Изобретение относится к композиционным керамическим материалам, в частности к композиционным керамическим материалам, армированным дискретными частицами, и может быть использовано при изготовлении изделий, обладающих высокими прочностными свойствами, в частности высокой вязкостью разрушения.
Известен керамический материал (патент РФ №2035436, С04В 35/48, опубл. 20.05.1995) (1), содержащий, мол.%: диоксид циркония 87,0-87,2; диоксид церия 12-12,1; оксид кальция 0,8-1,0.
Недостатком данного известного керамического материала является то, что он, обладая высокой вязкостью разрушения, имеет недостаточно высокие прочностные характеристики.
Известен композиционный материал (патент РФ №2085543, С04В 35/486, опубл. 27.07.1997) для высокопрочной керамики на основе твердого раствора оксида железа и диоксида циркония, включающий моноклинный диоксид циркония и имеющий следующий состав, мас.%:
твердый раствор оксида железа и диоксида циркония 85-92;
моноклинный диоксид циркония 8-15,
при этом твердый раствор содержит 5.9-27.1 оксида железа.
Недостатком данного известного композиционного материала является то, что он также обладает недостаточно высокими прочностными характеристиками, в частности невысокой вязкостью разрушения.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения по совокупности существенных признаков является композиционный керамический материал, раскрытый в US 2005/0272591, кл. С04В 35/488, опубл. 08.12.2005 (2).
Известный керамический композиционный материал из ZrO2-Al2O3, включающий фазу ZrO2, состоящую на 90% или более из тетрагонального ZrO2, и фазу Al2О3, причем доля фазы Al2O3 в композиционном материале составляет 20-70% от объема. Композиционный материал состоит из зерен, каждое из которых имеет следующую структуру: зерно Al2O3 содержит в себе мелкое зерно ZrO2 и при этом само заключено в зерне ZrO2.
Недостатком данного известного композиционного материала (2) является то, что известный материал получают технологически сложным способом, связанным с наличием множества дополнительных операций, например сушкой осадка геля порошков, кальцинированием смеси порошков в кислородосодержащей атмосфере и т.д., при достижении свойств у известного материала не выше предлагаемого.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка композиционного керамического материала из ультрадисперсного порошка диоксида циркония и армирующих керамических частиц, образованных из диоксида циркония и оксида алюминия плазмохимическим методом. При реализации предлагаемого изобретения будет получен композиционный керамический материал с улучшенными механическими свойствами, в частности с высокой вязкостью разрушения.
Для достижения указанного технического результата композиционный керамический материал, включающий матрицу и упрочнитель, содержит в качестве матрицы ультрадисперсный порошок диоксида циркония (ZrO2), а в качестве упрочнителя - армирующие частицы, полученные плазмохимическим методом из диоксида циркония (ZrO2) и оксида алюминия (Al2О3), и имеет следующее соотношение матрицы и упрочнителя, об.%:
упрочнитель - армирующие частицы - 15-40,
матрица - порошок диоксида циркония - остальное,
при этом армирующие частицы содержат 20-50 об.% оксида алюминия (Al2О3).
Размер армирующих частиц составляет 0.1-10 мкм.
Для получения высокопрочного композиционного керамического материала, помимо ультрадисперсного порошка диоксида циркония используют 15-40 об.% армирующих частиц, полученных плазмохимическим методом из диоксида циркония (ZrO2) и оксида алюминия (Al2O3)
При содержании армирующих частиц менее 15 об.% композиционный керамический материал не будет обладать достаточными прочностными характеристиками.
При содержании армирующих частиц более 40 об.% композиционный керамический материал будет хрупок и не будет обладать высокой вязкостью разрушения.
Кроме того, армирующие частицы, образованные плазмохимическим методом из диоксида циркония и оксида алюминия, должны содержать от 20 до 50 об.% оксида алюминия.
При содержании оксида алюминия менее 20 об.% в армирующих частицах их твердость недостаточна.
При содержании оксида алюминия более 50 об.% в армирующих частицах их твердость высока, но резко увеличивается хрупкость, а следовательно, снижается вязкость разрушения предлагаемого композиционного керамического материала.
Изобретение осуществляют следующим образом.
Проводят приготовление смеси матричного порошка с армирующими частицами упрочнителя дисперсностью 0.1-10 мкм, формование заготовки из приготовленной смеси в стальной пресс-форме под давлением 200-300 МПа. Затем отформованную заготовку подвергают горячему прессованию, которую проводят при температуре 1350-1550°С и давлении 50-100 МПа с выдержкой 30-60 минут до получения необходимого плотного материала.
Приготовление смеси матричного порошка с армирующими частицами упрочнителя осуществляют путем смешивания исходных компонентов: ультрадисперсного порошка диоксида циркония и армирующих частиц.
Формуют заготовку в металлической пресс-форме при давлении 200-300 МПа. Этот интервал давления выбран из тех условий, что оно обеспечивает достаточную плотность и прочность заготовки для осуществления дальнейших технологических операций. Горячее прессование проводят в графитовой пресс-форме при температуре 1350-1550°С и давлении 50-100 МПа. Эти технологические параметры необходимы для достижения максимальной плотности получаемого материала.
Примеры конкретного выполнения.
Пример №1.
