автореферат диссертации по металлургии, 05.16.06, диссертация на тему:Разработка горячепрессованных композиционных керамических материалов на основе оксида алюминия с высокими физико-механическими свойствами конструкционного и инструментального назначения

РГб од

1 >\ ШОП А1Ш ДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ПРОБЛМ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ им. И.Н. Францеьича

На правах рукописи УДК 621.182: 762.5

ОРЛОВСКАЯ Нина Анатольевна

РАЗРАБОТКА ГОРЯЧЕПРЕССОВАННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ С ВЫСОКИМИ ФИЗИКО -МЕХАНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ КОНСТРУКЦИОННОГО И ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Специальность: 05.10.06 - Порошковая металлургия и

композиционные материалы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1993

Работа выполнена в ордена Трудового Красного Знамени Институте проблем материаловедения им. М.Н.Францевича Академии Наук Украины

Научные руководители: член корреспондент АН Украины, д.т.н.

проф.С.А. Фирстов доктор физико-математических наук О Н. Григорьев •

Официальные оппоненты: доктор физико-математических navi-;, проф.

С.М. Варинов

кандидат химических наук Б.И. Павликов

Ведущая организация: завод им. Петровского (г. Киев )

Защита состоится "_"__1993г. в "_"часов

на заседании специализированного совета Я 010.£5.О"

Ордена Трудового Красного Знамени Института проблем материаловедения АН Украины по адресу: "К'ОЗО. Киев-ОЗД. ГОТ. ул. Кржижановского 3

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Института проблем материаловедения АН Украины

Автореферат разослан "__"_1993г.

Ученый секретарь специализированного совета доктор технических наук

P.E. Ми пакета

ЭСШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1. Актуальность работы

Научно-технический прогресс.предопределяет необходимость создания новых материалов, т.к. значительное улучшение долговечности деталей и конструкций машин и агрегатов в большинстве случаев можно достичь только путем применения новых материалов. В гачестве конструкционного и инструментального материала б ряде отраслей техники применяют керамические оксидные тугоплавкие соединения. Это связано с комплексом уникальных свойств, присущих керамике -высокой прочностью при малом удельном весе, химической инертностью. отсутствием сродства с подавляющим большинством металлов. Однако широкое использование керамических материалов в технике ограничивается их недостаточной надежностью ^следствии отсутствия фундаментальных знаний о физико механических основа;-: технологии, о структуре и способах ее регулирования, о физике и механике разрушения при различных термомеханических воздействиях, а также из-за ряда недостатков, основными из которых является хрупкость, слабая стойкость при воздействии ударных нагрузок и др. В связи с этим, является актуальным изучение физики процессов формирования структуры оксидной керамики, которая определяется технологическими приемами ее получения, а такие работа над созданием керамических ма териалов, обладающих повышенными физико-механическими и эксплуатационными свойствами.

Настоящая работа выполнена в соответствии с темами ИПМ АН Украины - 1.6.2.8; 1.6.2.18; 1.6.2.42; 1.6.2.167.

1.2. Цель работы. Разработка горячепрессованных керамических материалов в системе ai0o3 - ZrOo с добавками Y2O3 и TIN, установление корреляционных зависимостей между условиями получения, структуро- и фазообразованием, действием механизмов упрочнения и механическими характеристиками; разработка на основании полученных зависимостей оптимальной технологии получения и составов керамики конструкционного и иннструментального назначения.

Для достижения поставленной цели были поставлены и решены следующие задачи исследования:

- исследование характеристик порошков, полученных различными методами и их влияние на свойства ГП керамики AI2O3 - Zr02( Y0O3);

- исследование микроструктуры, фазового состава, особенностей напряженного состояния материала, действие механизмов упрочнения и

влияние этих параметров на механические свойства керамики на основе А12О3 с различным количеством как 2г0£ , так и УеОз ;

- исследование влияния температуры горячего прессования на структурообразование, фазовый состав, стабильность фаз 2г0г и механические свойства керамики А1г0з - 2г0-> (У2О3 );

изучение влияния Т1Н на механические свойства керамики А^Оз - 2г02 (УоОз ) при комнатной и повышенных температурах;

- исследование износостойкости керамики А1г0з - 2г0о (У^Оз) и А 1^03 - 2тО-> (УоОз ) - "ГШ.

