RU2104985C1 - Method for production of zirconium ceramics - Google Patents

Abstract

FIELD: powder metallurgy. SUBSTANCE: method includes heating of powder material based on zirconium oxide to preset temperature and holding at this temperature for time sufficient for caking. Heating and holding of powder material are carried out in nitrogen-containing plasma of gas discharge. Powder material is heated for bombarding with nitrogen-containing ions and also ion current passing through it. EFFECT: higher level of mechanical characteristics of produced ceramics. 1 tbl

Description

Изобретение относится к порошковой металлургии, а более точно касается способов получения циркониевой керамики, и может быть использовано в производстве высокопрочных конструктивных и инструментальных материалов и изделий, например волочильных инструментов. The invention relates to powder metallurgy, and more specifically relates to methods for producing zirconium ceramics, and can be used in the manufacture of high-strength structural and instrumental materials and products, for example drawing tools.

Известен способ получения циркониевой керамики, заключающийся в том, что порошковый материал частично стабилизированного диоксида циркония нагревают в термической печи сначала до 1200^oC, а затем до 1580^oC в атмосфере кислорода, в результате чего происходит спекание порошкового материала [1].A known method of producing zirconium ceramics, which consists in the fact that the powder material of partially stabilized zirconia is heated in a thermal furnace first to 1200 ^o C, and then to 1580 ^o C in an oxygen atmosphere, resulting in sintering of the powder material [1].

Полученная указанным способом керамика имеет следующие механические характеристики: плотность до 5,5 г/см³ и прочность на изгиб до 450 МПа, что недостаточно для керамики конструкционного и инструментального назначения.The ceramics obtained in this way have the following mechanical characteristics: density up to 5.5 g / cm ³ and bending strength up to 450 MPa, which is not enough for structural and instrumental ceramics.

Кроме того, необходимость двухступенчатого обжига увеличивает энергоемкость процесса и уменьшает производительность. In addition, the need for two-stage firing increases the energy intensity of the process and reduces productivity.

Известен способ получения циркониевой керамики, заключающийся в том, что порошковый материал диоксид циркония с добавкой 5,5 мас.% окиси иттрия спекают в силитовой печи при 1500-1510^oC с последующим охлаждением в жидком азоте [2].A known method of producing zirconium ceramics, which consists in the fact that the powder material zirconia with the addition of 5.5 wt.% Yttrium oxide is sintered in a silica furnace at 1500-1510 ^o C followed by cooling in liquid nitrogen [2].

Полученная указанным способом керамика имеет механическую характеристику - прочность на изгиб до 1280 МПа. Кроме того, указанному способу присущи высокая энергоемкость и низкая технологичность. The ceramics obtained in this way has a mechanical characteristic - bending strength up to 1280 MPa. In addition, the specified method is characterized by high energy intensity and low manufacturability.

Известен способ получения циркониевой керамики, заключающийся в том, что порошковый материал на основе диоксида циркония нагревают до заданной температуры и выдерживают при этой температуре в течение времени, достаточного для спекания [3]. A known method of producing zirconium ceramics, which consists in the fact that the powder material based on zirconium dioxide is heated to a predetermined temperature and maintained at this temperature for a time sufficient for sintering [3].

Указанным способом частично стабилизированный диоксид циркония спекают в термической печи на воздухе при температуре 1650^oC и выдерживают в течение 1 ч. Полученная керамика имеет сравнительно невысокий уровень механических характеристик: плотность до 5,84 г/см³, твердость до 15 ГПа и трещиностойкость до 10 МПа м^0,5.In this way, partially stabilized zirconia is sintered in a thermal furnace in air at a temperature of 1650 ^° C and held for 1 hour. The resulting ceramic has a relatively low level of mechanical characteristics: density up to 5.84 g / cm ³ , hardness up to 15 GPa and crack resistance up to 10 MPa m ^0.5 .

Кроме того, весь технологический цикл получения циркониевой керамики занимает значительное время и энергоемок. In addition, the entire technological cycle of obtaining zirconium ceramics takes considerable time and energy-intensive.

В основу предлагаемого изобретения была положена задача разработки способа получения циркониевой керамики, в котором нагрев и выдержка исходного материала отвечала бы условиям высокой технологии, а именно занимала бы малое время при сравнительно небольшой энергоемкости и полученный материал имел бы высокий уровень механических характеристик. The basis of the present invention was the task of developing a method for producing zirconium ceramics, in which heating and exposure of the starting material would meet the conditions of high technology, namely, would take a short time with a relatively low energy consumption and the resulting material would have a high level of mechanical characteristics.

Это достигается тем, что в способе получения циркониевой керамики, заключающемся в том, что порошковый материал на основе диоксида циркония нагревают до заданной температуры и выдерживают при этой температуре в течение времени, достаточного для спекания, согласно предлагаемому изобретению, нагревают и выдерживают порошковый материал в азотсодержащей плазме газового заряда. This is achieved by the fact that in the method of producing zirconium ceramics, which consists in the fact that the powder material based on zirconium dioxide is heated to a predetermined temperature and maintained at this temperature for a time sufficient for sintering, according to the invention, the powder material is heated and maintained in a nitrogen-containing plasma gas charge.

