RU2455261C2 - Mixture for ceramic material based on zirconium and aluminium oxides and zirconium nitride - Google Patents

Mixture for ceramic material based on zirconium and aluminium oxides and zirconium nitride Download PDF

Info

Publication number
RU2455261C2
RU2455261C2 RU2010131981/03A RU2010131981A RU2455261C2 RU 2455261 C2 RU2455261 C2 RU 2455261C2 RU 2010131981/03 A RU2010131981/03 A RU 2010131981/03A RU 2010131981 A RU2010131981 A RU 2010131981A RU 2455261 C2 RU2455261 C2 RU 2455261C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
ceramic material
mpa
zirconium
mixture
zrn
Prior art date
Application number
RU2010131981/03A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2010131981A (en
Inventor
Надежда Николаевна Чумакова (RU)
Надежда Николаевна Чумакова
Ольга Валерьевна Кузевич (RU)
Ольга Валерьевна Кузевич
Игорь Борисович Пантелеев (RU)
Игорь Борисович Пантелеев
Сукяс Семенович Орданьян (RU)
Сукяс Семенович Орданьян
Original Assignee
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)" filed Critical Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)"
Priority to RU2010131981/03A priority Critical patent/RU2455261C2/en
Publication of RU2010131981A publication Critical patent/RU2010131981A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2455261C2 publication Critical patent/RU2455261C2/en

Links

Landscapes

  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: invention relates to ceramic material science, particularly to production of ceramic material based on heat-resistant non-oxygen and oxide compounds, characterised by high strength and crack-resistance, and can be used to make a cutting tool, in oil and gas industry (valve devices and sealing rings of pumps), in making nozzle extensions for air-sand blowers and chemical solution sprayers. The ceramic material is obtained from a mixture which contains components in the following ratio, wt %: Al2O3 10-40, ZrN 20-65, ZrO2 - the balance, at sintering temperature 1700-1800°C and nitrogen pressure during sintering of 0.10-0.12 MPa without a complex operation for isostatic moulding using high pressure.
EFFECT: obtaining ceramic material with high crack-resistance (coefficient of intensity of critical stress 7-14 MPa·m1/2 s) and bending strength 650-750 MPa.
1 tbl, 4 ex

Description

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.The invention relates to ceramic materials science, in particular to the production of ceramic materials based on refractory oxygen-free and oxide compounds for high-temperature applications, characterized by high strength, hardness and crack resistance, and can also be used for the manufacture of cutting tools in the oil and gas industry (valve devices and o-rings of pumps), in the manufacture of nozzle nozzles for sandblasting machines and chemical spray guns moat.

Известен ряд решений по технологии и составам керамических материалов на основе оксида алюминия или оксида циркония.A number of solutions are known for the technology and compositions of ceramic materials based on aluminum oxide or zirconium oxide.

В патенте США №4316964 (опубл. 23.02.82) предлагается керамический материал на основе Аl2О3, ZrO2 и добавкой до 2 мас.% таких оксидов, как Y2О3, СеО2, Lа2О3, Еr2О3. Указанный материал обладает хрупкостью и недостаточно высокой прочностью.US patent No. 4316964 (publ. 23.02.82) proposes a ceramic material based on Al 2 O 3 , ZrO 2 and the addition of up to 2 wt.% Such oxides as Y 2 O 3 , CeO 2 , La 2 O 3 , Er 2 About 3 . The specified material has brittleness and insufficiently high strength.

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, Y2О3 и(или) TiN. Недостатком материала является низкая механическая прочность при изгибе (400-480 МПа) и трещиностойкость (5,8-6,1 МПа·м1/2), что ограничивает области применения материала.In Russian patent No. 2336245, IPC С04В 35/488, С04В 35/58, (published on October 20, 2008, Bull. No. 29), the patent holder OJSC COMPOSIT proposes ceramic material containing ZrB 2 and ZrO 2 , characterized in that that it additionally contains ZrN, Y 2 About 3 and (or) TiN. The disadvantage of the material is low mechanical bending strength (400-480 MPa) and crack resistance (5.8-6.1 MPa · m 1/2 ), which limits the scope of the material.