1.3. Научная новизна работы.

1. Проведено всесторонее исследование керамических порошков в системе А120з - 2г0г(У20з) и установлено влияние характеристик порошков на структуру и свойства горячепрессованых материалсь.

2. Проведено систематическое исследование механических свойств ( бг, К1с. Ну, е ) горячепрессованых материалов на основе А1й0з с различным количеством как второй фазы 2г0г, так я стабилизирующей добавки У-03.

3. Установлены механизмы, вносящие вклад в повышение механических свойств керамики, при этом определены составы, для которых предпочтительное действие оказывает один из механизмов упрочнения, при незначительном влиянии других, а также обнаружена корреляция между напряженным состоянием материала и его прочностью. ^

4. Установлено, что введение в керамику системы А1г0з -2г02 (У203) дисперсноупрочнявден добавки Т)М позволяет поеысить трещи-ностойкость и прочность, особенно при повышенных температурах.

5. Изучено влияние количества стабилизирующей добавки У£0з в 2г02 на прочность при комнатной температуре, а также высокотемпературную прочность композитов А1а0з - 2г0о (У0О3 )•• Ш.

1.4. Практическая ценность и реализация результатов работы.

В результате проведенных исследований разработана технология изготовления керамического материала инструментального и конструкционного назначения на основе оксида алюминия с добавками 2г0а, 2г0о(У^0з) и ПИ методом горячего прессования.

Изученные закономерности влияния температуры горячего прессования, структуры, химического и фазового состава на физико-механические и экспуатационные свойства позволяют получить материалы с их

оптимальным сочетанием. Они,также могут быть использоЕаны при разработке новых высокопрочных и износостойких материалов для различных отраслей машиностроения. Оценочные и опытно-промышленные и стендовые испытания режущих пластин и элементов пластин для средств индивидуальной защиты из полученных материалов были проведенны в Особом конструкторско - технологическом бюро ИПМ АН Украины (г. Киев), во Всесоюзном научно-исследовательском институте инструмента ( г. Москва ), на заводе " Моторостроитель" (г.Пермь), в Институте сухопутных войск (г. Киев). Режущие пластины показали хорошие эксплуатационные свойства и перспективность использования полученных материалов для обработки чугуна и стали при определеных условиях работы. Испытания элементов пластин показали возможность использования материала в качестве средств индивидуальной защиты. Разработаны ТУ и ТИ на производство шихты (N 541-30-93) и заготовок ( N 542-30-93 ) режущих керамических пластин на осноео /Л^Оз.

1.5. Апробация работы. Основные-результаты работы и отдельные ее положения доложены и обсуждены на: XVI Всесоюзной научно-технической конференции по порошковой металлургии (г. Свердловск, 1989); конференции " Фивико- химические и технологические характеристики высодисперсных материалов" (г. Дрогобыч, 1989); конференции " Физическое материаловедение и физико-химические основы создания новых материалов" (г.Львов, 1989); конференции " Прочность, пластичность материалов и новые процессы их получения и обработки" (г. Минск, 1990); конференции "Современные проблемы порошковой металлургии, керамики и композиционных материалов" ( г. Киев, 1990 ) ; 7-ой Международной конференции " Ceramics today - tomorrow's ceramics " ( Италия,1990); конференции "Актуальные вопросы материаловедения" (г. Львов,1991); 2-ой конференции Европейского керамического общества (Германия,1991); Всесоюзной конференции " Оксид циркония" (г.Звенигород,1991); семинаре " Механика и физика разрушения хрупких и малопластичных материалов" (г. Рига, 1991); 8-ой металлографической конференции ( ЧСФР, 1992), Украинско - немецком семинаре "Прочность, надежность компонентов конструкционной керамики" (Германия,1992).

1.5. Положения диссертации, выносимые на защиту: 1. Концентрационные зависимости механических свойств (бf. Kic.

