RU2701765C1 - Method of producing nanostructured composite ceramics based on zirconium, aluminum and silicon oxides - Google Patents

Method of producing nanostructured composite ceramics based on zirconium, aluminum and silicon oxides Download PDF

Info

Publication number
RU2701765C1
RU2701765C1 RU2018134249A RU2018134249A RU2701765C1 RU 2701765 C1 RU2701765 C1 RU 2701765C1 RU 2018134249 A RU2018134249 A RU 2018134249A RU 2018134249 A RU2018134249 A RU 2018134249A RU 2701765 C1 RU2701765 C1 RU 2701765C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
composite ceramics
zirconium
temperature
corundum
mixture
Prior art date
Application number
RU2018134249A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Александрович Дмитриевский
Дарья Геннадиевна Жигачева
Андрей Олегович Жигачев
Александр Иванович Тюрин
Владимир Михайлович Васюков
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина"
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 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина" filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина"
Priority to RU2018134249A priority Critical patent/RU2701765C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2701765C1 publication Critical patent/RU2701765C1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00Manufacture or treatment of nanostructures
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/48Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on zirconium or hafnium oxides, zirconates, zircon or hafnates
    • C04B35/486Fine ceramics
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/48Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on zirconium or hafnium oxides, zirconates, zircon or hafnates
    • C04B35/486Fine ceramics
    • C04B35/488Composites
    • C04B35/4885Composites with aluminium oxide
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/64Burning or sintering processes

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)

Abstract

FIELD: manufacturing technology.
SUBSTANCE: invention relates to methods of producing high-strength materials, specifically composite ceramics based on stabilized zirconium dioxide and corundum with the addition of silicon dioxide. Invention can be used in production of strong and wear-resistant parts for various industries, including those operating under conditions of high temperatures and corrosive media (draw plates, drawing dies, bearings, rollers, grinding balls, pistons of brake discs, etc.), and products for medicine (cutting tools for surgery, implants for prosthetics, etc.). To obtain nanostructured composite ceramics based on oxides of zirconium, aluminum and silicon by mechanical method, mixing nanodispersed powders of synthetic zirconium dioxide (89.68–90.17 wt%), calcium oxide (2.84–2.85 wt%), corundum (4.87–4.9 wt%) and silicon dioxide (2.08–2.61 wt%). Obtained mixture is dispersed and homogenized in distilled water, grinding is performed in a planetary mill, the mixture is dried in a furnace at temperature of 80 °C. Sample is molded by uniaxial pressing at pressure of 500 MPa. Sintering is performed in two-step mode: first, at 1,300 °C, then reducing temperature to 1,200 °C and maintained for 4 hours.
EFFECT: obtaining composite ceramics with high ratio of hardness and fracture toughness.
1 cl, 2 dwg, 2 tbl, 2 ex

Description

Изобретение относится к способам получения высокопрочных материалов, а именно композиционной керамики на основе стабилизированного диоксида циркония и корунда с добавлением диоксида кремния. Композиционная керамика на основе диоксида циркония (ZrO2) и оксида алюминия (Al2O3) обладает уникальным комплексом механических свойств, химической, термической и радиационной стойкостью, а также биоинертностью. Это обуславливает ее широкую востребованность в металлургии, машиностроении, атомной, добывающей, перерабатывающей, электротехнической и легкой промышленности и медицине.The invention relates to methods for producing high-strength materials, namely, composite ceramics based on stabilized zirconia and corundum with the addition of silicon dioxide. Composite ceramics based on zirconia (ZrO 2 ) and alumina (Al 2 O 3 ) have a unique combination of mechanical properties, chemical, thermal and radiation resistance, as well as bioinertness. This leads to its widespread demand in metallurgy, mechanical engineering, nuclear, mining, processing, electrical and light industries and medicine.

Известен способ получения керамического композитного материала на основе оксидов алюминия и циркония [RU 2549945 С2, опубл. 10.05.2015 Бюл. №13]. В этом способе стабилизацию диоксида циркония в тетрагональной фазе проводят механическим способом: смешивают в активаторе соль циркония и стабилизатор (соль редкоземельного элемента). Затем смесь термообрабатывают при температуре 500-600°С в течение 1-3 часов. Содержание оксида редкоземельного элемента составляет 3-10 мол. % от содержания диоксида циркония в пересчете на оксиды. В активаторе по отдельности измельчают полученный стабилизированный диоксид циркония и оксид алюминия с добавкой карбоната магния, затем их смешивают. Формование изделий производят методом осевого прессования при давлении 190-300 МПа, а обжиг проводят при температуре 1550-1600°С в течение 1-3 часов. Измельчение и смешивание всех компонентов выполняют в высокоскоростном активаторе при ускорении мелющих тел не менее 10 g. Мокрое измельчение смеси оксида алюминия и карбоната магния проводят до размера частиц менее 100 нм.A known method of producing a ceramic composite material based on oxides of aluminum and zirconium [RU 2549945 C2, publ. 05/10/2015 Bull. No. 13]. In this method, the stabilization of zirconium dioxide in the tetragonal phase is carried out mechanically: the zirconium salt and the stabilizer (rare earth salt) are mixed in the activator. Then the mixture is heat treated at a temperature of 500-600 ° C for 1-3 hours. The content of rare earth oxide is 3-10 mol. % of the content of zirconium dioxide in terms of oxides. In the activator, the obtained stabilized zirconia and alumina with the addition of magnesium carbonate are crushed separately, then they are mixed. The products are molded by axial pressing at a pressure of 190-300 MPa, and firing is carried out at a temperature of 1550-1600 ° C for 1-3 hours. Grinding and mixing of all components is performed in a high-speed activator with acceleration of grinding media of at least 10 g. Wet grinding of a mixture of aluminum oxide and magnesium carbonate is carried out to a particle size of less than 100 nm.

