RU2411217C1 - Method of producing wear resistant ceramic - Google Patents
Method of producing wear resistant ceramic Download PDFInfo
- Publication number
- RU2411217C1 RU2411217C1 RU2009140333/03A RU2009140333A RU2411217C1 RU 2411217 C1 RU2411217 C1 RU 2411217C1 RU 2009140333/03 A RU2009140333/03 A RU 2009140333/03A RU 2009140333 A RU2009140333 A RU 2009140333A RU 2411217 C1 RU2411217 C1 RU 2411217C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sintering
- ceramic
- temperature
- carried out
- powder
- Prior art date
Links
Landscapes
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Abstract
Description
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.The invention relates to a method for manufacturing wear-resistant ceramics based on zirconia partially stabilized by yttrium oxide obtained by chemical deposition, and can be used in the manufacture of parts of tribological use as dies, dies, bearings of rotation shafts in pumps for pumping abrasive liquids (oil, etc.) ), friction units operating under conditions of increased thermomechanical loads, ceramic connectors of fiber-optic communication lines.
Керамика на основе диоксида циркония обладает низким коэффициентом трения, высокой твердостью, прочностью, износостойкостью.Zirconia-based ceramics have a low coefficient of friction, high hardness, strength, and wear resistance.
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.It is known that materials based on partially stabilized zirconia with yttrium oxide under friction under the influence of shear stresses arising from friction can initiate the polymorphic transformation of the tetragonal phase into a monoclinic one. This transformation occurs with an increase in volume, which leads to microcracking and destruction of the ceramic material.
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.This problem is solved in the invention (RF patent No. 2194028, C04B 35/486, December 10, 2002) by obtaining in the structure of a zirconia-based ceramic partially transformed tetragonal t 'phase partially stabilized (3 mol%) with yttrium oxide, due to which they increase thermomechanical properties. The structure of this material consists of large grains of 70-100 μm in a cubic crystalline phase with nanoscale inclusions of a transformable tetragonal crystalline phase. This method allows to obtain wear-resistant ceramics in conditions of friction with lubricant, but is not suitable for dry friction in contact with metal. In conditions of dry friction, products manufactured by this method, there is a large wear of the surface. The reason for this is the degradation of the material due to the reverse transition of the t 'phase to the tetragonal phase, and that in turn to the monoclinic phase.
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.There is another way to increase the wear resistance of the surface of ceramic products based on zirconia, RF patent No. 2287503 C1, CB 35/48, 11/20/2006. The technical effect of increasing the wear resistance is achieved by the fact that after sintering ceramics based on zirconia stabilized with yttrium oxide, the surface is irradiated with 1-10 pulses of an electron beam with an energy of 15-30 keV, a pulse duration of 30-100 μs and a density of 40-100 A / cm 2 . The yttrium oxide stabilized zirconia powder was prepared by mixing oxides and firing to obtain a solid solution at high temperature (1700 ° C). For this reason, the sintering of ceramics had to be carried out at a high temperature of 1750 ° C in vacuum. The grain size of this material is in the range of 50-100 μm, the level of wear resistance is not sufficient for using ceramics in dry friction in contact with metal for a long time, and materials with such a large grain are subject to degradation due to monoclinic-tetragonal transition.
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.The closest in technical essence to the claimed method is a method of manufacturing a high-strength ceramic material, RF patent No. 1349199 A1 СВВ 35/48, published September 27, 2000. This method of manufacturing a high-strength ceramic material based on tetragonal zirconium dioxide involves obtaining the initial powder by chemical deposition from salt solutions, molding products firing according to the following regime: heating at a speed of 20-50 ° C / h to 1400-1440 ° C; heating at a speed of 120 ° C / h to 1505-1515 ° C; exposure at the final temperature does not exceed 20 minutes.
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.The ceramic material obtained by this method has a low density, fracture toughness and a large size of structural elements (> 3 μm), the level of wear resistance is not sufficient for using ceramics in dry friction in contact with metal for a long time.
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.The aim of the invention is to obtain a material based on zirconium dioxide with high density values, with a nanostructure that provides increased strength properties (K1s) and wear resistance under conditions of dry friction in contact with steel for a long time.