Ни, е), ш взаимосвязь с фазовым составом, напряженным состоянием и структурой материала. Условия действия различных механизмов, повышающих механические свойства керамики в зависимости от состава материала.

2. Обоснование выбора температурного режима горячего прессования керамики с улучшенными механическими свойствами.

3. Результаты исследования .влияния дисперсноупрочняющей добавки ПН на высотемпературные свойства керамики А1г0з - 2г0-г (У^Оз).

4. Рекомендации по применению материалов на основе оксида алюминия б качестве режущего инструмента.

1.7. Публикации.

По материалам работы опубликовано 14 печатных работ, из них одно рбшение о выдаче авторского свидетельства.

1.8. Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, приложений. Материал изложен на 176 страницах, содержит 79 рисунков, 9 таблиц, библиографический список из 184 наименований

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении показана актуальность теш, составившей предмет исследований, кратко изложены содержание и структура работы. Сформулированы положения, выносимые на защиту и научная новизна диссертационной работы.

2.1. Глава I. Литературный обзор.

Показана перспективность применения в качестве конструкционного и инструментального материала керамики на основе А12О3 с добавками 2г0о (2ТА), т.к. она имеет высокие механические и эксплуатационные свойства. Проведен анализ теоретических моделей, объясняющих механизмы повышения прочности и трещиностойкости керамик, содержащих диоксид циркония. Рассмотрены следующие модели:

- фазовое превращение ггОг, вызываемое приложением внешнего напряжения;

- ыикроратрескивание;

- упрочнение, связанное с'возникновением поверхностного сжатого слоя;

- отклонение и торможение трещин на частицах второй фазы;

- переориентация доменог I 7лОо при приложении внешних напряжений;

- обратимое фазовое превращение ЪгО-г ;

- образование мостиков, связывающих берега трещины при ее распространении.

Итерпретация теорий повышения вязкости разрушения и прочности 7.ТА на практике показывают большую неопределенность. Поведение этих материалов показывает сложные зависимости, включающие эффекты содержания 2г0г, количество которого влияет на критическое превращение из тетрагональной б-моноклинную фазу, различные вклады от микрорастрескивания, иногда весьма сильные эффекты поверхностного сжатия, вызванного механической обработкой. В некоторых случаях существуют веские доказательства повышения К1С в результате мар-тенситного превращения, в других - повышение К1С связывают с образованием микротрещин, в некоторых материалах проявляются совместные эффекты, а также доменная переориентация |-,-2гСЬ. Делается еы-вод, что преобладающий механизм повышения вязкости в 2ТА зависит от материала и технологии, и что каждая система требует исчерпывающего исследования, чтобы выяснить преобладающий источник прочности и трещиностойкости.

Для эффективного управления технологическим процессом получения высокопрочной керамики необходимо контролировать все основные характеристики порошка. На основании проведенного анализа публикаций сформулированы основные требования к исходным порошкам А1оСЬ, -1г02 - У203 :

- чистота по исходным примесям,- вызывающим появление стекловидных зернограничных фаз, которые могут вызывать аномальный рост зерен матричной фазы, а также способствуют снижению высокотемпературной прочности;

- высокая дисперсность и узкая полоса распределения по разерам как кристаллов, так и агломератов;

- образование относительно мягких, легко разрушаемых агломератов;

- оптимальный фазовый состав, обеспечивающий максимальное действие различных механизмов упрочнения.

Проведен анализ публикаций, рассматривающий различные аспекты физико-механических свойств керамики АЬОз - 2г0о . Рассмотрено влияние различного количества второй фазы 1г0->, а та-

кже количества стабилизирующей добавки У2О3 на механические свойства и фазовый состав исследуемых материалов. Следует добавить, что из-за различий в методах приготовления порошков и спеченных материалов наблюдаются значительные несовпадения механических свойств для одинаковых составов керамики.

