RU2748375C1 - Ceramic composite material - Google Patents

Ceramic composite material Download PDF

Info

Publication number
RU2748375C1
RU2748375C1 RU2020134853A RU2020134853A RU2748375C1 RU 2748375 C1 RU2748375 C1 RU 2748375C1 RU 2020134853 A RU2020134853 A RU 2020134853A RU 2020134853 A RU2020134853 A RU 2020134853A RU 2748375 C1 RU2748375 C1 RU 2748375C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
composite material
sral
zirconium dioxide
ceramic composite
corundum
Prior art date
Application number
RU2020134853A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Людмила Ивановна Подзорова
Алла Александровна Ильичёва
Ольга Ивановна Пенькова
Владимир Петрович Сиротинкин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН)
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 учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН)
Priority to RU2020134853A priority Critical patent/RU2748375C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2748375C1 publication Critical patent/RU2748375C1/en

Links

Images

Classifications

    • 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
    • C04B35/626Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/62605Treating the starting powders individually or as mixtures
    • C04B35/62625Wet mixtures

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Abstract

FIELD: composite material.
SUBSTANCE: invention relates to the production of a composite material with a matrix of zirconium dioxide stabilized in a tetragonal form and aluminum oxide. The material can be used for the manufacture of technical and medical products, in particular, as the basis of cutting tools for high-speed machining of various types of steel, cast iron, non-ferrous metals. Ceramic composite material on the basis of the charge, having a chemical composition (wt. %): 67,0≤ZrO2≤81,0; 6,3≤Yb2O3≤8.3; 10≤Al2O3≤25; 0.7≤SrO≤1.7, contains tetragonal zirconium dioxide stabilized by ytterbium (Yb)-TZP cations, aluminum oxide (corundum) and the compound SrAl12O19 (strontium hexaaluminate), with the following phase ratio (vol.%): 78÷87 (Yb)-TZP, 3÷7 SrAl12O19, the rest is corundum. The ceramic composite material has a fine-grained microstructure, in which the long-prismatic grains of the SrAl12O19 phase reach sizes of 250×1500 nm, static bending strength up to 900 MPa, crack resistance K1c up to 11 MPa·m1/2, micro-hardness HV of 13.0-13.5 GPa.
EFFECT: creation of a ceramic composite material with a matrix of zirconium dioxide, which has a microstructure with grain sizes not exceeding 1500 nm, with high parameters of crack resistance, bending strength and increased micro-hardness.
1 cl, 1 tbl, 3 ex, 5 dwg

Description

Изобретение относится к керамическому материаловедению, получению композиционного материала с матрицей диоксида циркония, стабилизированного в тетрагональной форме, и оксида алюминия. Материал может быть использован для изготовления изделий технического и медицинского назначения, в частности, как основы режущего инструмента для быстродействующей механической обработки различных типов стали, чугуна, цветных металлов.The invention relates to ceramic materials science, obtaining a composite material with a matrix of zirconium dioxide, stabilized in tetragonal form, and aluminum oxide. The material can be used for the manufacture of products for technical and medical purposes, in particular, as a basis for cutting tools for high-speed machining of various types of steel, cast iron, non-ferrous metals.

Керамика и композиционные материалы на основе твердых растворов тетрагональной модификации диоксида циркония Т-ZrO2 (TZP), обладающие высокими параметрами прочности, биоинертности и биосовместимости, находят применение в медицине и технике [Chevalier J. et al. Fourty years after the promise of «Ceramic Steel?»: Zirconia Based Composites with a Metal Like Mechanical Behavior // Amer. Ceram. Soc. 2019. V. 103.I. 3. P.1482-1513. doi.org/10.1111/jace.16903], [Гаршина А.П., Гропянов B.M., Зайцев Г.П., Семенов С.С. Керамика для машиностроения // М. Научтехлитиздат, 2003. 380 с.], в том числе и для изготовления различного режущего инструмента. Критичным для применения материалов в указанных целях являются величина параметра устойчивости к хрупкому разрушению трещиностойкости и размеры зерен микроструктуры.Ceramics and composite materials based on solid solutions of tetragonal modification of zirconium dioxide T-ZrO 2 (TZP), which have high parameters of strength, bioinertness and biocompatibility, are used in medicine and technology [Chevalier J. et al. Fourty years after the promise of "Ceramic Steel?": Zirconia Based Composites with a Metal Like Mechanical Behavior // Amer. Ceram. Soc. 2019. V. 103.I. 3.P.1482-1513. doi.org/10.1111/jace.16903], [Garshina A.P., Gropyanov BM, Zaitsev G.P., Semenov S.S. Ceramics for mechanical engineering // M. Nauchtekhlitizdat, 2003. 380 p.], Including for the manufacture of various cutting tools. Critical for the use of materials for these purposes are the value of the brittle fracture resistance parameter of crack resistance and the grain size of the microstructure.