Преимущества заявляемого способа от известного способа заключаются в том, что нагрев и выдержку производят не в термических печах, а в азотсодержащей плазме газового разряда. При этом нагрев материала осуществляют бомбардировкой азотсодержащих ионов и пропусканием по нему электрического тока. В процессе спекания материала происходит насыщение его азотом, изменяющее его химический состав. Вследствие этого повышаются механические характеристики полученной керамики при сравнительно небольшом по времени и энергоемкости технологическом цикле. По сравнению с известным способом сокращение времени происходит благодаря активированию процесса спекания за счет протекания электрического тока через образец и за счет химического взаимодействия материала с азотом. Энергоемкость уменьшается, так как в предлагаемом способе тепловыделение происходит непосредственно на спекаемом образце, поэтому потеря тепла на нагрев установки для осуществления способа и окружающей среды минимальны. The advantages of the proposed method from the known method are that heating and aging are carried out not in thermal furnaces, but in a nitrogen-containing gas discharge plasma. In this case, the material is heated by bombarding nitrogen-containing ions and passing electric current through it. In the process of sintering the material, it is saturated with nitrogen, which changes its chemical composition. As a result, the mechanical characteristics of the obtained ceramics increase with a relatively small technological cycle in time and energy consumption. Compared with the known method, the reduction of time occurs due to the activation of the sintering process due to the flow of electric current through the sample and due to the chemical interaction of the material with nitrogen. The energy intensity is reduced, since in the proposed method the heat release occurs directly on the sintered sample, therefore, the heat loss for heating the installation for the implementation of the method and the environment is minimal.

Далее изобретение поясняется описанием конкретных примеров его выполнения. The invention is further illustrated by the description of specific examples of its implementation.

Предлагаемый способ получения циркониевой керамики заключается в том, что порошковый материала на основе диоксида циркония нагревают до заданной температуры и выдерживают в течение времени, достаточно для спекания. Нагрев и выдержку производят в азотсодержащей плазме газового разряда. The proposed method for producing zirconium ceramics is that the zirconia-based powder material is heated to a predetermined temperature and held for a period sufficient for sintering. Heating and aging are carried out in a nitrogen-containing gas discharge plasma.

Сущность предлагаемого способа состоит в использовании электрического поля в рабочем пространстве камеры спекания, которое образуется вследствие приложения разности потенциалов к аноду и катоду, на котором закрепляется образец, спрессованный из исходного порошкового материала на основе диоксида циркония, например чистый диоксид циркония, диоксид циркония с добавками оксида алюминия, оксида иттрия, оксида магния и тому подобное. Поступающий в камеру аммиак диссоциирует на азотсодержащие ионы, образующие газовый разряд. Вследствие бомбардировки образца ускоренными в электрическом поле ионами происходит интенсивный поверхностный разогрев образца. Это обеспечивает появление у материала образца ионной проводимости и разогрев его по объему. Процесс контролируют по изменению разности потенциалов между анодом и катодом и давлении в рабочем пространстве камеры. Таким образом, принцип получения циркониевой керамики в плазме газового разряда состоит в следующем: на начальном этапе происходит разогрев образца бомбардировкой ускоренными азотсодержащими ионами, а также за счет теплопередачи от других деталей катодного узла. После нагрева образца до 300-400^oC последний становится проводящим (ионная проводимость), возникает ионный ток и дальнейший нагрев до температуры изометрической выдержки происходит в основном за счет этого тока.The essence of the proposed method consists in using an electric field in the working space of the sintering chamber, which is formed due to the application of a potential difference to the anode and cathode, on which a sample is pressed, pressed from a source powder material based on zirconia, for example, pure zirconia, zirconia with oxide additives aluminum, yttrium oxide, magnesium oxide and the like. Ammonia entering the chamber dissociates into nitrogen-containing ions forming a gas discharge. Due to the bombardment of the sample by ions accelerated in an electric field, intense surface heating of the sample occurs. This ensures the appearance of ionic conductivity in the sample material and its heating by volume. The process is controlled by changing the potential difference between the anode and cathode and the pressure in the working space of the chamber. Thus, the principle of obtaining zirconium ceramics in a gas discharge plasma is as follows: at the initial stage, the sample is heated by bombardment with accelerated nitrogen-containing ions, as well as due to heat transfer from other parts of the cathode assembly. After heating the sample to 300-400 ^o C, the latter becomes conductive (ionic conductivity), an ion current occurs and further heating to the temperature of the isometric holding occurs mainly due to this current.

Ниже приведены конкретные примеры получения циркониевой керамики предлагаемым способом. The following are specific examples of the preparation of zirconium ceramics of the proposed method.