Недостаток способа состоит в использовании высокотемпературного спекания, что неэкономично и вызывает рост размера зерен диоксида циркония, а также в низкой вязкости разрушения получаемой композиционной керамики (5,4 МПа⋅м1/2 ≤ К ≤ 8 МПа⋅м1/2).The disadvantage of this method is the use of high-temperature sintering, which is uneconomical and causes an increase in the grain size of zirconium dioxide, as well as in the low fracture toughness of the resulting composite ceramic (5.4 MPa⋅ 1/2 ≤ K 1C ≤ 8 MPa⋅ 1/2 ).

Известен способ получения керамики горячим прессованием порошка, состоящего из альфа-окиси алюминия с размером частиц 0,1-2,0 (0,6) микрона и окиси циркония, стабилизированной (допированной) иттрием с размером частиц ≤ 0,1 микрона [JP Н04-002613, 07.01.1992]. Для получения порошка с равномерным распределением компонент смеси использовали шаровую мельницу, в которой осуществляли помол предварительно синтезированных грубых порошков альфа-окиси алюминия и допированной иттрием окиси циркония. При этом альфа-окись алюминия брали в виде готового порошка, а порошок окиси циркония, допированной иттрием, получали путем осаждения из смешанного раствора окси-хлорида циркония и хлорида иттрия. Готовые изделия получали путем изостатического горячего прессования при температурах 1200-1600°С.A known method of producing ceramics by hot pressing a powder consisting of alpha-alumina with a particle size of 0.1-2.0 (0.6) microns and zirconium oxide stabilized (doped) with yttrium with a particle size of ≤ 0.1 microns [JP H04 -002613, 01/07/1992]. To obtain a powder with a uniform distribution of the components of the mixture, a ball mill was used in which the previously synthesized coarse alpha-alumina and doped with yttrium zirconium coarse powders were ground. In this case, alpha alumina was taken in the form of a finished powder, and yttrium doped zirconia powder was obtained by precipitation from a mixed solution of zirconium oxychloride and yttrium chloride. Finished products were obtained by isostatic hot pressing at temperatures of 1200-1600 ° C.

Основным недостатком данного способа является использование хлоридов, и, следовательно, наличие в керамике остаточного хлора, негативно отражающегося на рабочих характеристиках изделий. Кроме того, используемые высокие температуры спекания способствуют росту зерна [Edelstein A.S., Cammarata R.C. Nanomaterials, synthesis, properties, applications. Institute of Physics Publishing, Bristol, 1998, 593 p.], что таже негативно сказывается на механических свойствах получаемой керамики.The main disadvantage of this method is the use of chlorides, and, therefore, the presence in the ceramics of residual chlorine, which negatively affects the performance of the products. In addition, the high sintering temperatures used contribute to grain growth [Edelstein A.S., Cammarata R.C. Nanomaterials, synthesis, properties, applications. Institute of Physics Publishing, Bristol, 1998, 593 p.], Which also negatively affects the mechanical properties of the resulting ceramics.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является изобретение «Способ получения изделий из высокопрочной керамики» [RU 2636336 С2, опубл. 22.11.2017 Бюл. №33]. В этом изобретении 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 восстанавливающей среде.The closest analogue to the invention is the invention "A method of obtaining products from high strength ceramics" [RU 2636336 C2, publ. 11/22/2017 Bull. No. 33]. In this invention, 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 reducing medium.

Недостатками данного способа получения керамического композиционного материала являются техническая сложность подготовки плазмохимического нанодисперсного порошка, необходимость спекания в среде водорода, значительный разброс относительной плотности образцов (67-99,8%), а также недостаточная прочность при сжатии (не более 2200 ГПа).The disadvantages of this method of obtaining a ceramic composite material are the technical complexity of preparing a plasma-chemical nanosized powder, the need for sintering in a hydrogen medium, a significant variation in the relative density of the samples (67-99.8%), and insufficient compressive strength (not more than 2200 GPa).