Применение высокодисперсных исходных порошков, способствующих уменьшению числа дефектов микроструктуры, обеспечивает повышение прочностных параметров керамики. Введение в керамическую матрицу волокон или дискретных частиц определенного габитуса позволяет добиться не только повышения прочности, но и устойчивости материала к хрупкому разрушению. Трещина, возникающая при ударной нагрузке в материале, столкнувшись с таким препятствием, замедляет или останавливает свой рост, происходит поглощение энергии, что и определяет замедление или остановку разрушения материала. Введение волокон или дискретных частиц может осуществляться механически извне или создаваться непосредственно в материале «in situ» в технологическом процессе.The use of highly dispersed initial powders, which contribute to a decrease in the number of microstructure defects, provides an increase in the strength parameters of ceramics. The introduction of fibers or discrete particles of a certain habit into the ceramic matrix makes it possible to achieve not only an increase in strength, but also the resistance of the material to brittle fracture. A crack that occurs during an impact load in a material, upon colliding with such an obstacle, slows down or stops its growth, energy is absorbed, which determines the slowing down or stopping of the destruction of the material. The introduction of fibers or discrete particles can be carried out mechanically from the outside or created directly in the material "in situ" in the technological process.

Известен композиционный керамический материал, включающий матрицу, представленную ультрадисперсным порошком диоксида циркония (ZrO2), полученным плазмохимическим методом, и упрочнитель - армирующие частицы, также полученные плазмохимическим методом, состава: ZrO2 (75-50%) и Al2O3 (25-50%), имеющий следующее соотношение матрицы и упрочнителя, об.%: армирующие частицы - 15-40, матрица (ZrO2) - остальное.Known composite ceramic material, including a matrix, represented by ultrafine powder of zirconium dioxide (ZrO 2 ), obtained by the plasma-chemical method, and the hardener - reinforcing particles, also obtained by the plasma-chemical method, composition: ZrO 2 (75-50%) and Al 2 O 3 (25 -50%), having the following ratio of matrix and hardener, vol.%: Reinforcing particles - 15-40, matrix (ZrO 2 ) - the rest.

Размер армирующих частиц составляет 0,1-10 мкм. Материал имеет высокие прочностные параметры [Патент RU 2341494 С2, опубликован 12.2008].The size of the reinforcing particles is 0.1-10 microns. The material has high strength parameters [Patent RU 2341494 C2, published 12.2008].

Недостатком известного композиционного материала является сложность технологического процесса, получение исходных порошков энергозатратным способом. Кроме этого, армирующие частицы имеют размеры до 10 мкм, что не позволяет применять материал в качестве основы режущих инструментов, поскольку высока возможность разрушения материала.The disadvantage of the known composite material is the complexity of the technological process, obtaining the initial powders in an energy-consuming way. In addition, reinforcing particles have a size of up to 10 microns, which does not allow the material to be used as a base for cutting tools, since the possibility of material destruction is high.

Известен материал, полученный на основе коммерческих порошков оксида алюминия α-Al2O3 и 3Y-TZP (тетрагональная форма диоксида циркония, стабилизированного 3 моль. % Y2O3) [Н.Ю. Черкасова, А.А. Батаев, С.В. Веселов, Р.И. Кузьмин, Н.С. Стукачева, Т.А. Зимоглядова. Структура и трещиностойкость керамики на основе Al2O3 и ZrO2 с добавкой SrAl12O19.Known material obtained on the basis of commercial powders of aluminum oxide α-Al 2 O 3 and 3Y-TZP (tetragonal form of zirconium dioxide, stabilized with 3 mol.% Y 2 O 3 ) [N.Yu. Cherkasova, A.A. Bataev, S.V. Veselov, R.I. Kuzmin, N.S. Stukacheva, T.A. Zimoglyadova. Structure and fracture toughness of ceramics based on Al 2 O 3 and ZrO 2 with the addition of SrAl 12 O 19 .

Письма о материалах. 2019. Т. 9. №2. С. 179-184 doi.org/10.22226/2410-3535-2019-2-179-184]. Формирование гексаалюмината стронция SrAl12O19 осуществлялось при термообработке шихты, полученной путем диспергирования суспензии исходных порошков, в которую вводили порошок SrO. Трещиностойкость материала, имеющего матрицей 3Y-TZP(85Mac.%), и содержащего SrAl12O19 (3 мас. %), остальное корунд, составила менее 6 МПа⋅м1/2.Material letters. 2019.Vol. 9.No.2. S. 179-184 doi.org/10.22226/2410-3535-2019-2-179-184]. Formation of strontium hexaaluminate SrAl12Onineteen was carried out during the heat treatment of the charge obtained by dispersing the suspension of the initial powders, into which the SrO powder was introduced. Crack resistance of material with a 3Y-TZP matrix (85Mac.%) And containing SrAl12Onineteen (3 wt.%), The rest is corundum, was less than 6 MPa⋅m1/2...

Недостатком данного керамического материала являются объемная неоднородность материала, определяемая способом получения шихты из коммерческих исходных порошков, что в свою очередь обуславливает невысокие параметры относительной плотности (около 98% от теоретической) и трещиностойкости.The disadvantage of this ceramic material is the volumetric heterogeneity of the material, determined by the method of obtaining a charge from commercial starting powders, which in turn causes low parameters of relative density (about 98% of theoretical) and crack resistance.