В керамике системы гТА были достигнуты высокие значения прочности при комнатой температуре, однако при этом прочность значительно уменьшается при высоких температурах, что обычно связывают с " выключением " механизма трансформационного упрочнения частиц 2гО>. Одним из путей повышения высокотемпературной прочности является добавление'в композит карбидов тугоплавких металлов, которые образуя каркасную структуру препятствуют зернограничному скольжению А12О3 и 2г02 при повышенных температурах. В то же время карбиды тугоплавких металлов термодинамически менее стабильны, а также механическая и термическая совместимость структурных составляющих у них ниже, чем у нитридов, поэтому в качестве дисперсноупрочняю-щей фазы желательнее выбирать нитриды тугоплавких металлов.

В настоящее время экспериментальные данные о взаимосвязи микроструктуры, фазового состава, внутренних напряжений полученных материалов на основе гТА и их свойств недостаточны и часто противоречат друг другу. Также нет полных сведений о влиянии температуры горячего прессования на различные характеристики керамики, не исследован износ керамики «¡оОз-ггОо и А1г0з - ЪгО-¿- различных составов, поэтому в завершении главы сформулированы задачи исследования.

2.2. Глава 11. Исходные порошковые композиции, технология изготовления материалов и методы исследования.

Объектами исследования в работе были шихты -^гО^О'-^Оз),

полученные различными методами - по традиционной керамической технологии (смешивание в требуемой пропорции и размол в шаровой мельнице); совместным осаждением из растворов солей; криохимическим и плазмохимическим синтезом. Морфология и структура частиц порошка была изучена с помощью растрового и просвечивающего . электронных микроскопов. Распределение частиц по размерам изучено на основе нескольких методов : дифракции лазерного луча, фотоседиментации и ртутной порометрии. Химический состав порошков контролировали рентгенофлюоресцентным, атомноабсорбционным и эмисионным спектральными методами. Фазовый состаБ порошков изучали методом рентге-нофазового анализа.

Для получения керамических образцов использовали метод горячего прессования. Для удаления с горячепрессованных образцов поверхностного дэффектного слоя заготовки шлифовали алмазным кругом зернистостью 100/80. Параметры структурного состояния изучали электронномикроскопическим, микрорентгеноструктурным, рентгенофа-зовым анализами, а также методом рентгеновской тензометрии.

Материалы характеризовались : плотностью, прочностью при трехточечном изгибе, твердостью по Виккерсу, трещиностойкостыо, определяемой методом индентирования и методом изгиба надрезанных образцов, износостойкостью при абразивном изнашивании и трении с металлом. Износостойкость образцов также определяли при обработке резанием стали и чугуна.

2.3. Глава Ш. Влияние способа получения порошка на структуру и свойства керамики системы ai2o3 - ZrO2 (y2o3)•

Существует множество разнообразных методов получения порошковых керамических композиций. Представляет интерес изучить наиболее характерные из них, для того, чтобы аттестовать порошки, получаемые этими методами и выделить наиболее важные параметры порошка, влияющие на механические свойства керамики. Для этой цели были выбраны методы, указанные в главе 2, как наиболее типичные, и в то же время разнообразные, с исспользованием которых порошки различались по большинству существенных признаков. Микроскопические исследования морфологии и структуры порошков, показали значительные различия между ними. Так, частицы ос - ai2o3 используемые для механического смешивания порошков имели правильную кристаллическую форму с dcp - 2,5 мкм, характерную для ai0o3, полученного методом Байера, ш - 2г0г, производства ДЗХР, состоял из нескольких структурных элементов с размерами от 0.05 до 5.5 мкм. После размола б шаровой мельнице происходит уменьшение среднего размера частиц до 1 мкм. Порошок, полученный совместным осаждением из раствора солей - частичнорентгеноаморфный, ультрадисперсный, состоит из t -Zr02 и г - AI2O3, который представлен частицами игольчатой формы. Криохк-мическим синтезом был получен ультрадисперсный порошок, содержащий t1-ai2o3 и t-Zr02- После отжига криохимического порошка 5уд значительно уменьшилась от 89 до 2.1 м2/г, одновременно увеличивая размер агломератов и кристаллитов, произошло модификационное превращение п-^-А^Оз и исчезла внутриагломератная пористость. Порошок,

полученный методом ПХС содержал примесей до 1 т.е. на порядок больше, чем -остальные. Он содержал смесь различных фаз как АЬ^Оз (г,б ), так и 2т0^ (тД.с). Порошок имел сферическую форму как кристаллитов, так и агломератов. Различия в характеристиках порошков привели к соответствующим различиям в структуре и свойствах горячепрессованных материалов. Характеристики горяча-прессованной керамики представлены в таблице 1.

