Определение растворимости оксида алюминия в оксиде циркония Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ

Д.Н. Камаев

Курганский государственный университет

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСТВОРИМОСТИ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ В ОКСИДЕ ЦИРКОНИЯ

Аннотация: Экспериментально исследована растворимость оксида алюминия в диоксиде циркония при различных температурах. С использованием электронной микроскопии определена ширина равновесных твердых растворов.

Ключевые слова: оксид алюминия, оксид циркония, твердые растворы

ВВЕДЕНИЕ

Оксидная система гЮ2-А1203 является основной для проектирования абразивных и огнеупорных материалов. Данные по диаграмме состояния этой системы необходимы для решения проблем производства конструкционных абразивных и работающих при высоких температурах материалов. Эти материалы получают либо сплавлением компонентов с последующей кристаллизацией расплавов, либо спеканием тонкодисперсных порошков. По диаграмме состояния можно судить о характере кристаллизации, а организацией нужного режима охлаждения контролировать качество получаемого продукта. Однако высокая температура ликвидус в системе 7Ю2-А12Оэ обуславливает значительные экспериментальные трудности при изучении системы и получении достоверных результатов, что отражается на количестве и качестве информации о ней.

О наличии твердых растворов на основе Ъ\02 имеются различные литературные данные, однако оценка растворимости оксида алюминия в оксиде циркония в твердом состоянии достаточно неоднозначна. Ширина твердого раствора на основе Ъ\02 при эвтектической температуре достигает 7 мае. % А12Оэ [1], а по полуэмпирическому расчету Бережного [2] составляет от 2 до 4 % А12Оэ, однако при анализе закаленного от 2000 °С образца состава 2 мае. % А12Оэ, стабилизированного добавкой 10 моль % оксида иттрия, найдено, что почти весь оксид алюминия находится на границе зерен, а состав твердого раствора на основе оксида циркония содержит менее 0,01 мае. % А12Оэ [3]. Этот факт дал повод авторам подвергнуть сомнению высокую растворимость последнего в оксиде циркония. Исследователи [4, 5] также считают твердый раствор на основе Zr02 очень узким. На основании противоречивости имеющихся данных нами были проведены дополнительные исследования растворимости оксида алюминия в диоксиде циркония для определения ширины твердых растворов.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Оценку растворимости оксида алюминия в диоксиде циркония проводили при исследовании системы гЮ2-А12Оэ [6]. Эксперимент проводили в высокотемпературной печи для высокотемпературного прецизионного дифференциального термического анализа [7]. Микрорент-геноспектральный анализ закаленных образцов проводили на растровом электронном микроскопе иЕОЦрис.1).

В качестве исходных материалов для синтеза образцов были выбраны препараты оксид алюминия (А1203) и диоксид циркония ^Ю2) классификации «чда». Перед

взятием навесок исходные оксиды дополнительно прокаливались в течение нескольких часов для удаления влаги и адсорбированных примесей, после чего сразу помещались в бюксы, которые в дальнейшем хранились в эксикаторе в атмосфере сухого воздуха, что исключало насыщение оксидов парами воды и возникновения неточностей при взвешивании. Класс точности использованных весов допускал отклонение состава от расчетного не более чем на 0,01 мае. %. Для исследования растворимости оксида алюминия в диоксиде циркония были приготовлены образцы в составах от 40 до 90 мае. % гЮ2 с шагом 5 мае. %.

Рис. 1. Диаграмма состояния системы 2г02-А!203 [6]

После взвешивания порошков оксидов они перетирались в агатовой ступке в течение 30 минут для гомогенизации. Для увеличения массы исследуемых образцов из перетертых смесей оксидов прессовались таблетки в специальной твердосплавной пресс-форме. Несмотря на то, что оксиды циркония и алюминия практически не взаимодействуют с влагой и углекислым газом воздуха, таблетки прокаливались в атмосфере аргона при температуре 1100 °С при давлении в 1 атмосферу.

Равновесные образцы были получены с использованием методики ступенчатого отжига. Фазовые превращения и температуры фазовых превращений, происходящих в образцах при нагревании, определяли по характерным пикам на кривой ДТА [6, 8].

Определение растворимости выполняли по следующей методике. В начале определяли растворимость оксида алюминия в зернах оксида циркония, находящихся в равновесии с расплавом. При этом исследуемый образец нагревался до соответствующей равновесной температуры ликвидус, после чего резко охлаждался путем продувки холодным аргоном. Такая методика быстрого охлаждения хорошо зарекомендовала себя в экспериментальной практике [6, 8, 9] и обеспечивает сохранение до комнатных температур фазового состава образца характерного для равновесия при данной температуре. Таким образом, для каждого из составов 60, 65, 70 мае. % ZЮ2, были получены закаленные равновесные образцы при температурах ликвидус, а также образцы, закаленные при температурах ниже температуры ликвидус. Интервал снижения температуры закалки составил 100 °С, от соответствующей температуры ликвидус.