Известен керамический материал на основе порошков состава 80 мас. % диоксида циркония, стабилизированного 1 мол.% Y2O3 и 6 мол.% CeO2(YCe)-TZP, и 10 об.% Al2O3 содержащий кроме того 10 об.% гексаалюмината стронция, полученного отдельно. Все компоненты шихты гомогенизируют в течение 4 часов с последующей термообработкой отлитых образцов при температуре 800°С и спеканием при 1500°С в течение 3-72 часов. [Kern F, Gommeringer A. Reinforcement Mechanisms in Yttria-Ceria-Co-Stabilized Zirconia-Alumina-Strontium Hexaaluminate Composite Ceramics //Ceramic Sceince and Technology. 2017.V. 9, No. 1, P. 93-98 doi: 10.4416/JCST2017-0004].Known ceramic material based on powders with a composition of 80 wt. % zirconium dioxide stabilized with 1 mol.% Y 2 O 3 and 6 mol.% CeO 2 (YCe) -TZP, and 10 vol.% Al 2 O 3 containing in addition 10 vol.% strontium hexaaluminate obtained separately. All components of the charge are homogenized for 4 hours, followed by heat treatment of the cast samples at a temperature of 800 ° C and sintering at 1500 ° C for 3-72 hours. [Kern F, Gommeringer A. Reinforcement Mechanisms in Yttria-Ceria-Co-Stabilized Zirconia-Alumina-Strontium Hexaaluminate Composite Ceramics // Ceramic Sceince and Technology. 2017.V. 9, No. 1, P. 93-98 doi: 10.4416 / JCST2017-0004].

Недостатком известного керамического материала являются сложность технологического цикла и большая длительность спекания для достижения плотноспеченного состояния (выдержка при конечной температуре 12 часов), обеспечивающего максимальную прочность при изгибе 900 МПа.The disadvantage of the known ceramic material is the complexity of the technological cycle and the long duration of sintering to achieve a densely sintered state (holding at a final temperature of 12 hours), providing a maximum bending strength of 900 MPa.

Известен (Патент РФ 189195 U1(11) Опубликовано: 15.05.2019. Бюл. №14) керамический композиционный материал, относящийся к дисперсно-упрочненному классу, состоящий из матрицы и трех видов упрочнителей, взятых в соотношении (мас. %) 50 матрица: 50 упрочнители. Матрица представлена порошком оксида алюминия (Al2O3) с размерами частиц от 0,2 до 1 мкм, армирование выполнено частицами диоксида циркония (ZrO2) с размерами от 0,1 до 0,8 мкм и алюминатом стронция (SrAl12O19), имеющего пластинчатую форму с следующими размерами: длина пластин от 1 до 5 мкм и ширина от 0,2 до 1 мкм, и дополнительно- диоксид циркония с размером частиц 20-60 нм, находящийся внутри пластинчатой фазы алюмината стронция (SrAl12O19). Материал имеет высокие значения прочностных характеристик.Known (RF Patent 189195 U1 (11) Published: 15.05.2019. Bull. No. 14) ceramic composite material belonging to the dispersion-hardened class, consisting of a matrix and three types of hardeners, taken in a ratio (wt.%) 50 matrix: 50 hardeners. The matrix is represented by powder of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) with particle sizes from 0.2 to 1 μm, reinforcement is made by particles of zirconium dioxide (ZrO 2 ) with dimensions from 0.1 to 0.8 μm and strontium aluminate (SrAl 12 O 19 ), having a lamellar shape with the following dimensions: the length of the plates is from 1 to 5 μm and the width is from 0.2 to 1 μm, and additionally, zirconium dioxide with a particle size of 20-60 nm, which is inside the lamellar phase of strontium aluminate (SrAl 12 O 19 ). The material has high values of strength characteristics.

Недостатком керамического материала данного изобретения является сложная многостадийная технологическая цепочка получения, включающая раздельный синтез компонентов, последующее смешение многокомпонентной суспензии с органическими добавками, гранулирование в распылительной сушилке или сушку заморозкой, предварительное спекание при температуре от 1400 до 1500°С, горячее изостатическое прессование при температуре от 1400 до 1500°С в среде аргона, а затем осветляющий отжиг при температуре от 1200 до 1400°С. Кроме этого, наличие в микроструктуре зерен размером до 5 мкм делает проблематичным его применение для основы режущих изделий в быстродействующей механической обработке, поскольку повышается возможность разрушения материала за счет выкрашивания крупных зерен.The disadvantage of the ceramic material of this invention is a complex multistage production chain, including separate synthesis of components, subsequent mixing of a multicomponent suspension with organic additives, granulation in a spray dryer or freeze drying, preliminary sintering at temperatures from 1400 to 1500 ° C, hot isostatic pressing at temperatures from 1400 to 1500 ° C in argon, and then brightening annealing at a temperature of 1200 to 1400 ° C. In addition, the presence of grains up to 5 microns in the microstructure makes it problematic to use it for the base of cutting products in high-speed machining, since the possibility of material destruction due to crumbling of large grains increases.