Таблица 1

Характеристики ГН керамики (Т.- IС-00. Р - 25 МПа, « - 1 час).

| ы шихты

| Фаз. состав 1Ср-ний р-р | 2г0г | зерна, |(масс. доли)."| мкм Ь

-I--1--1--1--

i ш i ь | с | 2г02|а];-0^

1-1-1-1—-4--

бг МПа

р I К]С Г Ну. г/см3 I | ГПа

|МПатп,/?|

1 (мех.см.) |13

| 10"| 1.1 |3.2

|л' 3 (СОС) | 14 |86 | - | 0.501 1.7

¡У 4(кр.с-з) |4.3 |90.Г| - | 0.4 I

1/У 5(кр.с-з) | £ |98 | - | 0,3 | 1,1

|Л'6 (ПХС) | 45 |45 | 10 | £.5 | 2.5

I_I_I_I__!_1_

300 430 500 ГШ 254

4.48 | 4.00 I 3.93 | 4.27 | 3.5 |

7.4 7.1

115 I "

¡16,5 117.2 I "

Б шихте .1 существует 1'-фаза, в результате базового перехода сЧ.' - 2г0г при охлаждении после горячего прессования. Во всех случаях А1 '_>Г-Ъ существует в «с - форме

Свойства полученных в одинаковых условиях материалов определяются их структурой.Наименьший размер зерен как А12О3, так и ггОг (см. табл. 1 ) имеют материалы из наиболее дисперсных порошков. Зерна А12О3 в этих керамиках имеют внутренние диффузионные поры, образующиеся по двум причинам: 1) б результате фазового'перехода г-а или V - а А12О3, который сопровождается увеличением плотности и уменьшением удельной поверхности порошка; 2) из - за разницы КТР А1-20з и 2т0о, способствующей различной скорости уплотнения этих фаз. Также, в связи с высокой дисперсностью порошка, в процессе спекания происходит значительная рекристаллизация И Формируется структура О ЬНУТрИ&гРсННЫМИ Ч&ЧЖЙМИ 7л0-;:,

В керамике из криохимического порошка наблюдалась значительная неоднородность в распределении фаз А1г0з и 2г0-г. В результате шлифования возрастает количество ш-2г0г на шлифованной поверхности по сравнен™ с объемом образца, что свидетельствует о способности к трансформационному превращению вероятно из-за присутствия

пористости, т.е. свободного объема. Прочность этой керамики оказалась невысокой из-за наличия внутризеренной пористости и не гомогенного распределения фаз.

Представляло интерес сравнить сьойстБа керамики, полученной из порошка, содержащего А1<>0з б а-фазе, т.е. не претерпевающей никаких фазовых переходов в процессе ГП с керамикой, в которой п-й-переход А1г0з происходит во время ГП. Для этого часть криохимического порошка отожгли при 1-1320°С в течении 2 часов. Оказалось, что керамика после ГП, несмотря на значительное уменьшение Зуд порошка, имела с1д1_203'ч'1,1 мкм, с^гОй-О.б мкм. Пор внутри зерен А1^0з было значительно меньше й керамика имела более высокие значения плотности и прочности, а также более гомогенное распределение фаз. В результате шлифования наблюдается незначительный прирост т -2г0г (ДСП1 - 4 /!), из-за отсутствия пористости способность к превращению 1~>гл-2гОг минимальна. Трещиностойкость приблизительно одинакова для обеих керамик, однако из-за присутствия пористости наблюдается тенденция к некоторому повышению К1С У керамики, полученной из л - А1о0з.