Задачей изобретения является получение высокопрочной наноструктурированной композиционной керамики на основе оксидов циркония, алюминия, кальция и кремния, с высоким соотношением микротвердости и вязкости разрушения, высокой плотностью и прочностью на сжатие.The objective of the invention is to obtain a high-strength nanostructured composite ceramic based on oxides of zirconium, aluminum, calcium and silicon, with a high ratio of microhardness and fracture toughness, high density and compressive strength.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в заявленном способе получения композиционной керамики в качестве стабилизатора тетрагональной фазы ZrO2 используется менее дорогостоящий оксид кальция; спекание керамики осуществляется при сравнительно низких температурах (≤1300°С), что, во-первых, позволяет снизить термостимулированный рост зерна, и, во-вторых, уменьшает затраты на оборудование (высокотемпературные печи) и на энергопотребление; а также в композит вводится дополнительный компонент - диоксид кремния (в концентрации 2,08-2,61 вес. %), обеспечивающий снижение механических напряжений на тройных стыках зерен ZrO2 и Al2O3, и, соответственно, повышающий соотношение микротвердости и вязкости разрушения материала и существенно увеличивающий прочность на сжатие.The problem is solved due to the fact that in the claimed method for producing composite ceramics, less expensive calcium oxide is used as a stabilizer of the tetragonal phase ZrO 2 ; sintering of ceramics is carried out at relatively low temperatures (≤1300 ° C), which, firstly, allows to reduce thermostimulated grain growth, and, secondly, reduces the cost of equipment (high-temperature furnaces) and energy consumption; and also an additional component is introduced into the composite - silicon dioxide (at a concentration of 2.08-2.61 wt.%), which provides a reduction in mechanical stresses at the triple joints of ZrO 2 and Al 2 O 3 grains, and, accordingly, increases the ratio of microhardness and viscosity fracture of the material and significantly increasing compressive strength.

Путем комбинирования диоксида циркония, обладающего рекордными для оксидных керамик значениями вязкости разрушения, и корунда, имеющего высокую твердость, достигают высоких соотношений твердости и трещиностойкости композиционных керамик. Это обеспечивается за счет одновременного действия трансформационного и дисперсионного механизмов упрочнения.By combining zirconia, which has record breaking fracture toughness values for oxide ceramics, and corundum having high hardness, high ratios of hardness and crack resistance of composite ceramics are achieved. This is ensured by the simultaneous action of transformational and dispersion hardening mechanisms.

Трансформационный механизм упрочнения, присущий диоксиду циркония обусловлен фазовым переходом тетрагональной фазы t-ZrO2 (метастабильной при комнатной температуре) в термодинамически устойчивую моноклинную фазу m-ZrO2. Такой переход сопровождается изменением удельного объема указанных фаз и возникновением сжимающих механических напряжений, тормозящих распространение трещин. Для стабилизации тетрагональной фазы при комнатной температуре обычно в диоксид циркония вводят добавки (стабилизаторы) Y2O3, CeO2, MgO и др. Предлагаемая стабилизация тетрагональной фазы t-ZrO2 введением СаО менее изучена, но обладает существенным потенциалом практического использования вследствие дешевизны и доступности оксида кальция.The transformation mechanism of hardening inherent in zirconia is due to the phase transition of the tetragonal phase t-ZrO 2 (metastable at room temperature) to the thermodynamically stable monoclinic phase m-ZrO 2 . Such a transition is accompanied by a change in the specific volume of these phases and the occurrence of compressive mechanical stresses that inhibit the propagation of cracks. To stabilize the tetragonal phase at room temperature, additives (stabilizers) Y 2 O 3 , CeO 2 , MgO, etc. are usually introduced into zirconia. The proposed stabilization of the tetragonal phase t-ZrO 2 by the introduction of CaO is less studied, but has significant potential for practical use due to its low cost and the availability of calcium oxide.

В основе дисперсионного механизма упрочнения лежит диссипация энергии распространяющейся трещины в результате ее отклонения от начального направления при «столкновении» с более твердыми вкраплениями (частицами) инородного материала. Повышение содержания мелкодисперсных частиц корунда в матрице диоксида циркония усиливает роль механизма дисперсионного упрочнения композита. Однако, увеличение содержания корунда эквивалентно уменьшению в композите концентрации диоксида циркония, что приводит к уменьшению вклада трансформационного механизма упрочнения материала. Введение незначительных количеств других добавок, заполняющих межзеренное пространство также может способствовать улучшению рабочих характеристик керамики.The dispersion mechanism of hardening is based on the dissipation of the energy of a propagating crack as a result of its deviation from the initial direction during a “collision” with harder inclusions (particles) of foreign material. An increase in the content of finely dispersed corundum particles in the zirconia matrix enhances the role of the dispersion hardening mechanism of the composite. However, an increase in the content of corundum is equivalent to a decrease in the concentration of zirconia in the composite, which leads to a decrease in the contribution of the transformation mechanism of hardening of the material. The introduction of minor amounts of other additives filling the intergranular space can also contribute to improving the performance of ceramics.

Таким образом, варьирование состава (соотношения концентраций ZrO2 и Al2O3, а также типа и концентрации стабилизатора и других добавок) и структуры (за счет технологических параметров помола, формования и спекания) композиционной керамики позволяет управлять ее свойствами (оптимизировать соотношение твердость/трещиностойкость, повышать прочность на сжатие и пр.).Thus, varying the composition (the ratio of the concentrations of ZrO 2 and Al 2 O 3 , as well as the type and concentration of the stabilizer and other additives) and the structure (due to the technological parameters of grinding, molding and sintering) of the composite ceramic can control its properties (optimize the ratio hardness / crack resistance, increase compressive strength, etc.).