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.The closest in technical essence to the claimed invention is a ceramic material proposed in US patent No. 5916833, IPC С04В 35/56, С04В 35/58, СВВ 35/101, publ. 06/29/1999, patent holder - NGK SPARK PLUG Co Ltd (Japan). In this patent, a ceramic material is proposed, including zirconium and aluminum oxides in a volume ratio of 80:20 (zirconium oxide contains an addition of 3 mol.% Yttrium oxide to stabilize the cubic phase ZrO 2 ), an additional 25-60 vol.% Is added to the charge ZrN. The production method includes co-mixing in a drum mill in an alcohol environment, spray drying, granulation and molding by casting or extrusion, removal of plasticizer at a temperature of 450-530 ° C, sintering at a temperature of 1480-1550 ° C in argon at a pressure of 2-5 atm .

К недостаткам известного способа относится недостаточно высокая трещиностойкость (5,2 МПа·м1/2), что ограничивает области применения материала.The disadvantages of this method include insufficiently high crack resistance (5.2 MPa · m 1/2 ), which limits the scope of the material.

Задачей предлагаемого технического решения является увеличение трещиностойкости керамического материала.The objective of the proposed technical solution is to increase the crack resistance of the ceramic material.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что предлагается шихта для керамического материала, содержащий ZrO2 и ZrN, отличающийся тем, что он дополнительно содержит Аl2О3 при следующем соотношении компонентов, мас.%:The solution to this problem is provided by the fact that the proposed mixture for a ceramic material containing ZrO 2 and ZrN, characterized in that it additionally contains Al 2 About 3 in the following ratio of components, wt.%:

Аl2О3 Al 2 O 3 10-4010-40 ZrNZrn 20-6520-65 ZrO2 ZrO 2 остальное.rest.

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.The preparation of the proposed ceramic material includes mixing and grinding of the starting components, pressing, drying and sintering of the ceramic material at 1700-1800 ° C in a nitrogen atmosphere at a pressure of 0.10-0.12 MPa with holding at a final temperature for 1 hour.

Предлагаемый керамический материал обладает высокой трещиностойкостью (коэффициентом интенсивности критических напряжений 7-14 МПа·м1/2). 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).The proposed ceramic material has a high crack resistance (intensity coefficient of critical stress 7-14 MPa · m 1/2 ). In addition, these properties are achieved at a significantly lower nitrogen pressure during sintering (0.10-0.12 MPa), while forming blanks, a complex casting (or extrusion) operation is not required.

При введении ZrN свыше 20 мас.% происходит частичная или полная стабилизация кубической фазы ZrO2, что увеличивает прочность и термостойкость материала.With the introduction of ZrN in excess of 20 wt.%, Partial or complete stabilization of the cubic phase of ZrO 2 occurs, which increases the strength and heat resistance of the material.

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.The introduction of alumina together with zirconium nitride creates a barrier to diffusion processes, which significantly slows down the recrystallization process during sintering and allows one to obtain materials with a small grain size (1-3) μm, which leads to an increase in strength and crack resistance.

При взаимодействии оксида и нитрида циркония на границе раздела зерен образуются твердые растворы переменного состава (оксинитриды циркония ZrN1-XOX), что приводит к снижению температуры спекания и получения плотноспеченного материала с пористостью 1-2% и менее.During the interaction of zirconium oxide and nitride, solid solutions of variable composition (zirconium oxynitrides ZrN 1-X O X ) are formed at the grain boundary, which leads to a decrease in the sintering temperature and to obtain a densely sintered material with a porosity of 1-2% or less.