серия «естественные науки», выпуск 2

53

Часть образцов тех же составов не подвергались закалке, а охлаждалась со скоростями 10-30 град/мин от температуры ликвидус до комнатной температуры.

Из-за высокой температуры ликвидус для образцов составов 80, 85, 90, 95 мае. % ZЮ2 максимальная температура закалки составила 2000 °С.

Из закаленных образцов готовились шлифы для дальнейшего исследования на растровом электронном микроскопе. Для исследования были использованы от 7 до 15 различных образцов каждого состава, для набора представительных статистически весомых данных.

2,1 ± 0,5 мае. % А12Оэ. Суммарная статистическая обработка всех полученных результатов позволяет заключить, что растворимость оксида алюминия в оксиде циркония при разных температурах является постоянной и составляет 2,1 ± 0,5 мае. %.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Равновесные образцы, полученные при равновесии "расплав (жидкость) - первичные кристаллы" имеют структуру, когда первичные кристаллы оксида циркония кристаллизуются в виде типичных хорошо выраженных светлых овальных образований (рис. 1).

-, Г'й

Рис.2. Образец состава 60 мае. % 2г02, закаленный при

температуре 2000 °С ^

Стоит отметить, что в интервале концентраций диоксида циркония 70-90 мае. % степень ликвации образ- 4 цов значительно снижается. Это обуславливается высокой (2700 °С) температурой плавления чистого Zr02 и 5. соответственно высокой температурой ликвидус. Так образец состава 90 мае. % ZЮ2 даже после нагрева до тем- 6-пературы выше 2000 °С практически не изменял своей первоначальной формы. Количество жидкой фазы при 7 закалке такого образца от температуры 2000 °С при визуальной оценке с помощью растровой электронной микроскопии составляет от 20 до 30 мае. %, что приводит по правилу рычага к оценке ширины твердого раствора от 2 8. до 6 мае. % А12Оэ. Визуальный анализ равновесий "расплав - первичные кристаллы" при других температурах для образцов разных составов дал аналогичные резуль- 9 таты, что позволило предположить постоянную растворимость оксида алюминия в Ъ\02. Более точная оценка твердой фазы с помощью сканирования электронным микроскопом позволяет заключить, что растворимость А12Оэ в ъ\02 с учетом статистической обработки данных составляет 2,2 ± 0,5 мае. % А1203.

Образцы, закаленные при температуре эвтектического превращения, имеют характерную пластинчатую структуру (рис. 2).

Сканирование различных образцов, закаленных при температуре эвтектике и ниже подтвердило постоянство растворимости оксида алюминия в оксиде циркония и составило с учетом статистического анализа данных

28 k U Х5,000 5мт 0000 1 1 51 SEI

Рис. 3. Образец состава 40 мае. % 2г02, закаленный при температуре эвтектического превращения 1861 °С

ВЫВОДЫ

Выполнено определение растворимости оксида алюминия в оксиде циркония при различных температурах. Найдена ширина твердых растворов на основе Zr02. Ширина твердых растворов есть величина постоянная и составляет с учетом статистической обработки экспериментальных данных 2,1 ± 0,5 мае. % А1203.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Alper A.M. //Science of Ceramics, Proc. Of Int. Conf. 5-8 July-

1965.-V.3. - P.335-369.

2. Бережной С. Monoeidi Академй наук Укра1нсько1 Радянсько1

Соц1ал1стично1 Республ1ки (СССР) - 1962. - № 1,- С. 65.

3. Высокоогнеупорные материалы из диоксида циркония / Д.С. Рутман, Ю.С. Торопов, С.Ю. Плинер, АД. Неймин и др. - М.: Металлургия, 1985. - 136с.

4. Волкова И.Ю., Семенов С.С., Кравчик А.Е. и др. //Изв. АН

СССР. Неорг. материалы. - 1987. - Т.23, №3. - С .448-451. Шевченко A.B., Лопато Л.М., Гзрасимюк Г.И. и др. //Изв. АН

СССР. Неорг. мат. - 1990. - Т.26, № 4. - С.839-842. Камаев Д.Н., Арчугов С.А., Михайлов Г.Г. Исследование системы Zr02-Al203 при высоких температурах // Журнал

прикладной химии. - 2005.-Т.78. - Вып. 3. - С.353-356.

Михайлов Г.Г., Арчугов С.А., Камаев Д.Н. Усовершенствование высокотемпературной печи для дифференциального термического анализа // Изв. вуз. Черная металлургия. - 2003. -№6,- С.46-49.

Камаев Д.Н., Арчугов СЛ., Михайлов Г.Г. Исследование и термодинамический анализ системы 2г02-8Ю// Журнал прикладной химии. - 2005.-Т.78. - Вып. 2. - С.207-210.

Камаев Д.Н., Арчугов СЛ., Михайлов Г.Г. Экспериментальное исследование и термодинамическое моделирование диаграммы состояния системы ТЮ2-8Ю// РАН Расплавы. - 2007. - №4. -С. 92-96.

54

вестник кгу, 2009. №1