способ изготовления износостойкой керамики

Формула изобретения

1. Способ изготовления износостойкой керамики на основе тетрагонального диоксида циркония, включающий смешение диоксида циркония со стабилизирующим оксидом иттрия путем совместного осаждения из солей, термообработку, помол, формование и спекание, отличающийся тем, что смешение осуществляют совместным осаждением из смеси твердых солей циркония и иттрия с удельной поверхностью не менее 200 м²/г, термообработку проводят при температуре 900-1000°С, спекание до температуры 1300-1350°С проводят с темпом нагрева 750- 1000°С/ч, с последующим охлаждением со скоростью 1000-1100°С/ч.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что спекание осуществляют с выдержкой в течение 2-3 ч.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу изготовления износостойкой керамики на основе диоксида циркония, частично стабилизированного оксидом иттрия, получаемого химическим осаждением, и может быть использовано при изготовлении деталей трибологического применения в качестве фильер, волок, подшипников валов вращения в насосах для перекачки абразивосодержащих жидкостей (нефть и др.), узлов трения, работающих в условиях повышенных термомеханических нагрузок, керамических соединителей волоконно-оптических линий связи.

Керамика на основе диоксида циркония обладает низким коэффициентом трения, высокой твердостью, прочностью, износостойкостью.

Известно, что материалы на основе частично стабилизированного диоксида циркония оксидом иттрия в условиях трения под влиянием сдвиговых напряжений, возникающих при трении, могут инициировать полиморфное превращение тетрагональной фазы в моноклинную. Это превращение происходит с увеличением в объеме, что приводит к микрорастрескиванию и разрушению керамическкого материала.

Эта проблема решается в изобретении (патент РФ № 2194028, C04B 35/486, 10.12.2002 г.) путем получения в структуре керамики на основе диоксида циркония частично стабилизированного (3 мол.%) оксидом иттрия трансформируемой тетрагональной t' фазы, благодаря которой увеличиваются термомеханические свойства. Структура этого материала состоит из крупных зерен 70-100 мкм в кубической кристаллической фазе с наноразмерными включениями трансформируемой тетрагональной кристаллической фазы. Данный способ позволяет получать износостойкую керамику в условиях трения со смазкой, но не пригоден для условий сухого трения в контакте с металлом. В условиях сухого трения у изделий, изготовленных по этому способу, происходит большая изнашиваемость поверхности. Причиной этого является деградация материала из-за обратного перехода t' фазы в тетрагональную, а та в свою очередь - в моноклинную.

Известен другой способ повышения износостойкости поверхности изделий из керамики на основе диоксида циркония, патент РФ № 2287503 С1, С04В 35/48, 20.11.2006 г. Технический эффект повышения износостойкости достигается тем, что после спекания керамики на основе диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, поверхность облучают 1-10 импульсами пучка электронов с энергией 15-30 кэВ, длительностью импульса 30-100 мкс и плотностью 40-100 А/см². Порошок диоксида циркония, стабилизированный оксидом иттрия, получали смешением оксидов и обжигом для получения твердого раствора при высокой температуре (1700°С). По этой причине и спекание керамики вынуждены были проводить при высокой температуре 1750°С в вакууме. Размер зерна у этого материала находится в пределах 50-100 мкм, уровень износостойкости не достаточен для использования керамики в условиях сухого трения в контакте с металлом в течение длительного времени, и материалы с таким большим зерном подвержены деградации из-за моноклинно-тетрагонального перехода.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ изготовления высокопрочного керамического материала, патент РФ № 1349199 А1 С04В 35/48, опубл 27.09.2000 г. Этот способ изготовления высокопрочного керамического материала на основе тетрагонального диоксида циркония включает получение исходного порошка методом химического осаждения из растворов солей, формование обжиг изделий по следующему режиму: нагрев с скоростью 20-50°С/ч до 1400-1440°С; нагрев со скоростью 120°С/ч до 1505-1515°С; выдержка при конечной температуре не превышает 20 минут.

Получаемый по данному способу керамический материал имеет низкое значение плотности, вязкости разрушения и большой размер структурных элементов (>3 мкм), уровень износостойкости не достаточен для использования керамики в условиях сухого трения в контакте с металлом в течение длительного времени.

Целью изобретения является получение материала на основе диоксида циркония с высокими значениями плотности, с наноструктурой, обеспечивающей повышение прочностных свойств (К1с) и износостойкости в условиях сухого трения в контакте со сталью в течение длительного времени.