Наиболее близким аналогом изобретения по совокупности существенных признаков и способу получения является керамический композиционный материал трехфазного состава: (Ce)-TZP, корунд (α-Al2O3) и гексаалюминат кальция- церия [CeCa]Al12O19], представленный в патенте РФ №2710648, опубл. 2019.12. Способ получения шихты обеспечивает гомогенное распределение компонентов и получение исходных высокодисперсных порошков. Керамический материал имеет прочность при статическом изгибе не менее 900 МПа, трещиностойкость К=12-12,5 МПа⋅м1/2, микротвердость Н=7,5-8,5 ГПа.The closest analogue of the invention in terms of the combination of essential features and the production method is a ceramic composite material of three-phase composition: (Ce) -TZP, corundum (α-Al 2 O 3 ) and calcium-cerium hexaaluminate [CeCa] Al 12 O 19 ], presented in the patent RF No. 2710648, publ. 2019.12. The method for producing a charge ensures a homogeneous distribution of components and obtaining initial finely dispersed powders. The ceramic material has a static bending strength of at least 900 MPa, crack resistance K 1s = 12-12.5 MPa,5m 1/2 , microhardness H = 7.5-8.5 GPa.

Недостатком данного керамического композиционного материала является наличие в микроструктуре крупных зерен гексалюмината кальция размером не менее 3000×500 нм, что может инициировать их выкрашивание при силовых нагрузках. Также керамический композит имеет низкое значение микротвердости (около 8 МПа).The disadvantage of this ceramic composite material is the presence in the microstructure of large grains of calcium hexaluminate with a size of at least 3000 × 500 nm, which can initiate their spalling under power loads. Also, the ceramic composite has a low microhardness value (about 8 MPa).

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в создании керамического материала с высокими прочностными параметрами, тонкозеренной микроструктурой, повышенной микротвердостью.The problem to be solved by the present invention is to create a ceramic material with high strength parameters, fine-grained microstructure, increased microhardness.

Техническим результатом изобретения является создание керамического композиционного материала с матрицей диоксида циркония, обладающего микроструктурой с размерами зерен не выше 1500 нм, при высоких параметрах трещиностойкости, прочности при изгибе и повышенной величиной микротвердости.The technical result of the invention is the creation of a ceramic composite material with a matrix of zirconium dioxide, which has a microstructure with grain sizes not exceeding 1500 nm, with high parameters of crack resistance, bending strength and increased microhardness.

Технический результат достигается тем, что керамический композиционный материал на основе шихты, имеющей химический состав (мас. %): 67,0≤ZrO2≤81,0; 6,3≤Yb2O3≤8,3; 10≤Al2O3≤25; 0,7≤SrO≤1,7 содержит тетрагональный диоксид циркония, стабилизированный катионами иттербия (Yb)-TZP, оксид алюминия (корунд) и гексаалюминат стронция-SrAl12O19, при следующем соотношении фаз (об.%): 78÷87 (Yb)-TZP, 3÷7 SrAl12O19, остальное - корунд.The technical result is achieved by the fact that a ceramic composite material based on a charge having a chemical composition (wt.%): 67.0≤ZrO 2 ≤81.0; 6.3 Yb 2 O 3 8.3; 10≤Al 2 O 3 ≤25; 0.7≤SrO≤1.7 contains tetragonal zirconia stabilized with ytterbium (Yb) -TZP cations, aluminum oxide (corundum) and strontium hexaaluminate-SrAl 12 O 19 , with the following phase ratio (vol.%): 78 ÷ 87 (Yb) -TZP, 3 ÷ 7 SrAl 12 O 19 , the rest is corundum.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.The essence of the invention is as follows.

Заявляемый химический состав и используемый способ получения шихты, обеспечивающий гомогенное распределение компонентов, синтезируемых в наноразмерном состоянии, определяют формирование в процессе спекания, осуществляемого при температурах 1570-1600°С, композиционного материала трехфазного состава с тонкозеренной микроструктурой, обладающего высокими прочностными свойствами и повышенной твердостью. Заявляемый керамический материал имеет прочность при статическом изгибе не менее 900 МПа, K1c=11 МПа⋅м

Figure 00000001
, микротвердость HV=13,0-13,5 ГПа. Свойства материалов по прототипу и изобретению, представлены в таблице 1.The claimed chemical composition and the method used for preparing the charge, which ensures a homogeneous distribution of the components synthesized in the nanoscale state, determine the formation, during sintering, carried out at temperatures of 1570-1600 ° C, of a composite material of a three-phase composition with a fine-grained microstructure, having high strength properties and increased hardness. The claimed ceramic material has a static bending strength of at least 900 MPa, K 1c = 11 MPa МПm
Figure 00000001
, microhardness HV = 13.0-13.5 GPa. The properties of materials according to the prototype and the invention are presented in table 1.

Отклонения от заявляемого содержания компонентов оказывают влияние на прочностные характеристики. Экспериментально установлено, что увеличение содержания SrO выше 1,7% приводит к повышению содержания фазы SrAl12O19, что сопровождается увеличением пористости материала, соответственно, снижением механических характеристик композита. Превышение содержания Al2O3 выше 25% не позволяет достичь плотноспеченного состояния материала при температуре 1600°С. Проведение спекания при температурах ниже 1570°С приводит к получению образцов, имеющих открытую пористость, а превышение температуры 1600°С приводит к рекристаллизации и появлению закрытой пористости, первое и второе вызывает снижение прочности керамических образцов.Deviations from the claimed content of the components affect the strength characteristics. It was experimentally established that an increase in the SrO content above 1.7% leads to an increase in the content of the SrAl 12 O 19 phase, which is accompanied by an increase in the porosity of the material, and, accordingly, a decrease in the mechanical characteristics of the composite. An excess of the Al 2 O 3 content above 25% does not allow reaching the dense-sintered state of the material at a temperature of 1600 ° C. Sintering at temperatures below 1570 ° C leads to the production of specimens with open porosity, and exceeding the temperature of 1600 ° C leads to recrystallization and the appearance of closed porosity, the first and second causes a decrease in the strength of ceramic specimens.