Берут ультрадисперсный порошок диоксида циркония с размером частиц 0.1-0.5 мкм в количестве 70 об.%, добавляют к нему армирующие частицы упрочнителя дисперсностью 0.1-10 мкм, образованные плазмохимическим методом из диоксида циркония и оксида алюминия (в соотношении 25% Al2O3 и 75% ZrO2) (ТУ 2320 - 001 - 07622928 - 96) в количестве 30%, смешивают, помещают порошковую смесь в металлическую пресс-форму, формуют заготовку при давлении 200 МПа. Затем заготовку подвергают горячему прессованию в графитовой пресс-форме при температуре 1550°С и давлении 50 МПа. При этом время выдержки при горячем прессовании составляет 30 минут. По окончании выдержки отключают нагрев и производят охлаждение изделия.
Пример №2.
Берут ультрадисперсный плазмохимический порошок диоксида циркония с размером частиц 0.1-0.75 мкм в количестве 85%, добавляют к нему армирующие частицы дисперсностью 0.1-10 мкм из диоксида циркония и оксида алюминия (в соотношении 35% Al2O3 и 65% ZrO2) в количестве 15%, смешивают и помещают порошковую смесь в металлическую пресс-форму, формуют заготовку при давлении 300 МПа. Затем заготовку подвергают горячему прессованию в графитовой пресс-форме при температуре 1350°С и давлении 100 МПа. При этом время выдержки при горячем прессовании составляет 60 минут. По окончании выдержки отключают нагрев и производят охлаждение изделия.
Пример №3.
Берут ультрадисперсный порошок диоксида циркония с размером частиц 0.1-0.75 мкм в количестве 60 об.%, добавляют к нему армирующие частицы дисперсностью 0.1-10 мкм из диоксида циркония и оксида алюминия (в соотношении 50% Al2O3 и 50% ZrO2) в количестве 40 об.%, смешивают и помещают порошковую смесь в металлическую пресс-форму, формуют заготовку при давлении 250 МПа. Затем заготовку подвергают горячему прессованию в графитовой пресс-форме при температуре 1400°С и давлении 80 МПа. При этом время выдержки при горячем прессовании составляет 50 минут. По окончании выдержки отключают нагрев и производят охлаждение изделия.
Предложенное техническое решение позволяет получать композиционный керамический материал, обладающий повышенными механическими свойствами, а именно:
предел прочности при изгибе σизг.=1100-1200 МПа;
вязкость разрушения K1c=10-15 МПа·м1/2;
твердость HV=12-14 ГПа.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ, АРМИРОВАННОГО ДИСКРЕТНЫМИ ВОЛОКНАМИ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ | 2005 |
|
RU2289555C1 |
| КЕРАМИЧЕСКИЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ | 2020 |
|
RU2748375C1 |
| Шихта для гибридного композиционного материала и способ его получения | 2016 |
|
RU2620221C1 |
| КОМПОЗИЦИОННЫЙ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЙ ПОРОШОК ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ | 2013 |
|
RU2553763C2 |
| СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРОЧНОЙ КЕРАМИКИ | 2004 |
|
RU2286316C2 |
| СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИТНЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ | 2014 |
|
RU2567582C1 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА | 2004 |
|
RU2263089C1 |
| Способ получения литых композиционных алюмоматричных сплавов | 2020 |
|
RU2729267C1 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЯ ИЗ ЖАРОПРОЧНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА | 2006 |
|
RU2346997C2 |
| КОМПОЗИЦИОННЫЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ | 2014 |
|
RU2569113C1 |
Изобретение относится к композиционным керамическим материалам, в частности к материалам, армированным дискретными частицами, для изготовления изделий, обладающих высокими прочностными свойствами. Техническим результатом изобретения является разработка композиционного керамического материала с высокой вязкостью разрушения. Композиционный керамический материал, включающий матрицу и упрочнитель, содержит в качестве матрицы ультрадисперсный порошок диоксида циркония (ZrO2), а в качестве упрочнителя - армирующие частицы, полученные плазмохимическим методом из диоксида циркония (ZrO2) и оксида алюминия (Al2О3) и имеет следующее соотношение матрицы и упрочнителя, об.%: армирующие частицы - 15-40, матрица - порошок диоксида циркония - остальное. Армирующие частицы содержат 20-50 об.% оксида алюминия (Al2О3). Размер армирующих частиц составляет 0,1-10 мкм. Свойства материала: предел прочности при изгибе σизг.=1100-1200 МПа; вязкость разрушения K1c=10-15 МПа·м1/2; твердость HV=12-14 ГПа. 1 з.п. ф-лы.
при этом армирующие частицы содержат 20-50 об.% оксида алюминия Al2О3.
| Способ обработки целлюлозных материалов, с целью тонкого измельчения или переведения в коллоидальный раствор | 1923 |
|
SU2005A1 |
| ШИХТА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИКИ | 1999 |
|
RU2164503C2 |
| АННЕНКОВ Ю.М | |||
| и др | |||
| Эффективность диспергирования порошков системы AlО - (ZrO+YO), полученных плазмохимическим методом, «Стекло и керамика», 1995, №8, с.23-24 | |||
| US 5081081 A1, 14.01.1992 | |||
| 0 |
|
SU318554A1 | |
