RU2636336C2

RU2636336C2 - High-strength ceramics

Info

Publication number: RU2636336C2
Application number: RU2016109705A
Authority: RU
Inventors: Николай Владимирович Дедов; Александр Николаевич Жиганов; Сергей Борисович Точилин; Игорь Юрьевич Русаков
Priority date: 2016-03-17
Filing date: 2016-03-17
Publication date: 2017-11-22
Also published as: RU2016109705A

Abstract

FIELD: chemistry.SUBSTANCE: invention relates to the field of ceramics based on zirconium oxide partially stabilized with yttrium oxide and can be used for the production of grinding balls, lining plates, sintering substrates for radio engineering purposes, and implants for prosthetics of human joints. The nanodispersed powder, consisting of 70-80 wt % of high-temperature tetragonal zirconium oxide, 15-25 wt % of aluminium oxide and 4-7 wt % of yttrium oxide, is formed by hydrodynamic pressing at a pressure of 0.4-0.6 GPa for 10s and fired in an oven at a temperature of 900-1100°C in the hydrogen medium.EFFECT: resulting ceramics due to its high strength characteristics can be used for products with increased operational requirements.1 tbl

Description

Изобретение относится к области изготовления высокопрочных материалов, а именно керамики на основе оксида циркония, частично стабилизированной оксидом иттрия, и может использоваться для изготовления размольных шаров для помола особочистых веществ, футеровочных пластин для магнетронного распыления, подложек для спекания деталей радиотехнического назначения, имплантатов для протезирования суставов человека.The invention relates to the field of manufacturing high-strength materials, namely, ceramics based on zirconium oxide, partially stabilized with yttrium oxide, and can be used for the manufacture of grinding balls for grinding especially pure substances, lining plates for magnetron sputtering, substrates for sintering of parts for electronic purposes, implants for prosthetics of joints person.

Известен способ изготовления высокопрочной керамики [SU 1716722 A1, С04В 35/48, опубл. 15.09.92. Бюл. №34] на основе ZrO₂ с добавкой Fe₂O₃. Керамику, содержащую 97 мас.% ZrO₂, 1,5 мас.% Y₂O₃, 1,5 мас.% Fe₂O₃, готовят совместным осаждением аммиаком из водных растворов хлоридов соответствующих металлов. Осадки фильтруют, сушат и прокаливают при температуре 750°С. Прокаленный порошок измельчают в шаровой мельнице мокрого помола с железными шарами. Молотый материал отмывают от железа соляной кислотой с последующей деконтацией дистиллированной водой. Из полученной суспензии шликерным литьем в гипсовые формы формируют изделия, которые обжигают в вакуумной печи, в силитовой печи в потоке кислорода при температуре 1300°С.A known method of manufacturing high-strength ceramics [SU 1716722 A1, С04В 35/48, publ. 09/15/92. Bull. No. 34] based on ZrO ₂ with the addition of Fe ₂ O ₃ . Ceramics containing 97 wt.% ZrO ₂ , 1.5 wt.% Y ₂ O ₃ , 1.5 wt.% Fe ₂ O ₃ , are prepared by co-precipitation with ammonia from aqueous solutions of chlorides of the corresponding metals. The precipitates are filtered, dried and calcined at a temperature of 750 ° C. The calcined powder is ground in a wet ball mill with iron balls. Ground material is washed from iron with hydrochloric acid, followed by decontamination with distilled water. From the suspension obtained, slip casting into plaster molds forms products that are burned in a vacuum furnace, in a silica furnace in an oxygen stream at a temperature of 1300 ° C.

Недостатками способа являются многостадийность процесса получения шликера, недостаточная прочность (1380 МПа) керамических изделий после обжига.The disadvantages of the method are the multi-stage process for producing a slip, insufficient strength (1380 MPa) of ceramic products after firing.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является изобретение «Шихта для изготовления керамики» [RU 2164503, С04В 35/488, С04В 35/119, опубл. 27.03.2001, бюл. №7]. Шихта содержит плазмохимическую смесь оксида алюминия, диоксида циркония, стабилизирующей его добавки и оксида лития при следующем соотношении компонентов, мас.%: оксид лития 0,15-0,35; оксид алюминия 1,9-76,0; диоксид циркония стабилизированный - остальное. Предел прочности при изгибе образцов керамики, полученных из шихты, составлял до 1180 МПа.The closest analogue to the present invention is the invention, "The mixture for the manufacture of ceramics" [RU 2164503, С04В 35/488, С04В 35/119, publ. 03/27/2001, bull. No. 7]. The mixture contains a plasma-chemical mixture of alumina, zirconia, stabilizing additives and lithium oxide in the following ratio of components, wt.%: Lithium oxide 0.15-0.35; alumina 1.9-76.0; stabilized zirconia - the rest. The bending strength of ceramic samples obtained from a mixture was up to 1180 MPa.

Предлагаемый состав шихты не обеспечивает получения керамического материала с более высокими прочностными характеристиками.The proposed composition of the charge does not provide ceramic material with higher strength characteristics.