Предложенное техническое решение позволяет получать керамический композиционный материал, имеющий плотность 99,3÷99,5% от теоретической, тонкозеренную микроструктуру, характеризующуюся следующими размерами зерен в соответствии с фазовым составом: глобулярные (Yb)-TZP ∅ 300 нм, ромбоэдрические Al2O3 до 0 700 нм и длиннопризматические зерна SrAl12O19 250×1500. Материал характеризуется: прочностью при статическом изгибе 900 МПа, трещиностойкостью К=11 МПа⋅м

Figure 00000001
, микротвердостью HV=13,0-13,5 ГПа. Достигнутые параметры позволяют использовать данную керамику в качестве конструкционного материала, в частности, для изготовления режущего инструмента.The proposed technical solution makes it possible to obtain a ceramic composite material having a density of 99.3 ÷ 99.5% of the theoretical, a fine-grained microstructure characterized by the following grain sizes in accordance with the phase composition: globular (Yb) -TZP ∅ 300 nm, rhombohedral Al 2 O 3 up to 0 700 nm and long-prism grains SrAl 12 O 19 250 × 1500. The material is characterized by: strength in static bending 900 MPa, crack resistance K 1s = 11 MPa⋅m
Figure 00000001
, microhardness HV = 13.0-13.5 GPa. The achieved parameters make it possible to use this ceramics as a structural material, in particular, for the manufacture of cutting tools.

Изобретение иллюстрируется 3 примерами, 5 рисунками и 1 таблицей.The invention is illustrated by 3 examples, 5 figures and 1 table.

Примеры конкретного получения заявляемого керамического материала приведены для синтеза 100 г шихты.Examples of specific production of the claimed ceramic material are given for the synthesis of 100 g of a charge.

Пример 1Example 1

Для получения композиционного материала, содержащего (мас. %): ZrO2 - 81,0; Yb2O3 - 8,0; Al2O3 - 10,2; SrO - 0,8 к смеси 800 мл 17%-ного водного раствора аммиака и 100 мл 0,1% водного раствора поливинилпирролидона добавляют смесь водных растворов солей (концентрация 1 моль/л): 657 мл оксихлорида циркония, 41 мл нитрата иттербия, 200 мл нитрата алюминия, 7,7 мл нитрата стронция. Осаждение ведут при постоянном перемешивании, установив скорость мешалки 400 об./мин., в течение 1 часа, поддерживая кислотность системы в пределах рН 9,4-9,7. Гелеобразный осадок отфильтровывают на воронке Бюхнера, промывают пятикратным объемом дистиллированной воды и сушат в среде этилового спирта при температуре 180°С в течение 4 часов. Полученные гидрогели термообрабатывают в муфельной печи при температуре 950°С с выдержкой в течение 1 часа, подъем температуры осуществляют со скоростью 10°С/мин. Проводят дезагрегацию в среде этанола в течение 15 минут, после чего порошок высушивают в сушильном шкафу при 120°С. Площадь удельной поверхности, измеренная методом БЭТ, составила 30 м2/г. Порошки компактируют методом полусухого прессования при удельном давлении 200 МПа. Спекание проводят в печах с хромитлантановыми нагревателями в воздушной среде при непрерывном нагреве со скоростью 5°С/мин до конечной температуры 1580°С с выдержкой в течение 2 часов. Относительная плотность керамики, определенная методом гидростатического взвешивания, составила 99,5% от теоретической. В фазовом составе керамического композиционного материала присутствуют корунд, твердый раствор на основе тетрагонального диоксида циркония и гексаалюминат стронция. Последний определяется в микроструктуре материала в количестве не менее 3 об.%, что иллюстрирует рис. 5а.To obtain a composite material containing (wt.%): ZrO 2 - 81.0; Yb 2 O 3 8.0; Al 2 O 3 - 10.2; SrO - 0.8 to a mixture of 800 ml of a 17% aqueous solution of ammonia and 100 ml of a 0.1% aqueous solution of polyvinylpyrrolidone add a mixture of aqueous solutions of salts (concentration 1 mol / l): 657 ml of zirconium oxychloride, 41 ml of ytterbium nitrate, 200 ml of aluminum nitrate, 7.7 ml of strontium nitrate. Precipitation is carried out with constant stirring, setting the stirrer speed to 400 rpm, for 1 hour, maintaining the acidity of the system within the pH range of 9.4-9.7. The gel-like precipitate is filtered off on a Buchner funnel, washed with a five-fold volume of distilled water and dried in ethanol at a temperature of 180 ° C for 4 hours. The obtained hydrogels are heat treated in a muffle furnace at a temperature of 950 ° C with holding for 1 hour, the temperature rise is carried out at a rate of 10 ° C / min. Disaggregation is carried out in ethanol for 15 minutes, after which the powder is dried in an oven at 120 ° C. The specific surface area measured by the BET method was 30 m 2 / g. The powders are compacted by semi-dry pressing at a specific pressure of 200 MPa. Sintering is carried out in furnaces with chromite-lanthanum heaters in air with continuous heating at a rate of 5 ° C / min to a final temperature of 1580 ° C with a holding for 2 hours. The relative density of the ceramics, determined by the method of hydrostatic weighing, was 99.5% of the theoretical. The phase composition of the ceramic composite material contains corundum, a solid solution based on tetragonal zirconium dioxide, and strontium hexaaluminate. The latter is determined in the microstructure of the material in an amount of at least 3 vol.%, Which is illustrated in Fig. 5a.