Предлагаемый способ получения высокопрочной композиционной керамики основывается на оптимизации (с точки зрения рабочих характеристик и затрат на ее производство) соотношения концентраций основных компонентов (ZrO2, Al2O3, СаО) и вводимой добавки SiO2, а также параметров помола, формования и спекания. Особенностями предлагаемого способа являются, во-первых, введение мелкодисперсных частиц SiO2 в состав смеси для получения керамики, во-вторых, использование СаО в качестве стабилизатора тетрагональной фазы диоксида циркония, в-третьих, снижение температуры спекания керамики.The proposed method for producing high-strength composite ceramics is based on the optimization (in terms of performance and production costs) of the ratio of the concentrations of the main components (ZrO 2 , Al 2 O 3 , CaO) and the added SiO 2 additive, as well as grinding, molding and sintering parameters . The features of the proposed method are, firstly, the introduction of fine particles of SiO 2 in the composition of the mixture to obtain ceramics, secondly, the use of CaO as a stabilizer of the tetragonal phase of zirconia, and thirdly, a decrease in the sintering temperature of ceramics.

Наноструктурированную композиционную керамику на основе оксидов циркония, алюминия и кремния получают следующим образом. Согласно Таблице 1, смешивают компоненты композита в виде мелкодисперстных порошков синтетического диоксида циркония (89,68-90,17 вес. %), оксида кальция (2,84-2,85 вес. %), корунда (4,87 - 4,9 вес. %) и диоксида кремния (2,08-2,61 вес. %). Полученную смесь порошков диспергируют в дистиллированной воде (в массовом соотношении 1:3) и гомогенизируют при помощи ультразвука. Производят помол в планетарной мельнице в течение 5 ч. Затем следует усушка смеси в печи (в воздушной атмосфере) при температуре T0=80°С в течение 24 ч. Формовку образцов осуществляют путем одноосного сухого прессования при давлении 500 МПа в течение 30 с. Спекание композиционной керамики проводят на воздухе в двухстадийном режиме. На первом этапе образцы нагревают до температуры Т1=1300°С. Затем, температуру снижают до T2=1200°С и выдерживают в течение 4 ч. Заявляемый способ позволяет производить спекание в воздушной среде (при температуре на несколько сотен градусов ниже традиционно используемых при спекании композиционной керамики на основе ZrO2-Al2O3 [J. Fan, Т. Lin, F. Hu, Yi Yu, M. Ibrahim, R. Zheng, Sh. Huang, J. Ma, Effect of sintering temperature on microstructure and mechanical properties of zirconia-toughened alumina machinable dental ceramics // Ceramics International. 2017. V. 43. №4. P. 3647-3653.]), что обеспечивает упрощение технологии и снижение затрат на производство керамики.Nanostructured composite ceramics based on zirconium, aluminum and silicon oxides are prepared as follows. According to Table 1, the components of the composite are mixed in the form of fine powders of synthetic zirconia (89.68-90.17 wt.%), Calcium oxide (2.84-2.85 wt.%), Corundum (4.87 - 4, 9 wt.%) And silicon dioxide (2.08-2.61 wt.%). The resulting mixture of powders is dispersed in distilled water (in a mass ratio of 1: 3) and homogenized using ultrasound. Milling is performed in a planetary mill for 5 hours. Then, the mixture is dried in an oven (in air) at a temperature of T 0 = 80 ° C for 24 hours. Samples are formed by uniaxial dry pressing at a pressure of 500 MPa for 30 s. Sintering of composite ceramics is carried out in air in a two-stage mode. At the first stage, the samples are heated to a temperature of T 1 = 1300 ° C. Then, the temperature is reduced to T 2 = 1200 ° C and maintained for 4 hours. The inventive method allows sintering in air (at a temperature of several hundred degrees lower than traditionally used for sintering composite ceramics based on ZrO 2 -Al 2 O 3 [ J. Fan, T. Lin, F. Hu, Yi Yu, M. Ibrahim, R. Zheng, Sh. Huang, J. Ma, Effect of sintering temperature on microstructure and mechanical properties of zirconia-toughened alumina machinable dental ceramics // Ceramics International. 2017. V. 43. No. 4. P. 3647-3653.]), Which simplifies the technology and reduces the cost of ceramic production.

Figure 00000001
Figure 00000001

Figure 00000002
Figure 00000002

Пример 1Example 1

Для приготовления исходной смеси мелкодисперсных порошков в соотношении, указанном в Таблице 1 (Пример 1), использовали диоксид циркония, имеющий средний размер кристаллитов (моноклинная фаза) 50-70 нм; корунд, имеющий средний размер кристаллитов 50-70 нм; оксид кальция, имеющий средний размер кристаллитов 50-100 нм и диоксид кремния, имеющий средний размер кристаллитов 20 нм. Смесь порошков подвергали смешиванию, измельчению и наноструктурированию в планетарной мельнице Pulverisetter 7 Premium Line (Fritsch, Германия) с применением керамических шаров из ZrO2, стабилизированного оксидом магния, имеющих диаметр 1,5 мм. В соответствии с проведенными ранее экспериментами по оптимизации условий помола, скорость вращения планетарного диска имела значение 900 об/мин.To prepare the initial mixture of finely divided powders in the ratio shown in Table 1 (Example 1), zirconia having an average crystallite size (monoclinic phase) of 50-70 nm was used; corundum having an average crystallite size of 50-70 nm; calcium oxide having an average crystallite size of 50-100 nm and silicon dioxide having an average crystallite size of 20 nm. A mixture of powders was subjected to mixing, grinding and nanostructuring in a Pulverisetter 7 Premium Line planetary mill (Fritsch, Germany) using ZrO 2 ceramic balls stabilized with magnesium oxide having a diameter of 1.5 mm. In accordance with previous experiments to optimize grinding conditions, the planetary disk rotation speed was 900 rpm.

