Шихта для керамического материала на основе оксидов циркония и алюминия и нитрида циркония


 


Владельцы патента RU 2455261:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)" (RU)

Изобретение относится к керамическому материаловедению, в частности к получению керамического материала на основе тугоплавких бескислородных и оксидных соединений, характеризующегося высокой прочностью и трещиностойкостью, и может быть использовано 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. Керамический материал получают из шихты, содержащей компоненты при следующем соотношении, мас.%: Аl2О3 10-40, ZrN 20-65, ZrO2 остальное, при температуре спекания 1700-1800°С и давлении азота при спекании 0,10-0,12 МПа без сложной операции изостатического прессования с применением высоких значений давления. Технический результат изобретения заключается в получении керамического материала с высокой трещиностойкостью (коэффициентом интенсивности критических напряжений 7-14 МПа·м1/2 с) и прочностью при изгибе 650-750 МПа. 1 табл., 4 пр.

 

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.

В патенте США №4316964 (опубл. 23.02.82) предлагается керамический материал на основе Аl2О3, ZrO2 и добавкой до 2 мас.% таких оксидов, как Y2О3, СеО2, Lа2О3, Еr2О3. Указанный материал обладает хрупкостью и недостаточно высокой прочностью.

В патенте России №2336245, МПК С04В 35/488, С04В 35/58, (опубл. 20.10.2008, Бюл. №29), патентообладатель - ОАО «КОМПОЗИТ» предлагается керамический материал, содержащий ZrB2 и ZrO2, отличающийся тем, что он дополнительно содержит ZrN, Y2О3 и(или) TiN. Недостатком материала является низкая механическая прочность при изгибе (400-480 МПа) и трещиностойкость (5,8-6,1 МПа·м1/2), что ограничивает области применения материала.

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 ZrO2), 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.

К недостаткам известного способа относится недостаточно высокая трещиностойкость (5,2 МПа·м1/2), что ограничивает области применения материала.

Задачей предлагаемого технического решения является увеличение трещиностойкости керамического материала.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что предлагается шихта для керамического материала, содержащий ZrO2 и ZrN, отличающийся тем, что он дополнительно содержит Аl2О3 при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Аl2О3 10-40
ZrN 20-65
ZrO2 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.

Предлагаемый керамический материал обладает высокой трещиностойкостью (коэффициентом интенсивности критических напряжений 7-14 МПа·м1/2). 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).

При введении ZrN свыше 20 мас.% происходит частичная или полная стабилизация кубической фазы ZrO2, 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.

При взаимодействии оксида и нитрида циркония на границе раздела зерен образуются твердые растворы переменного состава (оксинитриды циркония ZrN1-XOX), 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·м1/2
Al2O3 ZrO2 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

Шихта для керамического материала с высокой трещиностойкостью, содержащая ZrO2 и ZrN, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит Аl2O3 при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Аl2O3 10-40
ZrN 20-65
ZrO2 остальное


 

Похожие патенты:
Изобретение относится к получению керамических и композиционных материалов, используемых в высокотемпературном газотурбостроении. .
Изобретение относится к производству поликристаллического кубического нитрида (поликристалла) с мелкозернистой структурой. .
Изобретение относится к производству поликристаллического материала (поликристалла) на основе кубического нитрида бора. .

Изобретение относится к области химической технологии, а именно к получению новых сверхпроводящих борсодержащих соединений. .
Изобретение относится к изготовлению теплопроводной керамики на основе нитрида алюминия, которая может быть использована в электронике и электротехнике, в частности, в качестве материала подложек мощных силовых и СВЧ полупроводниковых приборов, а также других устройств, где требуются высокие диэлектрические характеристики, прочность и теплопроводность материала.

Изобретение относится к получению сверхтвердого материала, который содержит CVD-алмаз и который может быть использован при изготовлении инструмента для правки шлифовальных кругов, режущего, бурового инструмента и др.
Изобретение относится к области цветной металлургии и, в частности, к технологии производства алюминия методом электролиза криолит-глиноземных расплавов, а именно к материалу смачиваемого катода алюминиевого электролизера.

Изобретение относится к технологии электролитического производства алюминия из криолит-глиноземных расплавов, в частности к материалу для смачиваемого катода алюминиевого электролизера.

Изобретение относится к области получения синтетических сверхтвердых материалов, в частности поликристаллического кубического нитрида бора, в условиях высоких давлений и температур для использования в химической, инструментальной, электронной и ряде других отраслей промышленности.
Изобретение относится к области химии, энергетики и технологии производства изделий из конструкционных материалов на основе нитрида бора, алюминия и карбида кремния и может быть использовано для изготовления изделий из высокопрочных, безусадочных керамических материалов, работающих в условиях высоких термоциклических нагрузок в окислительной, коррозионной и агрессивной атмосфере, в частности в энергетических установках.

Изобретение относится к порошкообразному оксиду циркония, способу его получения, а также применению в топливных ячейках, в частности для получения электролитных субстратов для керамических топливных ячеек.

Изобретение относится к способам получения микро- и нанопористой керамики и может быть использовано в машиностроении, химической промышленности, энергетике для получения фильтрующих материалов, носителей катализаторов и компонентов пористых систем со специальными свойствами.

Изобретение относится к способу изготовления износостойкой керамики на основе диоксида циркония, частично стабилизированного оксидом иттрия, и может быть использовано при изготовлении деталей трибологического применения в качестве фильер, волок, подшипников и т.д.

Изобретение относится к области получения огнеупорных и керамических изделий на основе циркона и может быть использовано в машиностроении, авиационной и электротехнической промышленности.
Изобретение относится к композитной мишени в форме стержня, образованной из керамических порошков и предназначенной для испарения под действием электронного луча, содержащей диоксид циркония и по меньшей мере один стабилизатор диоксида циркония.

Изобретение относится к способу изготовления керамики на основе диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, с небольшими добавками фторидов натрия и калия, получаемого химическим осаждением из растворов солей.

Изобретение относится к способам изготовления высокоплотной керамики для твердого электролита на основе диоксида циркония с небольшими добавками оксида алюминия, получаемого химическим осаждением из растворов хлористых солей циркония и алюминия.

Изобретение относится к порошковой металлургии, а более точно касается способов получения циркониевой керамики, и может быть использовано в производстве высокопрочных конструктивных и инструментальных материалов и изделий, например волочильных инструментов.

Изобретение относится к композиционному материалу на основе твердого раствора оксида железа и диоксида циркония, применяемому для изготовления высокопрочных керамических изделий, и способу его изготовления.
Изобретение относится к получению нанокристаллических порошков смешанных оксидов редкоземельных элементов (РЗЭ) и металлов подгруппы IVB и может быть использовано для изготовления нейтронопоглощающих и теплоизолирующих материалов, твердых электролитов для высокотемпературных твердооксидных топливных элементов
Наверх