируется полностью.

Авторами решалась проблема повышения износостойкости поверхности спеченного керамического изделия на основе диоксида циркония или диоксида циркония и окиси алюминия. В последнем случае изготовленное керамическое изделие может иметь следующее соотношение компонентов, об.%:

порошок диоксида циркония 20 - 80,

порошок оксида алюминия 80 - 20.

При этом для изготовления спеченного керамического изделия предпочтительно использовать ультрадисперсные порошки, полученные плазмохимическим путем.

Для достижения высокой износостойкости рабочей поверхности керамического композиционного изделия предлагается это изделие после спекания подвергнуть кратковременной высокоскоростной обработке трением по стальному контртелу. При этом скорость скольжения при трении и давление на рабочую поверхность изделия превышают рабочий режим на 40-50%, причем скорость и давление при кратковременной обработке трением повышают линейно не превышающих соответственно значений 40-50 м/с и 5-10 МПа. Далее делают выдержку обработкой трением, которая составляет не менее 0.5-1 минуты, и затем скорость и давление трения снижают до рабочих значений.

В процессе такой обработки на поверхности керамического изделия формируется антифрикционный износостойкий слой переноса металла стального контртела и его окислов, который выполняет защитную функцию, увеличивая износостойкость керамики. Высокая износостойкость обработанного керамического изделия наблюдается во всем диапазоне скоростей, даже там, где наблюдается катастрофический износ.

Если предложенным способом обработать керамическое изделие и подвергнуть испытаниям во всем диапазоне скоростей - от 0 до 50 м/с, то изделие показывает высокую износостойкость, даже там, где наблюдался катастрофический износ.

Пример №1

Рабочую поверхность спеченного до высокой плотности керамического изделия (ZrO2 - 20 вес.% Аl2О3) подвергают интенсивной обработке трением по стальному контртелу. При этом скорость скольжения и давление трения повышают линейно до 40 м/с и 10 МПа, что превышает рабочий режим на 50%. После чего делается выдержка обработкой трением в течение 40 секунд. Затем скорость скольжения и давление трения снижают и обработку заканчивают.

Пример №2

Рабочую поверхность спеченного до высокой плотности керамического изделия из плазмохимического ZrO2 подвергают его интенсивной обработке трением по стальному контртелу. При этом скорость скольжения и давление трения повышают линейно до 35 м/с и 8 МПа, что превышает рабочий режим на 45%. После чего делают выдержку обработкой трением в течение 30 секунд. Затем скорость скольжения и давление трения снижают и обработку заканчивают.

Пример №3

Рабочую поверхность спеченного до высокой плотности керамического изделия (ZrO2 - 80 вес.% Аl2О3) подвергают интенсивной обработке трением по стальному контртелу. При этом скорость скольжения и давление трения повышают линейно до 45 м/с и 5 МПа, что превышает рабочий режим на 40%. После чего делают выдержку обработкой трением в течение 60 секунд. Затем скорость скольжения и давление трения снижают и обработку заканчивают.

При использовании предлагаемого способа износостойкость поверхности керамических изделий увеличивается в 2.5 - 3 раза и сохраняется при высоких скоростях скольжения - вплоть до 50 м/с и давлении до 10 МПа.

1. Способ повышения износостойкости поверхности спеченного керамического изделия на основе порошков диоксида циркония или диоксида циркония и окиси алюминия, включающий интенсивную кратковременную обработку трением стальным контртелом рабочей поверхности изделия при скорости скольжения 35-45 м/с и давлении трения 5-10 МПа, с выдержкой в течение 0,5-1 мин, в результате которой происходит перенос материала контртела на поверхность изделия и формирования на его поверхности антифрикционного износостойкого покрытия, причем повышение скорости и давления до конечных значений осуществляют линейно, затем скорость и давление трения снижают и обработку заканчивают.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что спеченное керамическое изделие на основе порошков диоксида циркония и окиси алюминия может иметь следующее соотношение компонентов, об.%:

диоксид циркония 20-80
окиси алюминия 20-80

3. Способ по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что используют порошки диоксида циркония и оксида алюминия, полученные плазмохимическим методом.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к производству керамических ангобированных изделий, преимущественно плитки. .
Изобретение относится к производству керамических ангобированных изделий. .
Изобретение относится к производству керамических глазурованных изделий, преимущественно плитки, панно, сувениров. .
Изобретение относится к производству керамических изделий, преимущественно фарфоровых, фаянсовых. .
Изобретение относится к производству керамических изделий: настенных панно, декоративных тарелок, сувениров. .
Изобретение относится к производству керамических изделий, преимущественно плитки, панно, сувениров. .
Изобретение относится к производству керамических изделий, например настенных панно, плитки, декоративных тарелок, сувениров. .
Изобретение относится к производству глазурованных искусственных каменных материалов и изделий: бетонных, известково-песчаных, керамических и других. .
Изобретение относится к производству глазурованных искусственных каменных материалов и изделий: бетонных, известково-песчаных, керамических и других. .