После помола суспензию (вместе с размольными шарами) подвергали сушке при указанных выше параметрах. Высушенный порошок отделяли от размольных шаров при помощи виброанализатора Analysette 3 Spartan (Fritsch, Германия) с использованием сита с размером ячейки 1 мм.After grinding, the suspension (together with grinding balls) was dried at the above parameters. The dried powder was separated from the grinding balls using an Analysette 3 Spartan vibration analyzer (Fritsch, Germany) using a sieve with a mesh size of 1 mm.

Для формовки образцов в виде цилиндров использовали метод одноосного сухого прессования по описанной выше методике. Спекание композиционной керамики проводили в воздушной атмосфере в двухстадийном режиме, с параметрами, описанными выше.For molding samples in the form of cylinders, the uniaxial dry pressing method was used according to the method described above. Sintering of composite ceramics was carried out in an air atmosphere in a two-stage mode, with the parameters described above.

Для исследования механических характеристик синтезируемой композиционной керамики образцы, изготавливаемые в виде цилиндров, подвергали механической шлифовке и полировке. Подготовленные таким образом образцы подвергали микро- и наноиндентированию с использованием автоматического матического твердомера Duramin-А300 (EmcoTest, Австрия) и наноиндентометра Nanolndenter G200 (MTS Nanolnstruments, США) соответственно. Для определения вязкости разрушения использовали выражение [Anstis G.R., Chantikul P., Lawn B.R., Marshall D.В. // J. Am. Ceram. Soc. 1981. V. 64. N. 9. P. 533-538.]:To study the mechanical characteristics of the synthesized composite ceramic, samples made in the form of cylinders were subjected to mechanical grinding and polishing. The samples thus prepared were subjected to micro- and nanoindentation using a Duramin-300 automatic math hardness tester (EmcoTest, Austria) and a Nanolndenter G200 nanoindentometer (MTS Nanolnstruments, USA), respectively. To determine the fracture toughness, the expression [Anstis G.R., Chantikul P., Lawn B.R., Marshall D.V. // J. Am. Ceram. Soc. 1981. V. 64. N. 9. P. 533-538.]:

Figure 00000003
Figure 00000003

где E - модуль Юнга (определяемый с использованием наноиндентометра Nanolndenter G200), Н - микротвердость (определяемая с использованием автоматического твердомера Duramin-А300), L - средняя длина радиальных трещин около отпечатка (определяемая с использованием инвертированного металлографического микроскопа Axio Observer Aim, фирмы Carl Zeiss, Германия с анализатором изображения Структура 5.0, фирма Видеотест, Россия), k - эмпирический калибровочный коэффициент (k=0.016±0,004 [Anstis G.R., Chantikul P., Lawn B.R., Marshall D.B. // J. Am. Ceram. Soc. 1981. V. 64. N. 9. P. 533-538.])where E is Young's modulus (determined using a Nanolndenter G200 nanoindentometer), H is microhardness (determined using a Duramin-A300 automatic hardness tester), L is the average length of radial cracks near the indent (determined using an inverted metallographic microscope Axio Observer Aim, Carl Zeiss , Germany with an image analyzer Structure 5.0, Videotest, Russia), k is the empirical calibration coefficient (k = 0.016 ± 0.004 [Anstis GR, Chantikul P., Lawn BR, Marshall DB // J. Am. Ceram. Soc. 1981. V. 64. N. 9. P. 533-538.])

Для определения прочности на сжатие из цилиндров вырезали параллелепипеды с поперечным сечением 2×2 мм. Нагружение образцов (регистрацию σ(ε)-диаграммы) производили на базе напольной двухколонной сервогидравлической испытательной машины MTS 870 Landmark (США). Информацию о фазовом составе (доле моноклинной, тетрагональной и кубической фаз диоксида циркония) получали с использованием порошкового рентгеновского дифрактометра D2 Phaser (Bruker AXS, Германия). Исследование структуры и проведение элементного картирования осуществляли с использованием электронного сканирующего микроскопа высокого разрешения Merlin (Carl Zeiss, Германия). Кроме того, для каждого типа образцов определяли пористость П по стандартной формуле:To determine the compressive strength, parallelepipeds with a cross section of 2 × 2 mm were cut from cylinders. Loading of the samples (recording of the σ (ε) diagram) was carried out on the basis of the two-column servo-hydraulic testing machine MTS 870 Landmark (USA). Information on the phase composition (fraction of the monoclinic, tetragonal, and cubic phases of zirconia) was obtained using a D2 Phaser powder X-ray diffractometer (Bruker AXS, Germany). The structure was studied and elemental mapping was performed using a Merlin high-resolution scanning electron microscope (Carl Zeiss, Germany). In addition, for each type of sample, the porosity of P was determined by the standard formula:

Figure 00000004
Figure 00000004

Здесь ρt - теоретическая плотность композита (с учетом содержания корунда), ρv - плотность композита, измеренная методом гидростатического взвешивания.Here ρ t is the theoretical density of the composite (taking into account the content of corundum), ρ v is the density of the composite, measured by hydrostatic weighing.

