способ повышения износостойкости поверхности изделий из керамики на основе диоксида циркония

Формула изобретения

Способ повышения износостойкости поверхности изделий из керамики на основе диоксида циркония, включающий смешение диоксида циркония с оксидом иттрия, формование заготовок и спекание, облучение после спекания поверхности изделий от 1 до 10 импульсами пучка электронов с энергией электронов от 15 до 30 кэВ, длительностью импульса от 30 до 100 мкс и плотностью тока в пучке от 40 до 100 А/см², отличающийся тем, что перед проведением операции облучения пучком электронов рабочую поверхность заготовки полируют и на нее наносят пленку алюминия толщиной от 1 до 10 мкм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электронно-лучевой обработки материалов и может найти применение при изготовлении изделий на основе керамических материалов в инструментальной промышленности для повышения износостойкости режущего инструмента, штамповой оснастки, деталей машин и механизмов.

Наиболее близким, принятым за прототип, является способ повышения износостойкости керамики на основе диоксида циркония (Патент РФ №2287503, опубл. 20.11.2006, бюл. №32).

Согласно этому способу диоксид циркония смешивают с оксидом иттрия, формуют заготовку и спекают, а после спекания поверхность изделий облучают 1-10 импульсами пучка электронов с энергией электронов 15-30 кэВ, длительностью импульса 30-100 мкс и плотностью тока в пучке 40-100 А/см² .

Недостатком способа является невысокая износостойкость поверхности керамики.

Задачей изобретения является повышение износостойкости поверхности керамики.

Решение данной задачи предлагается осуществлять способом изготовления керамики, в котором так же, как в прототипе, диоксид циркония смешивают с оксидом иттрия, формуют заготовки и спекают. После спекания поверхность изделий облучают 1-10 импульсами пучка электронов с энергией электронов 15-30 кэВ, длительностью импульса 30-100 мкс и плотностью тока в пучке 40-100 А/см².

В отличие от прототипа в предлагаемом способе перед проведением операции облучения пучком электронов рабочую поверхность заготовки полируют и на нее наносят пленку алюминия толщиной 1-10 мкм.

Операция нанесения тонкой пленки алюминия на поверхность керамики позволяет формировать в тонком приповерхностном слое во время облучения электронами пленку оксида алюминия, обладающую повышенными механическими свойствами по сравнению с объемом обрабатываемой керамики, а предварительная полировка рабочей поверхности увеличивает равномерность слоя оксида алюминия по поверхности, что способствует увеличению износостойкости данного слоя. В результате износостойкость поверхности керамики повышается.

Границы изменения толщины наносимой пленки алюминия определены экспериментальным путем. При толщине пленки менее 1 мкм толщина формируемого в процессе облучения электронами слоя оксида алюминия мала и не обеспечивает заметного увеличения сопротивления поверхности керамики износу. При увеличении толщины пленки более 10 мкм эффективность теплового воздействия электронного пучка на поверхность керамики в силу высокой теплоемкости алюминия заметно снижается, что приводит к снижению эффекта от воздействия электронного пучка в виде уменьшения сопротивления износу по сравнению, когда толщина наносимой пленки алюминия имеет значение между 1 и 10 мкм.

На чертеже представлен график зависимостей интенсивности изнашивания керамики от скорости скольжения, где кривая 1 - для керамики, изготовленной по способу-прототипу, кривые 2, 3, 4 - для керамики, изготовленной по предлагаемому способу.

Предложенный способ осуществляли следующим образом. В качестве исходного материала использовали ультрадисперсный порошок диоксида циркония (ZrO₂). В него добавляли - 3 мол.% оксида иттрия (Y₂О ₃) и тщательно перемешивали. Полученную смесь компактировали в виде таблеток (пресс-заготовки) высотой 6 мм и диаметром 12 мм методом одноосного прессования при давлении 500 Мпа. Термическое спекание пресс-заготовок проводили в вакуумной печи при изотермической выдержке при 1750°С в течение 1.5 час. Охлаждение проводили в вакууме со скоростью 7 град/мин.

После охлаждения спеченные пресс-заготовки (образцы) подвергали полировке при атмосферных условиях. Образцы полировали с применением абразивных порошков и полировочных алмазных паст до зеркального блеска (12-14 класс обработки). Полированные образцы очищали от загрязнений путем промывки и помещали в вакуумную камеру, в которой методом термического испарения наносили на полированную поверхность образцов тонкую пленку алюминия. Затем поверхность с нанесенной пленкой алюминия облучили импульсным электронным пучком при остаточном давлении в вакуумной камере 2·10^-4 мм рт.ст. В качестве источника электронов использовали плазменный катод. Нанесение пленки алюминия и электронную обработку проводили в едином технологическом цикле без развакуумирования вакуумной камеры.

Было изготовлено четыре партии образцов по пять штук каждая. Первая партия была подвергнута электронной обработке согласно способу-прототипу. Поверхности пресс-заготовок второй, третьей, четвертой партий отполировали до зеркального блеска и провели напыление пленки алюминия толщиной 1, 5 и 10 мкм соответственно. После чего провели обработку электронным пучком. Облучение пресс-заготовок всех партий провели при оптимальных, согласно способу-прототипу, значениях параметров электронного пучка: энергия электронов 25 кэВ, длительность импульса 50 мкс и плотность тока в пучке 60 А/см², количество импульсов пять.

Испытания на износостойкость проводили в виде испытаний на трение по схеме «диск-палец». В качестве контртела выступал диск из литой быстрорежущей стали. Скорость скольжения изменялась в пределах 4-11.2 м/с, давление испытания составляло 5 МПа. Дистанция трения для всех режимов испытания составляла 1000 м.

На чертеже в графическом виде представлены усредненные результаты испытаний на износостойкость образцов, приготовленных по предлагаемому способу и по способу-прототипу. Кривая 1 соответствует результатам испытаний керамики, приготовленной по способу-прототипу. Кривые 2, 3, 4 - по предлагаемому способу для образцов второй, третьей и четвертой партий соответственно. Как видно из рассмотрения графиков на чертеже, интенсивность изнашивания образцов, приготовленных по предлагаемому способу, в среднем на 15%, ниже, чем образцов, приготовленных по способу-прототипу. Причем для толщин пленок алюминия 1 и 10 мкм интенсивность изнашивания увеличивается по отношению к образцам третьей партии, для которой толщина алюминиевой пленки была равной 5 мкм.

Таким образом, введение дополнительных операций полировки поверхности заготовки и последующего нанесения на нее тонкой пленки алюминия перед проведением обработки поверхности электронным пучком позволяет в среднем почти на 15% увеличить износостойкость керамики по сравнению со способом-прототипом.