Пример 2Example 2

Для получения композиционного материала, содержащего (мас. %): ZrO2 - 75,3; Yb2O3 - 7,6; Al2O3 - 16,3; SrO - 0,8; к смеси 880 мл 17%-ного водного раствора аммиака и 110 мл 0,1% водного раствора поливинилпирролидона добавляют смесь водных растворов солей (концентрация 1 моль/л): 611 мл оксихлорида циркония, 39 мл нитрата иттербия, 320 мл нитрата алюминия, 7,7 мл нитрата стронция. Осаждение ведут при постоянном перемешивании, установив скорость мешалки 400 об./мин., в течение 1 часа, поддерживая кислотность системы в пределах рН 9,4-9,7. Гелеобразный осадок отфильтровывают на воронке Бюхнера, промывают пятикратным объемом дистиллированной воды и сушат в среде этилового спирта при температуре 180°С в течение 4 часов. Полученные гидрогели термообрабатывают в муфельной печи при температуре 950°С с выдержкой в течение 1 часа, подъем температуры осуществляют со скоростью 10°С/мин. Проводят дезагрегацию в среде этанола в течение 15 минут, после чего порошок высушивают в сушильном шкафу при 120°С. Площадь удельной поверхности, измеренная методом БЭТ, составила 30 м2/г. Порошки компактируют методом полусухого прессования при удельном давлении 200 МПа. Спекание проводят в печах с хромитлантановыми нагревателями в воздушной среде при непрерывном нагреве со скоростью 5°С/мин до конечной температуры 1590°С с выдержкой в течение 2 часов. Относительная плотность керамики, определенная методом гидростатического взвешивания, составила 99,4% от теоретической. В фазовом составе керамического композиционного материала присутствуют корунд, твердый раствор на основе тетрагонального диоксида циркония и гексаалюминат стронция (рис. 3). Последний определяется в микроструктуре материала в количестве не менее 4 об.%, что иллюстрирует рис. 5б.To obtain a composite material containing (wt.%): ZrO 2 - 75.3; Yb 2 O 3 - 7.6; Al 2 O 3 - 16.3; SrO 0.8; to a mixture of 880 ml of a 17% aqueous solution of ammonia and 110 ml of a 0.1% aqueous solution of polyvinylpyrrolidone add a mixture of aqueous solutions of salts (concentration 1 mol / l): 611 ml of zirconium oxychloride, 39 ml of ytterbium nitrate, 320 ml of aluminum nitrate, 7 , 7 ml of strontium nitrate. Precipitation is carried out with constant stirring, setting the stirrer speed to 400 rpm, for 1 hour, maintaining the acidity of the system within the pH range of 9.4-9.7. The gel-like precipitate is filtered off on a Buchner funnel, washed with a five-fold volume of distilled water and dried in ethanol at a temperature of 180 ° C for 4 hours. The obtained hydrogels are heat treated in a muffle furnace at a temperature of 950 ° C with holding for 1 hour, the temperature rise is carried out at a rate of 10 ° C / min. Disaggregation is carried out in ethanol for 15 minutes, after which the powder is dried in an oven at 120 ° C. The specific surface area measured by the BET method was 30 m 2 / g. The powders are compacted by semi-dry pressing at a specific pressure of 200 MPa. Sintering is carried out in furnaces with chromium-lanthanum heaters in an air environment with continuous heating at a rate of 5 ° C / min to a final temperature of 1590 ° C with holding for 2 hours. The relative density of ceramics, determined by the method of hydrostatic weighing, was 99.4% of the theoretical. The phase composition of the ceramic composite material contains corundum, a solid solution based on tetragonal zirconium dioxide, and strontium hexaaluminate (Fig. 3). The latter is determined in the microstructure of the material in an amount of at least 4 vol.%, Which is illustrated in Fig. 5 B.