Основные тестируемые характеристики получаемой композиционной керамики представлены в Таблице 2. Типичная σ(ε)-диаграмма, зарегистрированная при испытании на сжатие представлена на Рис. 1. Видно, что при введении диоксида кремния (2,08 вес. %) в состав композиционной керамики (CaO)ZrO2 - Al2O3, предел прочности на сжатие достигает значений σm=2,44 ГПа, что превышает данные, полученные на керамике, синтезируемой по методу, выбранному за прототип.The main test characteristics of the obtained composite ceramics are presented in Table 2. A typical σ (ε) diagram recorded during the compression test is presented in Fig. 1. It is seen that with the introduction of silicon dioxide (2.08 wt.%) In the composition of composite ceramics (CaO) ZrO 2 - Al 2 O 3 , the compressive strength reaches σ m = 2.44 GPa, which exceeds the data obtained on ceramics synthesized according to the method selected for the prototype.

Figure 00000005
Figure 00000005

Пример 2. Для изготовления композиционной керамики использовали смесь компонентов в соотношении концентраций, указанном в Таблице 1 (Пример 2). Параметры помола, сушки, компактирования и спекания, а также тестируемые характеристики и исследовательское оборудование были идентичны Примеру 1.Example 2. For the manufacture of composite ceramics used a mixture of components in the concentration ratio shown in Table 1 (Example 2). The parameters of grinding, drying, compacting and sintering, as well as the tested characteristics and research equipment were identical to Example 1.

Как следует из представленных в Таблице 2 и Рис. 1 данных, увеличение концентрации диоксида кремния в смеси компонентов до 2,61 вес. %, приводит к снижению пористости и увеличению рабочих характеристик композиционной керамики. При этом особого внимания заслуживает одновременное увеличение микротвердости (H=10,9 ГПа) и вязкости разрушения (KC=12,43 ГПа м1/2). Предел прочности на сжатие при таком соотношении компонентов достигает σm=2,73 ГПа.As follows from those presented in Table 2 and Fig. 1 data, an increase in the concentration of silicon dioxide in the mixture of components to 2.61 weight. %, leads to a decrease in porosity and an increase in the performance of composite ceramics. In this case, a simultaneous increase in microhardness (H = 10.9 GPa) and fracture toughness (K C = 12.43 GPa m 1/2 ) deserves special attention. The compressive strength at this ratio of components reaches σ m = 2.73 GPa.

Обнаруженное улучшение механических свойств керамики (спекаемой при температурах Т≤1300°С) при комбинировании диоксида циркония, стабилизированного оксидом кальция, корунда и диоксида циркония является результатом проявления нескольких механизмов упрочнения:The discovered improvement in the mechanical properties of ceramics (sintered at temperatures T≤1300 ° C) when combining zirconia stabilized with calcium oxide, corundum and zirconia is the result of several hardening mechanisms:

1) трансформационного упрочнения, присущего диоксиду циркония, стабилизированному при комнатной температуре в тетрагональной фазе;1) the transformation hardening inherent in zirconia stabilized at room temperature in the tetragonal phase;

2) дисперсионного упрочнения, связанного с распределением мелкодисперстных частиц более твердого материала (корунда) по матрице основного материала (диоксида циркония);2) dispersion hardening associated with the distribution of fine particles of a harder material (corundum) over the matrix of the base material (zirconium dioxide);

3) упрочнения, связанного со снижением размера зерна, что достигается за счет ультратонкого помола и невысоких температур спекания;3) hardening associated with a decrease in grain size, which is achieved due to ultrafine grinding and low sintering temperatures;

4) снижения механических напряжений на стыках зерен ZrO2 и Al2O3, достигаемого за счет «обволакивания» кристаллитов ZrO2 и Al2O3 ультратонкой пленкой диоксида кремния.4) reduction of mechanical stresses at the joints of ZrO 2 and Al 2 O 3 grains, achieved by “enveloping” ZrO 2 and Al 2 O 3 crystallites with an ultrathin silicon dioxide film.

Действие указанных механизмов косвенно подтверждено данными рентгеновской дифрактометрии, сканирующей электронной микроскопии и элементного картирования. Так, при содержании диоксида кремния в композите от 2,08 вес. % до 2,61 вес. % доля тетрагональной фазы t-ZrO2 находится на уровне 71-73%, что обеспечивает трансформационный механизм упрочнения. СЭМ-изображение скола композиционной керамики (с соотношением компонентов, соответствующим Примеру 2) и элементное картирование (Рис. 2) наглядно демонстрируют равномерное распределение кристаллитов корунда по матрице диоксида циркония, что подтверждает действие дисперсионного механизма упрочнения. Согласно проведенному анализу СЭМ-изображения (Рис. 2, а) средний размер кристаллитов ZrO2 не превышает 120 нм, что свидетельствует в пользу третьего из указанных механизмов упрочнения. Наконец, элементное картирование (Рис. 2, е) свидетельствует о равномерном распределении SiO2 по поверхности скола, что подтверждает возможность действия четвертого механизма упрочнения.The action of these mechanisms is indirectly confirmed by X-ray diffractometry, scanning electron microscopy and elemental mapping. So, when the content of silicon dioxide in the composite is from 2.08 weight. % to 2.61 weight. % the proportion of the tetragonal phase of t-ZrO 2 is at the level of 71-73%, which provides the transformation mechanism of hardening. The SEM image of the cleaved composite ceramic (with the ratio of components corresponding to Example 2) and elemental mapping (Fig. 2) clearly demonstrate the uniform distribution of corundum crystallites over the zirconia matrix, which confirms the effect of the dispersion hardening mechanism. According to the analysis of the SEM image (Fig. 2, a ), the average crystallite size of ZrO 2 does not exceed 120 nm, which is in favor of the third of the indicated strengthening mechanisms. Finally, elemental mapping (Fig. 2f) indicates a uniform distribution of SiO 2 over the cleaved surface, which confirms the possibility of the fourth hardening mechanism.