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.The level of mechanical and physical properties will make it possible to use the materials of this system as structural, corrosion-resistant, and resistive materials that are stable in contact with molten metals, as coatings and cutters for non-ferrous metals.

Предлагаемое техническое решение обладает новизной, изобретательским уровнем и промышленно применимо. Составы керамического материала и свойства приведены в таблице.The proposed solution has a novelty, inventive step and is industrially applicable. The compositions of the ceramic material and properties are shown in the table.

Примеры осуществления предлагаемого способа.Examples of the proposed method.

Пример 1.Example 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.By co-grinding in a vibration mill to a fineness of 1-2 μm in ethanol with the addition of polyethylene glycol as a plasticizer, a powder mixture is made consisting of 20 wt.% Alumina, 40 wt.% Zirconia and 40 wt.% Zirconium nitride.

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.Samples are pressed from the resulting mixture at a pressure of 100-110 MPa. Sintering is carried out at a temperature of 1750 ° C in a nitrogen atmosphere at a pressure of 0.10-0.42 MPa with exposure at a final temperature for one hour.

(Свойства в таблице)(Properties in the table)

Пример 2.Example 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.The powder mixture consists of 5 wt.% Alumina, 30 wt.% Zirconia and 65 wt.% Zirconium nitride. The sintering temperature in nitrogen is 1700 ° C.

Пример 3.Example 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.The powder mixture consists of 20 wt.% Alumina, 60 wt.% Zirconia and 20 wt.% Zirconium nitride. Sintering temperature in nitrogen medium 1800 ° С.

Пример 4.Example 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.The powder mixture consists of 40 wt.% Alumina, 20 wt.% Zirconia and 40 wt.% Zirconium nitride. Sintering temperature in a nitrogen atmosphere of 1750 ° C.

Указанные примеры приведены в таблице. В таблице приведены также примеры (4, 5) вне заявляемой области и пример по способу-прототипу.These examples are shown in the table. The table also shows examples (4, 5) outside the claimed field and an example of the prototype method.

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.The inventive method allows to obtain high-strength ceramic material for the manufacture of wear-resistant products, with a density of up to 99% of theoretical, grain size of 1-3 microns and, as a consequence, high strength and crack resistance.

ТаблицаTable ШИХТА ДЛЯ КЕРАМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ОКСИДОВ ЦИРКОНИЯ И АЛЮМИНИЯ И НИТРИДА ЦИРКОНИЯMIXTURE FOR CERAMIC MATERIAL BASED ON ZIRCONIUM AND ALUMINUM AND ZIRCONIUM NITRIDES № примераExample No. Содержание компонентов, мас.%The content of components, wt.% Температура спекания, °СSintering temperature, ° С Трещиностойкость, МПа·м1/2 Crack resistance, MPa · m 1/2 Al2O3 Al 2 O 3 ZrO2 ZrO 2 ZrNZrn 1one 20twenty 4040 4040 17501750 14fourteen 22 1010 2525 6565 17001700 1313 33 20twenty 6060 20twenty 18001800 1010 4four 4040 20twenty 4040 17501750 8,18.1 5*5* 88 1212 8080 18201820 5,85.8 6*6 * 4545 4040 15fifteen 16501650 5,55.5 7*7 * 1717 6565 18eighteen 17001700 5,25.2 ПрототипPrototype 15001500 5,15.1 * - Примеры вне заявляемой области* - Examples outside the claimed field

Claims (1)

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
The mixture for a ceramic material with high crack resistance, containing ZrO 2 and ZrN, characterized in that it additionally contains Al 2 O 3 in the following ratio of components, wt.%:
Al 2 O 3 10-40 Zrn 20-65 ZrO 2 rest
RU2010131981/03A 2010-07-29 2010-07-29 Mixture for ceramic material based on zirconium and aluminium oxides and zirconium nitride RU2455261C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010131981/03A RU2455261C2 (en) 2010-07-29 2010-07-29 Mixture for ceramic material based on zirconium and aluminium oxides and zirconium nitride