Цель достигается с помощью шарового помола смеси солей циркония, иттрия до удельной поверхности не менее 200 м² /г, с дальнейшей термообработкой порошков при температуре 900-1000°С, с последующим формованием и окончательным спеканием, с темпом нагрева 750-1000°С/ч до максимальной температуры 1300-1350°С, с выдержкой при этой температуре в течение 2-3 часов, с последующим охлаждением со скоростью 1000-1100°С/ч, с получением кажущейся плотности не менее 5,95 г/см³, 100% тетрагональной фазы и размером структурных элементов керамического материала до 200 нм.

Способ осуществляется следующим образом.

Для получения керамического материала на основе частично стабилизированного диоксида циркония состава: (ZrO₂ + 3 мол.% Y₂O₃) 94 мас.% ZrO₂ + 6 мас.% Y₂O₃ приготавливают смесь солей в количестве 2500 г хлорокиси циркония, 160 г хлористого иттрия. Смесь и мелющие шары из диоксида циркония в количестве, равном соотношению 1:3, помещают в шаровую мельницу с футеровкой из диоксида циркония для помола до удельной поверхности не менее 200 м²/г, измеренную методом BET. Полученную смесь солей помещают в химический реактор и с постоянной скоростью подают в осадитель 10 л 3%-ного водного раствора аммиака при постоянном перемешивании. Образовавшуюся суспензию отмывают дистиллированной водой до рН 7 от хлористых солей. Суспензию с концентрацией 15-20% сухих веществ помещают в распылительную сушилку с температурой на выходе 100-120°С и высушивают. Полученную смесь гидрооксидов обжигают при температуре 900-1000°С с выдержкой при этих температурах 2 часа и измельчают в шаровой мельнице с футеровкой и мелющими шарами из ZrO₂. Затем формуют методом термопластичного литья под давлением заготовки пластин 10×10×4 мм и образцы размером 7×7×70 мм. Спекание проводят в воздушной атмосфере при температуре 1300-1350°С в течение 2-3 часов с темпом нагрева 750-1000°С/ч и охлаждением со скоростью 1000-1100°С/ч. На спеченных образцах методом рентгенофазового анализа измерен фазовый состав, и методом гидростатического взвешивания измеряются плотность и пористость заготовок, и на образцах измеряются механические свойства.

Испытания на износостойкость образцов проводят на серийной машине трения УМТ-1, по схеме «палец - диск», в котором неподвижный испытуемый керамический образец прижимается к вращающемуся диску диаметром 12 мм и торцевой поверхностью трется по плоскости диска, изготовленного из закаленной инструментальной стали У10А (ГОСТ 5950-73) с твердостью HRC 49-52. Давление 5 МПа, скорость скольжения 2 м/с.

Сравнение способов изготовления керамики, физико-механические свойства изделий представлены в таблице.

При осаждении из растворов хлористых солей получается агломерированный порошок (эксперимент № 1), что мешает спечься керамическому материалу до плотного состояния 5,95 г/см³. Если смеси солей имеют удельную поверхность менее 200 м²/г, то при осаждении получается порошок более агломерированный и невозможно получить плотную керамику (эксперимент 2). При испытаниях на износостойкость эти материалы больше изнашиваются, чем материалы (эксперимент 3), полученные при осаждении из смеси солей с удельной поверхностью более 200 м²/г. Если температура спекания керамики из порошка, полученного осаждением из смеси с удельной поверхностью более 200 м²/г больше 1350°С, растет зерно до 2 мкм, что приводит к большей изнашиваемости в условиях сухого трения. Повышение температуры обжига порошка более 1000°С приводит к тому, что керамика не спекается до плотного состояния (эксперимент 4) и появляется моноклинная фаза, что вызывает при трении полиморфное превращение с изменением объема и растрескивание, и в результате наблюдается повышенный износ материала.

Заявляемый способ получения износостойкой керамики на основе диоксида циркония и стабилизирующих оксидов иттрия по сравнению с прототипом имеет ряд преимуществ:

- позволяет при более низких температурах спекания 1300-1350°С получать керамику в тетрагональной фазе с плотностью более 5,95 г/см ³;

- быстрый подъем и резкое охлаждение позволяют получать керамику с наноструктурой до 200 нм, что повышает износостойкость керамики в условиях сухого трения в паре со сталью в десятки раз.