Увеличение содержания диоксида кремния в композиционной керамике (до 7% и более) ведет к резкому снижению вязкости разрушения и прочности на сжатие. Таким образом, оптимизированные соотношения концентраций компонентов (Пример 1 и Пример 2), а также параметры помола, сушки, прессования и спекания обеспечивают условия получения композиционной керамики, обладающей более высокими показателями плотности и предела прочности при сжатии, чем у аналога, а также высоким соотношением микротвердости и вязкости разрушения.An increase in the content of silicon dioxide in composite ceramics (up to 7% or more) leads to a sharp decrease in fracture toughness and compressive strength. Thus, the optimized concentration ratios of the components (Example 1 and Example 2), as well as grinding, drying, pressing and sintering parameters, provide conditions for producing composite ceramics with higher density and compressive strength than the analogue, as well as a high ratio microhardness and fracture toughness.

Техническим результатом заявляемой разработки является экономичный способ получения керамического композитного материала на основе оксидов циркония, алюминия, кальция и кремния, обеспечивающий возможность получения наноструктурированной, высокоплотной керамики с повышенным пределом прочности при сжатии высоким соотношением микротвердости и вязкости разрушения. Благодаря высоким прочностным характеристикам получаемая заявленным способом композиционная керамика может быть использована для изготовления изделий, подвергаемых в процессе эксплуатации интенсивным механическим нагрузкам (фильеры, волоки, подшипники, вальцы, размольные шары и пр.).The technical result of the claimed development is an economical method for producing a ceramic composite material based on zirconium, aluminum, calcium, and silicon oxides, which makes it possible to obtain nanostructured, high-density ceramics with an increased compressive strength with a high ratio of microhardness and fracture toughness. Due to the high strength characteristics obtained by the claimed method, composite ceramics can be used for the manufacture of products subjected to intensive mechanical loads during operation (dies, dies, bearings, rollers, grinding balls, etc.).

Claims (1)

Способ получения наноструктурированной композиционной керамики, отличающийся тем, что смесь из нанодисперсных порошков синтетического диоксида циркония (89,68-90,17 вес. %), оксида кальция (2,84-2,85 вес. %), корунда (4,87-4,9 вес. %) и диоксида кремния (2,08-2,61 вес. %) подвергают влажному помолу в планетарной мельнице (соотношение смеси и дистиллированной воды 1:3) и усушке в печи (в воздушной атмосфере) при температуре Т0=80°С в течение 24 ч; формовку образцов осуществляют путем одноосного сухого прессования при давлении 500 МПа в течение 30 с; спекание проводят на воздухе в двухстадийном режиме: сначала образцы нагревают до температуры Т1=1300°С, затем температуру снижают до Т2=1200°С и выдерживают в течение 4 ч.A method of producing a nanostructured composite ceramic, characterized in that the mixture of nanosized powders of synthetic zirconia (89.68-90.17 wt.%), Calcium oxide (2.84-2.85 wt.%), Corundum (4.87 -4.9 wt.%) And silicon dioxide (2.08-2.61 wt.%) Are subjected to wet grinding in a planetary mill (1: 3 ratio of mixture to distilled water) and drying in an oven (in air) at a temperature T 0 = 80 ° C for 24 hours; the samples are molded by uniaxial dry pressing at a pressure of 500 MPa for 30 s; sintering is carried out in air in a two-stage mode: first, the samples are heated to a temperature of T 1 = 1300 ° C, then the temperature is reduced to T 2 = 1200 ° C and held for 4 hours.
RU2018134249A 2018-09-27 2018-09-27 Method of producing nanostructured composite ceramics based on zirconium, aluminum and silicon oxides RU2701765C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018134249A RU2701765C1 (en) 2018-09-27 2018-09-27 Method of producing nanostructured composite ceramics based on zirconium, aluminum and silicon oxides

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018134249A RU2701765C1 (en) 2018-09-27 2018-09-27 Method of producing nanostructured composite ceramics based on zirconium, aluminum and silicon oxides

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2701765C1 true RU2701765C1 (en) 2019-10-01

Family

ID=68170779

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018134249A RU2701765C1 (en) 2018-09-27 2018-09-27 Method of producing nanostructured composite ceramics based on zirconium, aluminum and silicon oxides

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2701765C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2795866C1 (en) * 2022-03-03 2023-05-12 Общество С Ограниченной Ответственностью "Оксидная Керамика" Ceramic material with low sintering temperature based on tetragonal zirconia for additive manufacturing

