CC BY
139
УДК 666.3-16:36
Д.А. Бурдыкин, И.М. Артемкина, Н.А. Макаров
Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева, Москва, Россия
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННОЙ КЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ ZrO2-Al2O3
Система ZrO2 - Al2O3 является основополагающей для синтеза ряда конструкционных материалов. На основе диоксида циркония посредством введения 4 мас. % эвтектических добавок в системе CaO - Al2O3 - SiO2 и MnO - TiO2 и 30 мас. % Al2O3 разработана технология керамики, обладающей мелкокристаллическим строением, пределом прочности при трехточечном изгибе 590 ± 35 МПа, имеющей температуру спекания 1500 °С, перспективной для применения в качестве конструкционной.
The ZrO2 - Al2O3 system is fundamental for a number of constructional materials. On the basis of zirconium dioxide by means of introduction of the eutectic additives in CaO - Al2O3 - SiO2 and MnO - TiO2 and 30 % Al2O3 developed technology of the ceramics possessing a fine-crystalline structure, strength at a three-point bend 590 ± 35 MPa, having sintering temperature 1500 °C, perspective for application as the constructional.
Система ZrO2 - Al2O3 является основополагающей для синтеза ряда конструкционных материалов, в частности, перспективна с точки зрения изготовления на ее основе пар трения, режущего инструмента. Часто для изготовления подобного инструмента используют твердосплавные режущие материалы (например, ВК - 8). Однако керамика имеет меньшую толщину режущей кромки (0,1 - 0,2 мкм по сравнению с 0,7 - 0,8 мкм для металла), в 7 - 10 раз больший срок службы без переточки, обеспечивает высокую скорость резания[1, 2].
Одной из важнейших проблем в технологии циркониевой керамики является то, что диоксид циркония при температурах, превышающих 1100 - 1200°С, подвержен интенсивной рекристаллизации. Это явление приводит к мартенситовому превращению, сопровождающемуся значительным падением механической прочности. Эффективный способ предотвращения рекристаллизации - воздействие на зерна диоксида циркония внешней сжимающей нагрузкой, при этом, в напряженном состоянии, тетрагональный твердый раствор распаду не подвержен [3].
Создать внешнюю нагрузку возможно за счет введения в состав материала второй фазы, роль которой отводится оксиду алюминия. Важно также, чтобы сам корунд не подвергался рекристаллизации, поскольку рост кристаллов может привести к захвату пор и снижению прочности.
Кроме того, для дисперсионно-упрочненных композитов в системе 7гО2 - А1203 с преобладанием в составе диоксида циркония, температура спекания находится в пределах 1600 - 1650 °С. Это, очевидно, вызывает ряд проблем, как экономического характера, что заставляет осуществлять поиск новых энерго- и ресурсосберегающих технологий такой керамики.
Таким образом, целью работы является создание керамических материалов в системе А1203 - /гО2, с преобладанием в составе диоксида циркония, имеющих температуру спекания на уровне 1400 - 1550°С, характеризующихся высокими физико-механическими свойствами.
Предпринята попытка снизить температуру спекания за счет введения в состав материалов добавок эвтектических составов. Анализировали влияние различных видов оксида алюминия (промышленного, полученного химическим осаждением) на керамические свойства, механическую прочность и показатели микроструктуры.
Частично стабилизированный диоксид циркония получали химическим осаждением из оксихлорида циркония в концентрированный раствор аммиака. Стабилизацию осуществляли, используя в качестве иттрий содержащего компонента хлорид иттрия.
Для управления структурой и свойствами керамики использовали добавки эвтектических составов в системах СаО - А1203 - SiO2 и МпО -ТЮ2, имеющих температуры плавления 1265°С и 1290 °С, соответственно.
Исходные композиции содержали 3, 4 и 5мас. % эвтектических добавок СаО - А1203 - SiO2 и МпО - ТЮ2, их соотношение составляло 1:1, 1:3 и 3:1. Результаты исследований для образцов, содержащих эвтектические добавки в количестве 4 мас. %, приведены в таблице 1.
Для образцов, содержащих модификаторы СаО-А12О3^Ю2 и МпО-ТЮ2 в соотношении 1:3 с увеличением температуры обжига до 1500 оС наблюдается уменьшение средней плотности, линейной усадки и увеличение открытой пористости. Повышение температуры до 1550 оС приводит к повышению плотности и пористости.
Таблица 1.
Температура обжига, оС Свойства образцов, содержащих эвтектические добавки в количестве 4 мас. %
Д1/1, % р, г/см3 П, % оШг, МПа
Соотношение добавок Са0-А1203-8Ю2 и Мп0-ТЮ2=1 :3
1450 17,13 4,85 0,5 548 ± 20
1500 17,04 4,83 0,9 508 ± 22
1550 16,69 4,84 1,1 442 ± 26
Соотношение добавок Са0-А1203-БЮ2 и Мп0-ТЮ2=1 :1
1450 17,00 4,73 1,1 586 ± 23
1500 17,10 4,72 0,0 590 ± 35
1550 16,93 4,71 0,8 507 ± 25
Соотношение добавок Са0-А1203-БЮ2 и Мп0-ТЮ2=3: 1
1450 19,69 4,75 0,2 549 ± 22
1500 19,75 4,79 0,1 551 ± 30
1550 19,57 4,81 0,1 516 ± 27
Для керамики, содержащей Са0-А1203^Ю2 и МпО-ТЮ2 в соотношении 1:1 с увеличением температуры обжига до 1550 оС наблюдается уменьшение средней плотности; значения открытой пористости проходят через минимум при температуре обжига 1500оС.