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010131981/03A RU2455261C2 (en) 2010-07-29 2010-07-29 Mixture for ceramic material based on zirconium and aluminium oxides and zirconium nitride

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2010131981A RU2010131981A (en) 2012-02-27
RU2455261C2 true RU2455261C2 (en) 2012-07-10

Family

ID=45851567

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010131981/03A RU2455261C2 (en) 2010-07-29 2010-07-29 Mixture for ceramic material based on zirconium and aluminium oxides and zirconium nitride

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2455261C2 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3669695A (en) * 1969-11-21 1972-06-13 Du Pont Titanium and/or zirconium nitride based articles of jewelry
US5916833A (en) * 1995-11-07 1999-06-29 Ngk Spark Plug Company Limited Sintered ceramic bodies and ceramic metal working tools
RU2336245C1 (en) * 2007-04-24 2008-10-20 Открытое акционерное общество "Композит" Composite ceramic material for high-temperature application (versions)
RU2355631C1 (en) * 2007-07-24 2009-05-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский политехнический университет Method of metal nitrides preparation

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3669695A (en) * 1969-11-21 1972-06-13 Du Pont Titanium and/or zirconium nitride based articles of jewelry
US5916833A (en) * 1995-11-07 1999-06-29 Ngk Spark Plug Company Limited Sintered ceramic bodies and ceramic metal working tools
RU2336245C1 (en) * 2007-04-24 2008-10-20 Открытое акционерное общество "Композит" Composite ceramic material for high-temperature application (versions)
RU2355631C1 (en) * 2007-07-24 2009-05-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский политехнический университет Method of metal nitrides preparation

Also Published As

Publication number Publication date
RU2010131981A (en) 2012-02-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109516811B (en) Multi-element high-entropy ceramic and preparation method and application thereof
CN104418594B (en) Cubic boron nitride sintered compact cutting element and its manufacturing method
JP2010510162A (en) Metal and metal oxide granules
WO2012060442A1 (en) High rigidity ceramic material and method for producing same
JP5931542B2 (en) Firing member made of zirconia sintered body
US5342564A (en) Rapid sintering method for producing alumina-titanium carbide composites
RU2402507C2 (en) Ceramic material and preparation method thereof
RU2455261C2 (en) Mixture for ceramic material based on zirconium and aluminium oxides and zirconium nitride
JP5458552B2 (en) Highly tough and translucent colored alumina sintered body, method for producing the same, and use
JPH0645389A (en) Bonding tool
RU2336245C1 (en) Composite ceramic material for high-temperature application (versions)
JP2015140277A (en) Method for producing oxide ceramic having water repellency
CN105884375B (en) A kind of Si3N4-TiZrN2The lqiuid phase sintering method of-TiN composite conductive ceramics
JP6160986B1 (en) Ceramic sintered body
JP2023163322A (en) Method for producing zirconia composite ceramic and method for producing zirconia ceramic prosthesis for dental use
KR20190043631A (en) Ceramic parts and method for forming them
RU2498963C1 (en) Mixture of ceramic material for high-temperature use in oxidative media
RU2440952C1 (en) Zircon-based refractory material
JP5825955B2 (en) Method for producing boron nitride / silicon carbide composite sintered body
Yoleva et al. ADDITION ON THERMAL HYSTERESIS OF ALUMINUM TITANATE
JPH0832587B2 (en) Ceramics sintered body and its manufacturing method
RU2498957C1 (en) COMPOSITE CERAMIC MATERIAL IN SiC-Al2O3 SYSTEM FOR HIGH-TEMPERATURE USE IN OXIDATIVE MEDIA
JP6214514B2 (en) Insulation
RU2773973C1 (en) Organic binder for the manufacture of ceramic three-dimensional products using additive technology
JP5791394B2 (en) Method for manufacturing ceramic molded body and method for manufacturing sintered body

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20140730