Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
Патент на изобретение №2455261

(19)

RU

(11)

2455261

(13)

C2

(51) МПК C04B35/486 (2006.01)

C04B35/58 (2006.01)

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ Статус: по данным на 27.08.2012 - действует Пошлина: учтена за 3 год с 30.07.2012 по 29.07.2013

(21), (22) Заявка: 2010131981/03, 29.07.2010

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:

29.07.2010

Приоритет(ы):

(22) Дата подачи заявки: 29.07.2010

(43) Дата публикации заявки: 27.02.2012

(45) Опубликовано: 10.07.2012

(56) Список документов, цитированных в отчете о

поиске: US 5916833 A, 29.06.1999. RU 2336245 C1, 20.10.2008. RU 2355631 C1, 20.05.2009. US 3669695 A, 13.06.1972. JP 2044070 A, 14.02.1990.

Адрес для переписки:

190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26, ГОУ ВПО "СПбГТИ(ТУ)", ОНТИ и ОИС

(72) Автор(ы):

Чумакова Надежда Николаевна (RU),

Кузевич Ольга Валерьевна (RU),

Пантелеев Игорь Борисович (RU),

Орданьян Сукяс Семенович (RU)

(73) Патентообладатель(и):

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)" (RU)

(54) ШИХТА ДЛЯ КЕРАМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ОКСИДОВ ЦИРКОНИЯ И АЛЮМИНИЯ И НИТРИДА ЦИРКОНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к керамическому материаловедению, в частности к получению керамического материала на основе тугоплавких бескислородных и оксидных соединений, характеризующегося высокой прочностью и трещиностойкостью, и может быть использовано для изготовления режущего инструмента, в нефте- и газодобывающей промышленности (клапанные устройства и уплотнительные кольца насосов), при изготовлении сопловых насадок для пескоструйных аппаратов и распылителей химических растворов. Керамический материал получают из шихты, содержащей компоненты при следующем соотношении, мас.%: Аl 2 О 3 10-40, ZrN 20-65, ZrO 2 остальное, при температуре спекания 1700-1800°С и давлении азота при спекании 0,10-0,12 МПа без сложной операции изостатического прессования с применением высоких значений давления. Технический результат изобретения заключается в получении керамического материала с высокой трещиностойкостью (коэффициентом интенсивности критических напряжений 7-14 МПа·м 1/2 с) и прочностью при изгибе 650-750 МПа. 1 табл., 4 пр.

Изобретение относится к керамическому материаловедению, в частности к получению керамического материала на основе тугоплавких бескислородных и оксидных соединений для высокотемпературного применения, характеризующегося высокой прочностью, твердостью и трещиностойкостью, и может быть использовано также для изготовления режущего инструмента, в нефте- и газодобывающей промышленности (клапанные устройства и уплотнительные кольца насосов), при изготовлении сопловых насадок для пескоструйных аппаратов и распылителей химических растворов.

Известен ряд решений по технологии и составам керамических материалов на основе оксида алюминия или оксида циркония.

В патенте США 4316964 (опубл. 23.02.82) предлагается керамический материал на основе Аl 2 О 3 , ZrO 2 и добавкой до 2 мас.% таких оксидов, как Y 2 О 3 , СеО 2 , Lа 2 О 3 , Еr 2 О 3 . Указанный материал обладает хрупкостью и недостаточно высокой прочностью.

В патенте России 2336245, МПК С04В 35/488, С04В 35/58, (опубл. 20.10.2008, Бюл. 29), патентообладатель - ОАО «КОМПОЗИТ» предлагается керамический материал, содержащий ZrB 2 и ZrO 2 , отличающийся тем, что он дополнительно содержит ZrN, Y 2 О 3 и(или) TiN. Недостатком материала является низкая механическая прочность при изгибе (400-480 МПа) и трещиностойкость (5,8-6,1 МПа·м 1/2 ), что ограничивает области применения материала.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является керамический материал, предложенный в патенте США 5916833, МПК С04В 35/56, С04В 35/58, С04В 35/101, опубл. 29.06.1999, патентообладатель - NGK SPARK PLUG Co Ltd (Япония). В указанном патенте предлагается керамический материал, содержащий в том числе оксиды циркония и алюминия в объемном соотношении 80:20 (оксид циркония содержит добавку 3 мол. % оксида иттрия для стабилизации кубической фазы ZrO 2 ), дополнительно в шихту вводится 25-60 об.% ZrN. Способ получения включает совместное смешивание в барабанной мельнице в среде спирта, распылительную сушку, гранулирование и формование методом литья или экструзии, удаление пластификатора при температуре 450-530°С, спекание при температуре 1480-1550°С в среде аргона при давлении 2-5 атм.