Пример 1. Образец, спрессованный из порошкового материала диоксида циркония с добавкой 3 мас.% окиси иттрия, закрепляли на катоде камеры спекания. Затем прикладывали разность потенциалов к аноду и катоду, образуя в рабочем пространстве камеры электрическое поле. Одновременно в камеру поступал аммиак, который диссоциировал на азотсодержащие ионы, образующие газовый разряд. Вследствие бомбардировки образца ускоренными в электрическом поле ионами происходил интенсивный поверхностный разогрев образца до температуры 300-400^oC. Это обеспечило появление у материала образца ионной проводимости и разогрев его по объему до температуры 1450^oC. При этой температуре выдерживали образец в течение 1 ч. В результате чего происходило спекание материала образца.Example 1. A sample pressed from zirconia powder material with the addition of 3 wt.% Yttrium oxide was fixed to the cathode of the sintering chamber. Then a potential difference was applied to the anode and cathode, forming an electric field in the working space of the chamber. At the same time, ammonia entered the chamber, which dissociated into nitrogen-containing ions forming a gas discharge. Due to the bombardment of the sample by ions accelerated in an electric field, intense surface heating of the sample to a temperature of 300-400 ^o C occurred. This ensured the appearance of ionic conductivity in the sample material and heated it in volume to a temperature of 1450 ^o C. At this temperature, the sample was kept for 1 h. As a result, sintering of the sample material occurred.

Была получена циркониевая керамика с механическими характеристиками: плотностью 5,6 г/см³, твердостью 14 ГПа и трещиностойкостью 9 МПа м^0,5. Технологический цикл занимает 1,5 ч.Zirconia ceramics with mechanical characteristics was obtained: density 5.6 g / cm ³ , hardness 14 GPa and crack resistance 9 MPa m ^0.5 . The technological cycle takes 1.5 hours.

Пример 2. Циркониевая керамика была получена так же, как в примере 1, но выдерживали в течение 1 ч при температуре 1650^oC.Example 2. Zirconia ceramic was obtained in the same way as in example 1, but was kept for 1 h at a temperature of 1650 ^o C.

Полученная циркониевая керамика имела плотность 6,1 г/см³, плотность 19 ГПа и трещиностойкость 13 МПа м^0,5. Технологический цикл занимает 1,75 ч.The resulting zirconia ceramic had a density of 6.1 g / cm ³ , a density of 19 GPa and a crack resistance of 13 MPa m ^0.5 . The technological cycle takes 1.75 hours.

Пример 3. Циркониевая керамика была получена так же, как в примере 1, но выдерживали в течение 1 ч при температуре 1850^oC.Example 3. Zirconia ceramic was obtained in the same manner as in example 1, but was kept for 1 h at a temperature of 1850 ^o C.

Полученная циркониевая керамика имела плотность 5,8 г/см³, твердость 19 ГПа и трещиностойкость 6 МПа м^0,5. Технологический цикл занимает 2 с.The obtained zirconia ceramics had a density of 5.8 g / cm ³ , a hardness of 19 GPa and a crack resistance of 6 MPa m ^0.5 . The technological cycle takes 2 s.

Ниже приведена таблица, где приведены механические характеристики циркониевой керамики, полученной предлагаемым способом и известным способом, взятым за прототип. The table below shows the mechanical characteristics of zirconium ceramics obtained by the proposed method and the known method, taken as a prototype.

Как видно из таблицы, керамика, полученная предлагаемым способом, имеет более высокий уровень механических характеристик по сравнению с механическими характеристиками керамики, полученной известным способом. Все это происходит благодаря активации процесса спекания при нагреве путем ионной бомбардировки и пропускания электрического тока через образец и благодаря насыщению азотом материала образца при его бомбардировке заряженными азотсодержащими частицами, что позволяет повысить качество спекаемого материала, уменьшить энергоемкость спекания и сократить время процесса. As can be seen from the table, the ceramic obtained by the proposed method has a higher level of mechanical characteristics compared with the mechanical characteristics of ceramics obtained in a known manner. All this occurs due to the activation of the sintering process during heating by ion bombardment and the passage of electric current through the sample and due to the saturation of the sample material with nitrogen when it is bombarded with charged nitrogen-containing particles, which improves the quality of the sintered material, reduces the energy consumption of sintering and reduces the process time.

Claims (1)

Способ спекания циркониевой керамики, включающий нагрев спекаемого изделия до 1500 1700^oС и последующую выдержку при этой температуре, отличающийся тем, что нагрев на окончательной его стадии и выдержку проводят в азотсодержащей плазме тлеющего разряда путем пропускания через спекаемое изделие электрического тока и ионной бомбардировки его поверхности.A method of sintering zirconia ceramics, including heating the sintered product to 1500 1700 ^o C and subsequent exposure at this temperature, characterized in that the heating at its final stage and exposure is carried out in a nitrogen-containing glow discharge plasma by passing electric current and ion bombardment of its surface through the sintering product .

Images