Пример 3Example 3

Для получения композиционного материала, содержащего (мас. %): ZrO2 - 74,6; Yb2O3 - 7,4; Al2O3 - 16,4; SrO - l,6; к смеси 880 мл 17%-ного водного раствора аммиака и 110 мл 0,1% водного раствора поливинилпирролидона добавляют смесь водных растворов солей (концентрация 1 моль/л), взятых в следующих объемах: 605 мл оксихлорида циркония, 38 мл нитрата иттербия, 322 мл нитрата алюминия, 15,4 мл нитрата стронция. Осаждение ведут при постоянном перемешивании, установив скорость мешалки 400 об./мин., в течение 1 часа, поддерживая кислотность системы в пределах рН 9,4-9,7. Гелеобразный осадок отфильтровывают на воронке Бюхнера, промывают пятикратным объемом дистиллированной воды и сушат в среде этилового спирта при температуре 180°С в течение 4 часов. Полученные гидрогели термообрабатывают в муфельной печи при температуре 950°С с выдержкой в течение 1 часа, подъем температуры осуществляют со скоростью 10°С/мин. Проводят дезагрегацию в среде этанола в течение 15 минут, после чего порошок высушивают в сушильном шкафу при 120°С. Площадь удельной поверхности, измеренная методом БЭТ, составила 32 м2/г. Порошки компактируют методом полусухого прессования при удельном давлении 200 МПа. Спекание проводят в печах с хромитлантановыми нагревателями в воздушной среде при непрерывном нагреве со скоростью 5°С/мин с выдержкой при конечной температуре 1590°С в течение 2 часов. Относительная плотность керамики, определенная методом гидростатического взвешивания, составила 99,4% от теоретической. В фазовом составе керамического композиционного материала присутствуют корунд, твердый раствор на основе тетрагонального диоксида циркония и гексаалюминат стронция (рис. 3), гексаалюминат стронция присутствует в количестве не менее 7 об.%, что иллюстрирует рис. 5в.To obtain a composite material containing (wt.%): ZrO 2 - 74.6; Yb 2 O 3 - 7.4; Al 2 O 3 - 16.4; SrO - l, 6; to a mixture of 880 ml of a 17% aqueous solution of ammonia and 110 ml of a 0.1% aqueous solution of polyvinylpyrrolidone add a mixture of aqueous solutions of salts (concentration 1 mol / l), taken in the following volumes: 605 ml of zirconium oxychloride, 38 ml of ytterbium nitrate, 322 ml of aluminum nitrate, 15.4 ml of strontium nitrate. Precipitation is carried out with constant stirring, setting the stirrer speed to 400 rpm, for 1 hour, maintaining the acidity of the system within the pH range of 9.4-9.7. The gel-like precipitate is filtered off on a Buchner funnel, washed with a five-fold volume of distilled water and dried in ethanol at a temperature of 180 ° C for 4 hours. The obtained hydrogels are heat treated in a muffle furnace at a temperature of 950 ° C with holding for 1 hour, the temperature rise is carried out at a rate of 10 ° C / min. Disaggregation is carried out in ethanol for 15 minutes, after which the powder is dried in an oven at 120 ° C. The specific surface area measured by the BET method was 32 m 2 / g. The powders are compacted by semi-dry pressing at a specific pressure of 200 MPa. Sintering is carried out in furnaces with chromite-lanthanum heaters in air with continuous heating at a rate of 5 ° C / min with holding at a final temperature of 1590 ° C for 2 hours. The relative density of ceramics, determined by the method of hydrostatic weighing, was 99.4% of the theoretical. The phase composition of the ceramic composite material contains corundum, a solid solution based on tetragonal zirconium dioxide, and strontium hexaaluminate (Fig. 3); strontium hexaaluminate is present in an amount of at least 7 vol%, which is illustrated in Fig. 5c.

В таблице 1 приведены сравнительные данные относительной плотности (ρ отн.), микротвердости (Н), трещиностойкости (К1с) и прочности при статическом изгибе (σ) и максимальный размер зерен микроструктуры прототипа и заявляемого керамического материала.Table 1 shows comparative data on the relative density (ρ rel.), Microhardness (H), crack resistance (K1c) and static bending strength (σ) and the maximum grain size of the microstructure of the prototype and the claimed ceramic material.

На рис. 1 приведена в качестве примера дифрактограмма исходного керамического порошка, отвечающая примеру (2) после термической обработки ксерогелей при температуре 950°С, подтверждающая образование одной фазы твердого раствора на основе диоксида циркония псевдокубической структуры и отсутствие аморфизированных фаз.In fig. 1 shows as an example a diffractogram of an initial ceramic powder corresponding to example (2) after thermal treatment of xerogels at a temperature of 950 ° C, confirming the formation of one phase of a solid solution based on zirconium dioxide of a pseudocubic structure and the absence of amorphized phases.

Обозначение: F - твердый раствор на основе диоксида циркония, стабилизированного катионами иттербия.Designation: F - solid solution based on zirconium dioxide stabilized with ytterbium cations.

На рис. 2 приведена в качестве примера дифрактограмма порошков, отвечающая примеру (2) после термической обработки при температуре 1550°С, подтверждающая образование преобладающей фазы твердого раствора на основе диоксида циркония тетрагональной структуры и, в виде следовых количеств, фаз корунда и гексаалюминат стронция SrAl12O19.In fig. 2 shows as an example a powder diffractogram corresponding to example (2) after heat treatment at a temperature of 1550 ° C, confirming the formation of a predominant solid solution phase based on tetragonal zirconia and, in the form of trace amounts, corundum phases and strontium hexaaluminate SrAl 12 O 19 ...

Обозначение: Т - твердый раствор на основе тетрагонального диоксида циркония, стабилизированного катионами иттербия, К-корунд.Designation: T - solid solution based on tetragonal zirconium dioxide stabilized by ytterbium cations, K-corundum.

На рис. 3 приведены фрагменты дифрактограмм образцов, отвечающих примерам №№2 и 3, после термической обработки при температуре 1590°С, в области основных отражений а) корунда, б) соединения SrAl12O19.In fig. 3 shows fragments of diffraction patterns of samples corresponding to examples No. 2 and 3, after heat treatment at a temperature of 1590 ° C, in the region of the main reflections of a) corundum, b) SrAl 12 O 19 compounds.