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.The goal is achieved by ball grinding a mixture of zirconium and yttrium salts to a specific surface of at least 200 m 2 / g, with further heat treatment of the powders at a temperature of 900-1000 ° C, followed by molding and final sintering, with a heating rate of 750-1000 ° C / h to a maximum temperature of 1300-1350 ° C, with exposure at this temperature for 2-3 hours, followed by cooling at a speed of 1000-1100 ° C / h, with an apparent density of at least 5.95 g / cm 3 , 100 % of the tetragonal phase and the size of the structural elements of the ceramic material up to 200 nm.
Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.
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.To obtain a ceramic material based on partially stabilized zirconia composition: (ZrO 2 + 3 mol.% Y 2 O 3 ) 94 wt.% ZrO 2 + 6 wt.% Y 2 O 3 prepare a mixture of salts in an amount of 2500 g of zirconium chloride, 160 g of yttrium chloride. The mixture and grinding balls of zirconia in an amount equal to 1: 3 are placed in a ball mill with a lining of zirconia for grinding to a specific surface area of at least 200 m 2 / g, measured by the BET method. The resulting mixture of salts is placed in a chemical reactor and, with a constant speed, 10 l of a 3% aqueous ammonia solution are fed into the precipitator with constant stirring. The resulting suspension is washed with distilled water to a pH of 7 from chloride salts. A suspension with a concentration of 15-20% solids is placed in a spray dryer with an outlet temperature of 100-120 ° C and dried. The resulting mixture of hydroxides is calcined at a temperature of 900-1000 ° C with holding at these temperatures for 2 hours and ground in a ball mill with a lining and grinding balls of ZrO 2 . Then formed by thermoplastic injection molding of the blanks of the plates 10 × 10 × 4 mm and samples with a size of 7 × 7 × 70 mm Sintering is carried out in an air atmosphere at a temperature of 1300-1350 ° C for 2-3 hours with a heating rate of 750-1000 ° C / h and cooling at a speed of 1000-1100 ° C / h. The phase composition was measured on sintered samples by X-ray phase analysis, and the density and porosity of the workpieces were measured by hydrostatic weighing, and mechanical properties were measured on the samples.
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.Tests on the wear resistance of the samples are carried out on a serial friction machine UMT-1, according to the "finger-disk" scheme, in which a stationary test ceramic sample is pressed against a rotating disk with a diameter of 12 mm and rubs the end surface along the plane of a disk made of hardened tool steel U10A (GOST 5950-73) with a hardness of HRC 49-52. Pressure 5 MPa, sliding speed 2 m / s.
Сравнение способов изготовления керамики, физико-механические свойства изделий представлены в таблице.Comparison of ceramic manufacturing methods, physical and mechanical properties of products are presented in the table.
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.When precipitated from solutions of chloride salts, an agglomerated powder is obtained (experiment No. 1), which prevents the ceramic material from sintering to a dense state of 5.95 g / cm 3 . If salt mixtures have a specific surface area of less than 200 m 2 / g, then precipitation produces a powder more agglomerated and it is impossible to obtain dense ceramics (experiment 2). When tested for wear resistance, these materials wear out more than materials (experiment 3) obtained by precipitation from a mixture of salts with a specific surface area of more than 200 m 2 / g. If the sintering temperature of ceramic from a powder obtained by precipitation from a mixture with a specific surface area of more than 200 m 2 / g is greater than 1350 ° C, the grain grows to 2 μm, which leads to greater wear under dry friction. An increase in the powder firing temperature of more than 1000 ° C leads to the fact that the ceramics do not sinter to a dense state (experiment 4) and a monoclinic phase appears, which causes friction polymorphic transformation with a change in volume and cracking, and as a result, increased wear of the material is observed.