Задачей изобретения является получение керамических изделий с более высокими прочностными характеристиками.The objective of the invention is to obtain ceramic products with higher strength characteristics.

Поставленная задача решается тем, что высокопрочную керамику получают из порошкообразной плазмохимической смеси, состоящей из нанодисперсного порошка кубического и тетрагонального оксида циркония 70-80 мас.%, оксида алюминия 15-25 мас.%, оксида иттрия 4-7 мас.% и пластификатора, смесь формуют гидродинамическим прессованием при давлении (0,4-0,6) ГПа, длительность нагружения 10^-2 с, и обжигают при температуре 900-1100°С в среде водорода.The problem is solved in that high-strength ceramics are obtained from a powdery plasma-chemical mixture consisting of nanodispersed powder of cubic and tetragonal zirconium oxide 70-80 wt.%, Alumina 15-25 wt.%, Yttrium oxide 4-7 wt.% And plasticizer, the mixture is formed by hydrodynamic pressing at a pressure of (0.4-0.6) GPa, a loading duration of 10 ^-2 s, and calcined at a temperature of 900-1100 ° C in a hydrogen medium.

Изделия из высокопрочной керамики получают следующим образом.Products made of high strength ceramics are prepared as follows.

Готовят исходный водный раствор из нитратов циркония, алюминия и иттрия с заданными концентрациями и распыляют его в потоке низкотемпературной воздушной плазмы. В результате денитрации распыленного раствора в условиях низкотемпературной плазмы образуется нанодисперсный порошок из высокотемпературного кубического и тетрагонального оксида циркония, оксида алюминия и оксида иттрия с размерами частиц до 20 нм. Порошок выделяют из газового потока, составляют шихту и формуют из нее изделия. Для этого шихту подвергают гидродинамическому прессованию, например на гидродинамической машине ГДМ-190/700, в заданной форме при давлении 0,4-0,6 ГПа при длительности нагружения 10^-2 с и обжигают в печи при температуре 900-1100°С в среде водорода.An initial aqueous solution is prepared from zirconium, aluminum and yttrium nitrates with predetermined concentrations and sprayed in a stream of low-temperature air plasma. As a result of denitration of a sprayed solution in a low-temperature plasma, a nanodispersed powder is formed from high-temperature cubic and tetragonal zirconium oxide, aluminum oxide, and yttrium oxide with particle sizes up to 20 nm. The powder is isolated from the gas stream, the mixture is made and products are formed from it. To do this, the mixture is subjected to hydrodynamic pressing, for example, on a hydrodynamic machine GDM-190/700, in a predetermined form at a pressure of 0.4-0.6 GPa with a loading duration of 10 ^-2 s and burned in an oven at a temperature of 900-1100 ° C in an environment hydrogen.

В ходе проведения опытов получали керамические образцы прямоугольной формы с размерами 50×5×5 мм. Образцы шлифовали, определяли предел прочности при изгибе. Результаты опытов представлены в таблице.In the course of the experiments, rectangular ceramic samples with dimensions of 50 × 5 × 5 mm were obtained. The samples were ground, the ultimate tensile strength was determined. The results of the experiments are presented in the table.

Кроме пластин были получены изделия типа «шар», «цилиндр» и «диск». Относительная плотность спрессованных образцов составляла 48-70%, после обжига - 67-99,8%, микротвердость 16-19 ГПа, предел прочности при сжатии 2200 МПа.In addition to the plates, “ball”, “cylinder” and “disk” type products were obtained. The relative density of the pressed samples was 48-70%, after firing - 67-99.8%, the microhardness was 16-19 GPa, and the compressive strength was 2200 MPa.

Из таблицы видно, что предлагаемый способ получения высокопрочной керамики с заявляемым составом и указанными параметрами спекания позволяет получать высокопрочную керамику.The table shows that the proposed method for producing high-strength ceramics with the claimed composition and the specified sintering parameters allows to obtain high-strength ceramics.

Благодаря высоким прочностным характеристикам керамика может быть использована для изделий с повышенными эксплуатационными требованиями, например размольных шаров для помола особо чистых веществ, футеровочных пластин для магнетронного распыления, подложек для спекания деталей радиотехнического назначения, имплантатов для протезирования суставов человека.Due to its high strength characteristics, ceramics can be used for products with increased operational requirements, for example, grinding balls for grinding highly pure substances, lining plates for magnetron sputtering, substrates for sintering parts for radio engineering purposes, implants for prosthetics of human joints.

Высокопрочная керамикаHigh strength ceramic

Claims

High strength ceramic from a powdery plasma-chemical mixture, characterized in that the mixture consists of nanodispersed powder of tetragonal zirconium oxide 70-80 wt.%, Alumina 15-25 wt.% And yttrium oxide 4-7 wt.%, The mixture is molded by hydrodynamic pressing under pressure 0.4-0.6 GPa, a loading duration of 10 ^-2 s, and burn at a temperature of 900-1100 ° C in a hydrogen medium.