ШИХТА ДЛЯ КЕРАМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ОКСИДОВ ЦИРКОНИЯ И АЛЮМИНИЯ И НИТРИДА ЦИРКОНИЯ Российский патент 2012 года по МПК C04B35/486 C04B35/58 

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·м^1/2), 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·м^1/2), 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·м^1/2). 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 ZrN_1-XO_X), 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^1/2 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

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·м^1/2 с) и прочностью при изгибе 650-750 МПа. 1 табл., 4 пр.

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