Керамический материал

(19) (11) 4 ВЗ 1)5 ЕТЕНИЯ НаибоНОСТИ И ДОмому математериал,иттрия и ж ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМРИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ ИЗС) ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(71) Всесоюзный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт металлургической теплотехники цветной металлургии и огнеупоров(72) С.Ю.Плинер, В.Г.Пейчев, В,И.Соколов, Н.И.Заболотнов, В,С.Смукович, В.П.Ульянов, В.М,Гомбалевский и С.А.Глинских (56) Авторское свидетельство СССР ЛЬ 1278342, кл. С 04 В 35/48, 1984.Авторское свидетельство СССР К. 1636398, кл, С 04 В 35/48, 1988. Изобретение относится к области технической керамики и может быть использовано для изготовления конструкционных керамических изделий, эксплуатируемых при температурах до 700 С, например, инструмента для обработки металлов давлением, деталей подшипников, насосов, ножей,ножниц и т.д.Известен керамический материал на основе тетрэгонального диоксида циркония с добавкой оксида иттрия в количестве 2 - 4 мол.% и дополнительно содержащий диоксид циркония с содержанием оксида иттрия 0,1-1,9 мол,% при соотношении компонентов, мас,%:Тетрагональный диоксидциркония с содержаниемоксида иттрия 2 - 4 мол,% 60-90 Диоксид циркония ссодержаниемоксида иттрия0,1 - 1,9 мол.% 10 - 40 (1)(57) Использование: для изготовления конструкционных керамических изделий, Сущность изобретения: керамический материал . содержит, мол.%: оксид иттрия 0,9 - 1,3, БФ У 20 з; оксид лантана 0,4 - 0,5, БФа 20 з; оксид самария 1,2-1,8, БФ Зт 20 з; оксид кобальта 0,5 - 1,0, БФ Са 20 з: диоксид циркония - остальное, БФ 2202. Характеристика материала: критический коэффициент интенсивности напряжений при 20 С 14,7- 15,4 МПа м, предел прочности при трехточечном изгибе при 20"С 1330 - 1350 МПа, 1 табл,Недостатками данного материала явля- С- ются недостаточно высокие прочность ( 900 МПа при трехточечном изгибе и ударная вязкость(8 МПа М ), а также высокая температура спекания, что связайо с малой диффузионной подвижностью ионов иттрия и циркония, При высоких температурах спе- , кания (- 1400 С) происходит быстрый рост зерен тетрагонального 2 г 02 до величины 0,8 - 1,0 мкм, т.е, до величины близкой к критической и при охлаждении часть зерен тетрагонального 2 г 02, имеющих наибольший Ы размер, претерпевают тетрагонально=моноклинное превращение с увеличением объема. Это приводит к образованию в керамике ъ трещин, снижающих прочность. ее близким по техническои сущ тигаемому результату к заявляе риалу является керамическии включающий оксиды циркония елеза и дополнительно содержащий оксид лантана при следующем соотношении компонентов, мол,;Оксид ит р., 0,4 - 1,0Оксид железа 0,7 - 1,4Оксид лантана 0,3-0,8 5Оксид циркония ОстальноеТемпература спекания керамическогоматериала составляет 1000 - 1520 С.Несмотря на высокую ударную вязкостькерамический материал имеет низкую прочность и в процессе эксплуатации керамикипод действием возникающих ударных нагрузок изделия разрушаются,Целью изобретения является повышение механической прочности при сохранении ударной вязкости,Поставленная цель достигается тем, чтокерамический материал на основе тетрагонального диоксида циркония, включающийоксиды иттрия и лантана, дополнительно 20содержит оксиды самария и кобальта приследующем соотношении компонентов,мол о Оксид иттрия 0,9 - 1,3Оксид лднтанд 0,4-0,9 25Оксид самария 1,2 - 1,8Оксид кобальта0,5-1,0Диоксид циркония ОстальноеВведение стабилизирующих добавок,таких как оксиды самария и кобальта совместно с оксидами иттрия и лантана в керамический материал на основе тетрагональногодиоксида циркония, позволяет приблизитьвеличину их среднего ионного радиуса(Ят 203 - 0,097 нм; Со 20 з - 0,064 нм, У 20 з - 350,097 нм,а 20 з - 0,104 нм) к величине, близкой к ионному радиусу Ег + (0,082 нм ), чтоуменьшает искажение кристаллической решетки в процессе спекания, способствуетсохранению тетрагональной фазы, предотвращающей образование микродефектов наповерхности материала, и обеспечивает повышение механической прочности при сохранении ударной вязкости.Образование тетрагональной фазы 45обеспечивается введением в керамическийматериал оксида самария который имеетдве степени окисления Ящ и ЯаПри введении добавки оксида самарияв диоксид циркония происходит отклонение 50от стехиометрии в оксиде самария во времяспекающего обжига, Присутствие иона Ящв решетке диоксида циркония создает дополнительные анионные вакансии в материале, что облегчает сохранение 55тетрагональной фазы диоксида циркония.Содержание двухвалентного оксида самария снижается при увеличении температуры спекания керамики, что нежелательно с точки зрения ударной вязкости и механической прочности, Поэтому для снижения температуры спекания в материал вводят оксид кобальта, действующий как спекающая добавка. При этом, благодаря своему малому ионному радиусу(0,064 нм) оксид кобальта обладает значительно более высокой диффузионной подвижностью по сравнению со спекающей добавкой, используемой в прототипе - оксида железа (ионный радиз+ус Ре - 0,067 нм), что позволяет получить керамический материал более высокой механической прочности. Кроме того, введение в состав материала в качестве спекающей добавки оксида кобальта позволяет получать керамику с однородным зерновым составом, что обеспечивает сохранение высокой ударной вязкости.В растворе оксихлорида циркония (ЕгОСг) с концентрацией по ЕгОг 245 г/л растворяли оксиды иттрия, лантана, самария и хлорид кобальта (СоС 2). Компоненты осаждали аммиаком, осадки фильтоовали, сушили и прокаливали при 800 С. Прокаленные порошки диспергировали в воде с добавкой соляной кислоты рН = 1,6 - 2,0).Из суспензий плотностью 2,4-2,7 г/см шликерным литьем в гипсовые формы готовили образцы размером 6 х 4 х 50 мм, Образцы обжигали в силитовой печи в интервале температур 1000 - 1520 С (для каждого состава подбирали оптимальную температуру спекания).Обожженные образцы шлифовали алмазным инструментом до размера 5 хЗх 45 мм, Прочность при изгибе определяли по ГОСТ 5458 - 75, ударную вязкость - методом разоушения образца с пропилом.Результаты испытаний керамических материалов на основе тетрагонального диоксида циркония в сравнении с аналогом и прототипом приведены в таблице. Формула изобретения Керамический материал, включающий диоксид циркония, оксиды иттрия и лантана, отл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения механической прочности при сохранении ударной вязкости, он дополнительно содержит оксиды самария и кобальта при следующем соотношении компонентов, мол.ф : оксид иттрия - 0,9 - 1,3; оксид лантана - 0,4 - 0,9; оксид самария - 1,2-1,8; оксид кобальта - 0,5 - 1,0; диоксид циркония - остальное,1763423Свойства керамических материалов на основе тетрагонааьногодиоксида цирконикСоставитель В. Соколов Редактор А, Кулакова Техред М,Моргентал Корректор Е, Папп Заказ 3427 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5роизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагари а, 101