Изобретение может быть использовано в химической, нефтехимической и химико-металлургической отраслях промышленности, а также в авиатехнике для получения конструкционных материалов, работающих в условиях высокого теплового нагружения и окислительной среды. На заготовке из пористого углеграфитового материала формируют шликерное покрытие на основе композиции из силицирующего агента и временного связующего. Внутренние слои шликерного покрытия формируют на основе нитрида кремния, а наружные - на основе кремния или капсулированного в нитридкремниевой оболочке кремния. Силицируют заготовку путем нагрева до 1800°С в вакууме или при атмосферном давлении в аргоне, выдержки 1-2 ч при 1800-1850°С и охлаждения. Первый режим включает нагрев от 1000°С до температуры образования расплава кремния со скоростью 350-500 град/час; до 1650°С - со скоростью не менее 200-250 град/час и до 1800°С - со скоростью не менее 100-200 град/час. Второй режим включает нагрев от 1000°С до 1300-1400°С со скоростью 200-250 град/час, изотермическую выдержку в этом интервале 40-60 мин, нагрев до 1700°С со скоростью не менее 300-350 град/час и с 1700 до 1800°С - со скоростью не менее 100-200 град/час. В обоих режимах нагрев в интервале 1600-1650°С производят при давлении в реакторе не более 300 мм рт.ст., а нагрев в интервале 1650-1800°С, изотермическую выдержку при 1800-1850°С и охлаждение - при давлении в реакторе не более 36 мм рт.ст. Упрощается способ изготовления крупногабаритных изделий, повышается чистота их поверхности и прочность. 3 з.п. ф-лы, 2 табл., 29 пр.

Изобретение может быть использовано в химической, нефтехимической и химико-металлургической отраслях промышленности, а также в авиатехнике для изготовления конструкционных материалов, подвергающихся воздействию агрессивных сред и механическим нагрузкам. Изготавливают заготовку из пористого углеграфитового материала, формируют на ней шликерное покрытие на основе композиции из силицирующего агента и временного связующего. В качестве силицирующего агента используют порошок нитрида кремния, а в качестве временного связующего по всей толщине или по крайней мере в наружном слое шликерного покрытия - жидкое стекло или кремнийорганическое силоксановое связующее. Затем проводят силицирование путем нагрева заготовки в вакууме до температуры 1800°С, выдержки в течение 1-2 часов при 1800-1850°С и охлаждения. При силицировании в насыщенных парах кремния давление в реакторе не более 35 мм рт.ст. и скорость нагрева в интервале 1350-1650°С не менее 300-350 град/час. При силицировании в ненасыщенных парах кремния поверх сформированного шликерного покрытия дополнительно формируют слой шликерного покрытия на основе порошка кремния и жидкого стекла или кремнийорганического силоксанового связующего. Упрощается способ изготовления крупногабаритных изделий из углерод-углеродного композиционного материала, обеспечивается высокая чистота их поверхности и высокая прочность.

Изобретение может быть использовано при получении конструкционных материалов, работающих в условиях высокого теплового нагружения и окислительной среды, для химической, нефтехимической, химико-металлургической промышленности и авиатехники. На заготовке из пористого углеграфитового материала формируют шликерное покрытие на основе композиции из силицирующего агента и временного связующего. Шликерное покрытие выполняют комбинированным с внутренним слоем на основе композиции из порошка нитрида кремния и некоксообразующего полимерного связующего и наружным - на основе композиции из смеси порошков карбида кремния и кварца, взятых в соотношении 1:(2-3), и жидкого стекла, или силоксанового связующего, или коллоидного раствора кремнезема в воде. Затем проводят силицирование путем нагрева заготовки в вакууме до температуры 1800°C, выдержки в течение 1-2 часов при 1800-1850°C и охлаждения. Силицирование проводят в парах кремния при давлении в реакторе не более 35 мм рт.ст., для чего в садку дополнительно устанавливают тигли с кремнием. Нагрев в интервале 1400-1700°C ведут со скоростью не менее 300-350 град/час. Упрощается способ изготовления крупногабаритных изделий из углерод-карбидокремниевого материала, обеспечивается высокая чистота их поверхности и высокая прочность. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.
Наверх