шихта для керамического материала на основе оксидов циркония и алюминия и нитрида циркония

Формула изобретения

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

Описание изобретения к патенту

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, СеО ₂, 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, Y ₂О₃ 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 Аl₂ О₃ 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·м1/2
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