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2021229C1 (en) * 1991-02-21 1994-10-15 Александр Аксентьевич Дабижа Charge for making of ceramic articles with complex configuration
US6749653B2 (en) * 2002-02-21 2004-06-15 3M Innovative Properties Company Abrasive particles containing sintered, polycrystalline zirconia
US20100292522A1 (en) * 2009-05-18 2010-11-18 Chun Changmin Stabilized Ceramic Composition, Apparatus and Methods of Using the Same
RU2549945C2 (en) * 2013-06-24 2015-05-10 Закрытое акционерное общество "НЭВЗ-КЕРАМИКС" Method of production of ceramic composite material based on aluminium and zirconium oxides
US9682891B2 (en) * 2013-07-31 2017-06-20 Sigmund Lindner GmbH Sintered ball
RU2636336C2 (en) * 2016-03-17 2017-11-22 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" (НИЯУ МИФИ) High-strength ceramics
RU2665734C1 (en) * 2017-11-13 2018-09-04 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) Ceramic material with low temperature of sintering based on zirconium dioxide of tetragonal modification

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2021229C1 (en) * 1991-02-21 1994-10-15 Александр Аксентьевич Дабижа Charge for making of ceramic articles with complex configuration
US6749653B2 (en) * 2002-02-21 2004-06-15 3M Innovative Properties Company Abrasive particles containing sintered, polycrystalline zirconia
US20100292522A1 (en) * 2009-05-18 2010-11-18 Chun Changmin Stabilized Ceramic Composition, Apparatus and Methods of Using the Same
RU2549945C2 (en) * 2013-06-24 2015-05-10 Закрытое акционерное общество "НЭВЗ-КЕРАМИКС" Method of production of ceramic composite material based on aluminium and zirconium oxides
US9682891B2 (en) * 2013-07-31 2017-06-20 Sigmund Lindner GmbH Sintered ball
RU2636336C2 (en) * 2016-03-17 2017-11-22 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" (НИЯУ МИФИ) High-strength ceramics
RU2665734C1 (en) * 2017-11-13 2018-09-04 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) Ceramic material with low temperature of sintering based on zirconium dioxide of tetragonal modification

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2795866C1 (en) * 2022-03-03 2023-05-12 Общество С Ограниченной Ответственностью "Оксидная Керамика" Ceramic material with low sintering temperature based on tetragonal zirconia for additive manufacturing
RU2820756C1 (en) * 2023-12-07 2024-06-07 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина" Method of producing two-layer composite ceramics based on zirconium dioxide, having plasticity margin and high values of hardness and wear resistance

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Maji et al. Microstructure and mechanical properties of alumina toughened zirconia (ATZ)
Hassan et al. Toughening and strengthening of Nb2O5 doped zirconia/alumina (ZTA) composites
Boniecki et al. Alumina/zirconia composites toughened by the addition of graphene flakes
US20120295113A1 (en) Method for producing zirconia-alumina composite ceramic material, zirconia-alumina composite granulated powder, and zirconia beads
US9802868B2 (en) Shaped sintered ceramic bodies composed of Y2O3-stabilized zirconium oxide and process for producing a shaped sintered ceramic body composed of Y2O3-stabilized zirconium oxide
JP4854482B2 (en) Boron carbide sintered body and manufacturing method thereof
JP5367080B2 (en) Large ceramic rolling element
JP4465173B2 (en) Composite ceramics and manufacturing method thereof
Zuo et al. Influence of whisker-aspect-ratio on densification, microstructure and mechanical properties of Al2O3 whiskers-reinforced CeO2-stabilized ZrO2 composites
KR20120123324A (en) Ceramic composite material consisting of aluminum oxide and zirconium oxide as the main constituents, and a dispersoid phase
Tan et al. Influence of CeO2 addition on the microstructure and mechanical properties of Zirconia-toughened alumina (ZTA) composite prepared by spark plasma sintering
Dhar et al. Influences of sintering time on the structures and mechanical properties of zirconia toughened alumina nanocomposites
RU2701765C1 (en) Method of producing nanostructured composite ceramics based on zirconium, aluminum and silicon oxides
JP3887359B2 (en) Method for producing zirconia-alumina composite ceramic material
JP2006104024A (en) Zirconia composite sintered compact and biomaterial using the same
Ubenthiran et al. Effect of air and argon sintering atmospheres on properties and hydrothermal aging resistance of Y-TZP ceramics
El-Amir et al. MgAl2O4-reinforced c-ZrO2 ceramics prepared by spark plasma sintering
Kern 2. 75 Yb-TZP CERAMICS WITH HIGH STRENGTH AND AGEING RESISTANCE
Paygin et al. Density and microstructural investigation of Ce: YAG ceramic subjected to powerful ultrasonic treatment during the compaction process
Abden et al. Correlation among composition, microstructure and mechanical properties of ZrO2 (Y2O3)/Al2O3 composite ceramics
Sui et al. Correlation between microstructure and mechanical properties of ZTA–TiO2–Nb2O5 ceramics sintered by SPS
KR102263516B1 (en) Ceramic bead producing method
Veselov et al. The influence of zirconia powder dispersion technique on microstructure and properties of Al2O3–ZrO2 ceramic
JP2008150220A (en) Alumina-zirconia composite powder and method for manufacturing the same
Cherkasova et al. Preparation and Research of Composite Materials of the Al2O3–ZrO2–La2O3 System