Обозначения: Т - твердый раствор на основе тетрагонального диоксида циркония, стабилизированного катионами иттербия Н - гексаалюминат стронция К - корунд.Designations: T - solid solution based on tetragonal zirconium dioxide stabilized by ytterbium cations H - strontium hexaaluminate K - corundum.

На рис. 4 приведены электронные снимки поверхности а) заявляемого керамического материала, содержащего 24 мас. % Al2O3 и б) прототипа, которые иллюстрируют различное формирование зерновой микроструктуры.In fig. 4 shows electronic images of the surface a) of the inventive ceramic material containing 24 wt. % Al 2 O 3 and b) of the prototype, which illustrate the different formation of the grain microstructure.

На рис. 5 приведены электронные снимки поверхности керамических материалов, соответствующие примерам: а) 1, б) 2 и в) 3.In fig. 5 shows electronic images of the surface of ceramic materials corresponding to examples: a) 1, b) 2 and c) 3.

Figure 00000002
Figure 00000002

Claims (1)

Керамический композиционный материал на основе шихты, имеющей химический состав (мас. %): 67,0≤ZrO2≤81,0; 6,3≤Yb2O3≤8,3; 10≤Al2O3≤25; 0,7≤SrO≤1,7, содержит тетрагональный диоксид циркония, стабилизированный катионами иттербия (Yb)-TZP, и оксид алюминия (корунд), отличающийся тем, что содержит соединение SrAl12O19 (гексаалюминат стронция), при следующем соотношении фаз (об. %): 78÷87 (Yb)-TZP, 3÷7 SrAl12O19, остальное - корунд.Ceramic composite material based on a charge having a chemical composition (wt.%): 67.0≤ZrO 2 ≤81.0; 6.3 Yb 2 O 3 8.3; 10≤Al 2 O 3 ≤25; 0.7≤SrO≤1.7, contains tetragonal zirconia stabilized with ytterbium cations (Yb) -TZP, and alumina (corundum), characterized in that it contains the compound SrAl 12 O 19 (strontium hexaaluminate), with the following phase ratio (vol.%): 78 ÷ 87 (Yb) -TZP, 3 ÷ 7 SrAl 12 O 19 , the rest is corundum.
RU2020134853A 2020-10-23 2020-10-23 Ceramic composite material RU2748375C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020134853A RU2748375C1 (en) 2020-10-23 2020-10-23 Ceramic composite material

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020134853A RU2748375C1 (en) 2020-10-23 2020-10-23 Ceramic composite material

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2748375C1 true RU2748375C1 (en) 2021-05-24

Family

ID=76034004

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020134853A RU2748375C1 (en) 2020-10-23 2020-10-23 Ceramic composite material

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2748375C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2816157C1 (en) * 2023-06-23 2024-03-26 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "КОМИ научный центр Уральского отделения Российской академии наук" Non-porous ceramic composite based on zirconium oxide

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2816157C1 (en) * 2023-06-23 2024-03-26 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "КОМИ научный центр Уральского отделения Российской академии наук" Non-porous ceramic composite based on zirconium oxide

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN100447105C (en) Magnesium aluminum titanate crystal structure and method for producing same
JP5366398B2 (en) Composite ceramics and manufacturing method thereof
JPS63139050A (en) Zirconia base ceramics
Rezaee et al. Characterization and strengthening of porous alumina-20 wt% zirconia ceramic composites
Quan et al. Effect of CeO2 addition on the sintering behavior of pre-synthesized magnesium aluminate spinel ceramic powders
JP2005082459A (en) Composite ceramic and method of manufacturing the same
CN101045631A (en) Zirconium oxide ceramic material of ytterbium oxide and yttrium oxide costabilize
JPS62216960A (en) Chemical manufacture of zirconium oxide-aluminum-magnesium composite body
RU2536593C1 (en) Method of producing zirconium dioxide-based ceramic for restoration dentistry
WO2013124183A2 (en) Thermal shock-resistant and corrosion-resistant ceramic material based on calcium zirconate and process for the production thereof
RU2681788C2 (en) Ceramic material and method for its obtaining
RU2748375C1 (en) Ceramic composite material
RU2549945C2 (en) Method of production of ceramic composite material based on aluminium and zirconium oxides
RU2569113C1 (en) Composite ceramic material and method for production thereof
JP2005075659A (en) Ceramic sintered compact, method for producing the same, and biomaterial
JPH0553751B2 (en)
JP4589642B2 (en) Alumina / zirconia ceramics and process for producing the same
Ngashangua et al. Effect of MgO additions on the phase stability and degradation ability in ZrO2–Al2O3 composite systems
Uz et al. Effects of binder and compression strength on molding parameters of dental ceramic blocks
Ertuğ et al. The Effect of Mechanical Alloying on the Microhardness and Fracture Toughness of BaTiO_3
JP4831945B2 (en) Zirconia-alumina ceramics and process for producing the same
JP2517249B2 (en) High-strength zirconia-based HIP sintered body
Martinez et al. Partially stabilized Zirconia (3y-ZrO2) aluminum borate (Al18B4O33) needles composite materials by direct sintering
RU2744546C1 (en) Ceramic material and method for manufacturing it
RU2710648C1 (en) Ceramic composite material