Заявляемый способ получения износостойкой керамики на основе диоксида циркония и стабилизирующих оксидов иттрия по сравнению с прототипом имеет ряд преимуществ:The inventive method for producing wear-resistant ceramics based on zirconia and stabilizing yttrium oxides in comparison with the prototype has several advantages:
- позволяет при более низких температурах спекания 1300-1350°С получать керамику в тетрагональной фазе с плотностью более 5,95 г/см3;- allows at lower sintering temperatures 1300-1350 ° C to obtain ceramics in the tetragonal phase with a density of more than 5.95 g / cm 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.- fast rise and rapid cooling make it possible to obtain ceramics with a nanostructure up to 200 nm, which increases the wear resistance of ceramics under conditions of dry friction paired with steel tens of times.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009140333/03A RU2411217C1 (en) | 2009-11-03 | 2009-11-03 | Method of producing wear resistant ceramic |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009140333/03A RU2411217C1 (en) | 2009-11-03 | 2009-11-03 | Method of producing wear resistant ceramic |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2411217C1 true RU2411217C1 (en) | 2011-02-10 |
Family
ID=46309234
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2009140333/03A RU2411217C1 (en) | 2009-11-03 | 2009-11-03 | Method of producing wear resistant ceramic |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2411217C1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2494077C1 (en) * | 2012-02-22 | 2013-09-27 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт-Тантал" (ОАО "НИИ-Тантал") | Method of making zirconium dioxide-based ceramic articles |
RU2513973C1 (en) * | 2012-09-10 | 2014-04-20 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации | Method of producing zirconium dioxide-based ceramic material |
RU2684793C2 (en) * | 2014-02-21 | 2019-04-15 | Политекнико Ди Торино | Process for producing zirconia-based multi-phasic ceramic composites |
-
2009
- 2009-11-03 RU RU2009140333/03A patent/RU2411217C1/en active
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2494077C1 (en) * | 2012-02-22 | 2013-09-27 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт-Тантал" (ОАО "НИИ-Тантал") | Method of making zirconium dioxide-based ceramic articles |
RU2513973C1 (en) * | 2012-09-10 | 2014-04-20 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации | Method of producing zirconium dioxide-based ceramic material |
RU2684793C2 (en) * | 2014-02-21 | 2019-04-15 | Политекнико Ди Торино | Process for producing zirconia-based multi-phasic ceramic composites |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Gupta et al. | Stabilization of tetragonal phase in polycrystalline zirconia | |
Krell et al. | The influence of shaping method on the grain size dependence of strength in dense submicrometre alumina | |
Meng et al. | Densification and mechanical properties of fine-grained Al2O3–ZrO2 composites consolidated by spark plasma sintering | |
Azhar et al. | Effects of Cr2O3 addition on the mechanical properties, microstructure and wear performance of zirconia-toughened-alumina (ZTA) cutting inserts | |
KR20090082423A (en) | Granules of metals and metal oxides | |
Ivanov et al. | YAG and Y 2 O 3 laser ceramics from nonagglomerated nanopowders | |
Olhero et al. | Aqueous colloidal processing of ZTA composites | |
RU2411217C1 (en) | Method of producing wear resistant ceramic | |
JP4670227B2 (en) | Zirconia ceramics and manufacturing method thereof | |
Sivakumar et al. | Effect of sintering profiles on the properties and ageing resistance of Y-TZP ceramic | |
RU2536593C1 (en) | Method of producing zirconium dioxide-based ceramic for restoration dentistry | |
Pyda et al. | CaO-containing tetragonal ZrO2 polycrystals (Ca-TZP) | |
RU2681788C2 (en) | Ceramic material and method for its obtaining | |
RU2569113C1 (en) | Composite ceramic material and method for production thereof | |
Lee et al. | Low-temperature degradation behaviour of microwave sintered CuO-doped Y-TZP ceramics | |
Danilenko et al. | Effect of small amount of alumina on structure, wear and mechanical properties of 3Y-TZP ceramics | |
McMillen et al. | Designed extrudate for additive manufacturing of zirconium diboride by ceramic on-demand extrusion | |
EP1621526A1 (en) | A method of preparing nanostructured composite ceramic materials | |
Porozova et al. | Influence of matrix replacement on consolidation processes of composite ceramic materials of ZrO 2-Al 2 O 3 system | |
Sultana et al. | Yttria stabilized tetragonal zirconia ceramics: preparation, characterization and applicationspplications | |
RU2545578C1 (en) | Method of making ceramic articles | |
RU2491253C1 (en) | Method of making workpieces of ceramic products | |
JP2008150220A (en) | Alumina-zirconia composite powder and method for manufacturing the same | |
RU2757607C1 (en) | Method for preparing 21r-sialon ceramics | |
Kul’met’eva et al. | Preparation of zirconia ceramics from powder synthesized by a sol-gel method |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20120926 |
|
PD4A | Correction of name of patent owner |