Керамический материал Советский патент 1992 года по МПК C04B35/48 

Изобретение относится к области технической керамики и может быть использовано для изготовления конструкционных керамических изделий, эксплуатируемых при температурах до 700°С, например, инструмента для обработки металлов давлением, деталей подшипников, насосов, ножей, ножниц и т.д.

Известен керамический материал на основе тетрагонального диоксида циркония с добавкой оксида иттрия в количестве 2-4 мол.% и дополнительно содержащий диоксид циркония с содержанием оксида иттрия 0,1-1,9 мол.% при соотношении компонентов, мас.%:

Тетрагональный диоксид

циркония с содержанием

оксида иттрия 2-4 мол.%60-90

Диоксид циркония с

содержанием

оксида иттрия

0,1-1,9 мол.%10-40(1).

Недостатками данного материала являются недостаточно высокие прочность ( 900 МПа при трехточечном изгибе и ударная вязкость (8 МПа М ), а также высокая температура спекания, что связано с малой диффузионной подвижностью ионов иттрия и циркония. При высоких температурах спекания ( 1400°С) происходит быстрый рост зерен тетрагонального ZrCte до величины 0,8-1,0 мкм, т.е. до величины близкой к критической и при охлаждении часть зерен тетрагонального Zr02, имеющих наибольший размер, претерпевают тетрагонально-моноклинное превращение с увеличением объема. Это приводит к образованию в керамике трещин, снижающих прочность.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому материалу является керамический материал, включающий оксиды циркония, иттрия и железа и дополнительно содержасл

с

VI

О

СА) ГО

со

щий оксид л-антана при следующем соотношении компонентов, мол.%:

Оксид иг р..я0,4-1,0

Оксид железа0,7-1,4

Оксид лантана0,3-0,8

Оксид цирконияОстальное

Температура спекания керамического материала составляет 1000-1520°С.

Несмотря на высокую ударную вязкость керамический материал имеет низкую прочность и в процессе эксплуатации керамики под действием возникающих ударных нагрузок изделия разрушаются.

Целью изобретения является повышение механической прочности при сохранении ударной вязкости.

Поставленная цель достигается тем, что керамический материал на основе тетрагонального диоксида циркония, включающий оксиды иттрия и лантана, дополнительно содержит оксиды самария и кобальта при следующем соотношении компонентов, мол.%:

Оксид иттрия0,9-1,3

Оксид лантана0,4-0,9

Оксид самария1,2-1,8

Оксид кобальта 0,5-1,0 Диоксид цирконияОстальное

Введение стабилизирующих добавок, таких как оксиды самария и кобальта совместно с оксидами иттрия и лантана в керамический материал на основе тетрагонального диоксида циркония, позволяет приблизить величину их среднего ионного радиуса (ЗгпаОз - 0,097 нм; Со20з - 0,064 нм, УгОз - 0,097 нм, 1 а20з-0,104 нм) к величине, близкой к ионному радиусу 2гА+ (0,082 нм ), что уменьшает искажение кристаллической решетки в процессе спекания, способствует сохранению тетрагональной фазы, предотвращающей образование микродефектов на поверхности материала, и обеспечивает повышение механической прочности при сохранении ударной вязкости.

Образование тетрагональной фазы обеспечивается введением в керамический материал оксида самария, который имеет две степени окисления Sm и Sm2+.

При введении добавки оксида самария в диоксид циркония происходит отклонение от стехиометрии в оксиде самария во время спекающего обжига. Присутствие иона Srr/+ в решетке диоксида циркония создает дополнительные анионные вакансии в материале, что облегчает сохранение тетрагональной фазы диоксида циркония. Содержание двухвалентного оксида самария снижается при увеличении температуры спекания керамики, что нежелательно с точки зрения ударной вязкости и механической прочности. Поэтому для снижен ия температуры спекания в материал вводят оксид ко- бальта, действующий как спекающая добавка. При этом, благодаря своему малому ионному радиусу (0,064 нм) оксид кобальта обладает значительно более высокой

диффузионной подвижностью по сравнению со спекающей добавкой, используемой в прототипе - оксида железа (ионный радиус Fe - 0,067 нм), что позволяет получить керамический материал более высокой механической прочности. Кроме того, введение в состав материала в качестве спекающей добавки оксида кобальта позволяет получать керамику с однородным зер- новым составом, что обеспечивает

сохранение высокой ударной вязкости.

8 растворе оксихлорида циркония (ZrOCte) с концентрацией по Zr02 245 г/л растворяли оксиды иттрия, лантана, самария и хлорид кобальта (CoCte). Компоненты

осаждали аммиаком, осадки фильтровали, сушили и прокаливали при 800°С. Прокаленные порошки диспергировали в воде с добавкой соляной кислоты (рН 1,6-2,0). Из суспензий плотностью 2,4-2,7 г/см3

шликерным литьем в гипсовые формы готовили образцы размером 6x4x50 мм. Образцы обжигали в силитовой печи в интервале температур 1000-1520°С (для каждого состава подбирали оптимальную температуру

спекания).

Обожженные образцы шлифовали алмазным инструментом до размера 5x3x45 мм. Прочность при изгибе определяли по ГОСТ 5458-75, ударную вязкость - методом

разрушения образца с пропилом.

Результаты испытаний керамических материалов на основе тетрагонального диоксида циркония в сравнении с аналогом и прототипом приведены в таблице.

Формула изобретения Керамический материал, включающий диоксид циркония, оксиды иттрия и лантана, отличающийся тем, что, с целью

повышения механической прочности при сохранении ударной вязкости, он дополнительно содержит оксиды самария и кобальта при следующем соотношении компонентов, мол.%: оксид иттрия -0,9-1,3; оксид лантана - 0,4-0,9; оксид самария - 1,2 -1,8; оксид кобальта - 0,5-1,0; диоксид циркония - остальное.

Свойства

керамических материалов на основе тетрагонального диоксида циркония

Использование: для изготовления конструкционных керамических изделий. Сущность изобретения: керамический материал содержит, мол.%: оксид иттрия 0,9-1,3, БФ УгОз; оксид лантана 0,4-0,5, БФ 1а20з; оксид самария 1,2-1,8, БФ 5гп20з; оксид кобальта 0,5-1,0, БФ СааОз; диоксид циркония - остальное, БФ ZaCte. Характеристика материала: критический коэффициент интенсивности напряжений при 20°С 14,7- 15,4МПа -м1/2, предел прочности при трехточечном изгибе при 1330-1350 МПа. 1 табл.