И, наконец, для образцов, содержащих Са0-А1203^Ю2 и МпО-ТЮ2 в соотношении 3:1 с увеличением температуры обжига до 1550 оС наблюдается увеличение средней плотности; изменение открытой пористости симбатно таковому для соотношения добавок 1:1. Характеристика микроструктуры керамики представлена на рисунке 1.
Рис. 1. Фотографии микроструктуры образцовZrO2 - А12О3 с добавкой 4 % мас.
СаО-А12Оз-8Ю2 и МпО-ТЮ2
Таким образом, наибольшей механической прочностью - 590 ± 35 МПа - обладает керамика, содержащая эвтектические добавки СаО-А12О3-SiO2 и МпО-ТЮ2 в соотношении 1:1. Эта же керамика характеризуется наибольшей микоротвердостью - 1200 Н/мм .
Из представленных результатов можно сделать ряд выводов:
1. Установлено, что у материалов с большим количеством легкоплавкой составляющей отсутствует общая граница между зернами 7гО2. Это приводит к существенному падению прочности. Таким образом, количество легкоплавкой составляющей приходится строго регламентировать с целью создания прямой связи между частицами диоксида циркония.
2. На основе диоксида циркония посредством введения 4 мас. % эвтектических добавок в системе СаО - А12О3 - SiO2 и МпО - ТЮ2 и 30 мас. % А12О3 разработана технология керамики, обладающей мелкокристаллическим строением, пределом прочности при трехточечном изгибе 591 ± 35 МПа, имеющей температуру спекания 1500 °С, перспективной для применения в качестве конструкционной.
3. Установлены параметры управления процессом формирования микроструктуры керамики на основе системы 7гО2 - А12О3 посредством их модифицирования добавками эвтектических составов, позволившие снизить температуру спекания до 1450 - 1550 °С. Показано, что они должны принадлежать к системам М'ХОу - А12О3 - МПОт, где МХ - катион металла оксида,
являющегося в стеклообразующих системах модификатором, МП - катион оксида, являющегося в стеклообразующих системах сеткообразователем.
4. На скорость процесса растворения - осаждения существенным образом влияет вид и размер алюмокислородных сиботаксических групп, играющих роль внутреннего управляющего сигнала при формировании структуры керамического материала.
5. После завершения перегруппировки продолжается самосогласованная подстройка зерен твердой фазы. Для всех эвтектических добавок, как между зернами корунда, так и диоксида циркония образуется прямая связь, что позволяет реализовать принцип создания прямосвязанных структур. Срастание осуществляется за счет диффузии вакансий от границы к свободной поверхности частиц. Происходящие процессы аналогичны поверхностнойсамодиффузии при твердофазовом спекании.
6. Результаты работы крайне важны в связи с Указами Президента РФ от 04.06.08 г. № 889 "О мерах по повышению энергоэффективности Российской экономики"; от 07.07.11 г. № 899 "Об утверждении приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации и перечня критических технологий Российской Федерации", а также в связи с Федеральным законом от 23.11.09 г. № 261-ФЗ "Об энергосбережении и о повышении энергоэффективности".
Рассмотренные подходы к созданию энерго- и ресурсоэффективных технологий служат надежной основой интенсификации технологических процессов снижения себестоимости, а также повышения качества продукции.
Библиографические ссылки
1. Шевченко В. Я., Баринов С. М. Техническая керамика. М.: Наука, 1993. 187 с.
2. Баринов С. М. Трещиностойкость машиностроительной керамики // Итоги науки и техники. М.: ВИНИТИ. 1988. Т. 1. С. 72 - 132.
3. Эванс А. Г., Лэнгдон Т. Г. Конструкционная керамика. М.: Металлургия, 1980. 256 с.
УДК 666.293.522.5
Ю.А. Спиридонов, Е.В. Царева
Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева, Москва, Россия
ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ГЛУШИТЕЛЕЙ С ЦЕЛЬЮ СОЗДАНИЯ ЭФФЕКТА ОПАЛЕСЦЕНЦИИ У ЭМАЛИ ДЛЯ ДРАГОЦЕННЫХ МЕТАЛЛОВ
Исследованы различные типы глушителей стекла с целью их применения для получения эмалей, обладающих эффектом опалесценции. Рассмотрено получение опалесцирующих эмалей на основе калийсвинцовосиликатного стекла с добавлением оксида фосфора. Изучен механизм глушения стекол данной системы в присутствии P2O5.
Various types of mufflers of glass for the purpose of their application for receiving the enamels possessing effect of opalescence are investigated. Receiving opalescence enamels on the basis of