К недостаткам известного способа относится недостаточно высокая трещиностойкость (5,2 МПа·м 1/2 ), что ограничивает области применения материала.

Задачей предлагаемого технического решения является увеличение трещиностойкости керамического материала.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что предлагается шихта для керамического материала, содержащий ZrO 2 и ZrN, отличающийся тем, что он дополнительно содержит Аl 2 О 3 при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Аl 2 О 3

10-40

ZrN

20-65

ZrO 2

остальное.

Приготовление предлагаемого керамического материала включает смешивание и измельчение исходных компонентов, прессование, сушку и спекание керамического материала при 1700-1800°С в среде азота при давлении 0,10-0,12 МПа с выдержкой при конечной температуре в течение 1 часа.

Предлагаемый керамический материал обладает высокой трещиностойкостью (коэффициентом интенсивности критических напряжений 7-14 МПа·м 1/2 ). Помимо этого, указанные свойства достигаются при значительно меньшем давлении азота при спекании (0,10-0,12 МПа), при формовании заготовок не требуется сложной операции литья (или экструзии).

При введении ZrN свыше 20 мас.% происходит частичная или полная стабилизация кубической фазы ZrO 2 , что увеличивает прочность и термостойкость материала.

Введение оксида алюминия совместно с нитридом циркония создает барьер для диффузионных процессов, что в значительной степени тормозит процесс рекристаллизации при спекании и позволяет получать материалы с малым размером зерна (1-3) мкм, что приводит к росту прочности и трещиностойкости.

При взаимодействии оксида и нитрида циркония на границе раздела зерен образуются твердые растворы переменного состава (оксинитриды циркония ZrN 1-X O X ), что приводит к снижению температуры спекания и получения плотноспеченного материала с пористостью 1-2% и менее.

Уровень механических и физических свойств позволит использовать материалы этой системы в качестве конструкционных, коррозионностойких, устойчивых в контакте с расплавами металлов резистивных материалов, в качестве покрытий, резцов для цветных металлов.

Предлагаемое техническое решение обладает новизной, изобретательским уровнем и промышленно применимо. Составы керамического материала и свойства приведены в таблице.

Примеры осуществления предлагаемого способа.

Пример 1.

Совместным измельчением в вибрационной мельнице до дисперсности 1-2 мкм в среде этилового спирта с добавлением полиэтиленгликоля в качестве пластификатора изготавливают порошковую шихту, состоящую из 20 мас.% оксида алюминия, 40 мас.% диоксида циркония и 40 мас.% нитрида циркония.

Из полученной шихты прессуют образцы при давлении 100-110 МПа. Спекание проводят при температуре 1750°С в среде азота при давлении 0,10-0,42 МПа с выдержкой при конечной температуре в течение часа.

(Свойства в таблице)

Пример 2.

Порошковая шихта состоит из 5 мас.% оксида алюминия, 30 мас.% диоксида циркония и 65 мас.% нитрида циркония. Температура спекания в среде азота 1700°С.

Пример 3.

Порошковая шихта состоит из 20 мас.% оксида алюминия, 60 мас.% диоксида циркония и 20 мас.% нитрида циркония. Температура спекания в среде азота 1800°С.

Пример 4.

Порошковая шихта состоит из 40 мас.% оксида алюминия, 20 мас.% диоксида циркония и 40 мас.% нитрида циркония. Температура спекания в среде азота 1750°С.

Указанные примеры приведены в таблице. В таблице приведены также примеры (4, 5) вне заявляемой области и пример по способу-прототипу.

Заявляемый способ позволяет получать высокопрочный керамический материал для изготовления износостойких изделий, обладающий плотностью до 99% от теоретической, размером зерна 1-3 мкм и, как следствие, высокой прочностью и трещиностойкостью.

Таблица

ШИХТА ДЛЯ КЕРАМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ОКСИДОВ ЦИРКОНИЯ И АЛЮМИНИЯ И НИТРИДА ЦИРКОНИЯ

примера

Содержание компонентов, мас.%

Температура спекания, °С

Трещиностойкость, МПа·м 1/2

Al 2 O 3

ZrO 2

ZrN

1

20

40

40

1750

14

2

10

25

65

1700

13

3

20

60

20

1800

10

4

40

20

40

1750

8,1

5*

8

12

80

1820

5,8

6*

45

40

15

1650

5,5

7*

17

65

18

1700

5,2

Прототип

1500

5,1

* - Примеры вне заявляемой области

Формула изобретения

Шихта для керамического материала с высокой трещиностойкостью, содержащая ZrO 2 и ZrN, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит Аl 2 O 3 при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Аl 2 O 3

10-40

ZrN

20-65

ZrO 2

остальное