Оразцы, полученные из шихты ПХС имели высокую пористость обусловленную фазовым переходом из метастабильных модификаций в «-фазу, и слабые границы зерен из-за присутствия стеклофазы, что явилось причиной низкой прочности этого материала.

Образцы, спрессованные из шихты, полученной механическим смешиванием компонентов, имели наиболее высокую прочность (таб.1), несмотря на достаточно большое количество т- 2г0<г в объеме образцов (Ст « 16%) и не наименьший размер зерен А1г0з. У20з в процессе ГП перераспределился соотвествующим образом, преимущественно сконцентрировавшись в зернах 2гС!2, стабилизировав тетрагональную фазу. Обсуждение причин, приводящих к высокой прочности данной керамики приведено в главе 4.

Проведенные исследования показали большую разницу в структуре и механических свойствах керамики одного и того же химического состава, полученной в одинаковых условиях, но из различных исход-

них материалов. Было определено, что из шихт, полученных различными способами, наивысшую прочность имела керамика иг промышленного порошка. Поэтому это сырье было выбрано для проведения дальнейших исследований, а также потому, что оно имеет низкую себестоимость по сравнению с порошками, полученными такими методами как крио-или плазмохимический синтез или совместное осаждение из растворов солей.

Несмотря на то, что полученные данные относятся к конкретным смесям компонентов и наблюдавшиеся закономерности вряд ли могут быть распространены на все подобные материалы, их можно считать достаточно характерными для композитов системы А1^0-з. -. 2гСЬ (УоОз)-

2.4. Глава IV. Б этой главе изложены результаты исследования механических свойств, фазового состава, структуры керамики А12О3--2г0г (У2О3) с различным количеством как второй фазы 1г0% , так и стабилизирующей добавки УоОз, а также влияия ТГп на характеристики материала.

Исследование влияния содержания 2г0-2 в керамике на прочность показало, что характер зависимостей определяется содержанием.стабилизатора У20з и все зависимости имеют максимум при различном со-дежании 2г0г (рис.1а). Для составов, где 2г0-> не стабилизирован УоОз, максимум бг- имеет состав, при котором еще не наблюдается существенного спонтанного микрорастрескиванияя матрицы в окресности частиц 2т0г, которые преимущественно находятся в I - модификации.

Зависимости трещиностойкости, абразивной и механической износостойкости (г) также имеют максимум для этих составов при 10 масс % 1г02 (рис.1 б,в). Повышенные значения бг,К1С и г керамики ЛЬО;-, - 10 масс % 1г02 объяснимы тем, что на поверхности разрушения осуществляется фазовый переход из Ь-гп -2г0'>, из-за которого происходит увеличение механических сеойсте. В этой керамике присутствуют микротрещины, т.к. часть зерен ( ЗОЮ 2г0г самопроизвольно при охлаждении после ГП совершила переход из 1-»т-2г02, однако плотность их в материале незначительна, поэтому данная керамика способна упрочняться и по механизму микротрещиноватости. При рассмотрении напряженного состояния зерен А12О3 и частиц т-2г02 (рис.1г) видно, что при 10£ 2г02, те зерна, которые находятся в ш-.фазе, обладают относительно высокими напряжениями сжатия (-800 МПа). При последующем увеличении вводимой второй фазы происходит сильное

ю

го

о'т,

го

та

-ЬСй

Г/Л05

, айразибный и зное .¡¡¡ц

. механо-химический износ

л __ —л

го 30 40

пае'/.

кз Мг03 В

1-Ж ■

20 30 40 мас.ХЩ 0'/Л03

2У.УЛ03 Шо3

ЪмХУА

го-го-

ю го за ао нас.%ггог

Ь-Сг

• - шлафебанная

) мЩнмсть

\ /?УУ/} а V/» гги3 разрушения

РО

30 40 мас'/,&Ог

30 40 пас/.2гОг

Рис.1 Концентрационные зависимости а) прочности; б) трешиностсй-хости: в) относительной износостойкости; г! внутренних напряжений з ш - 2г0г и А12О3; д) фазовые соотношения ЪгОъ в объеме образцов; ■5) прирост ш - 2 г Ой при шлифовании и разрушении п керамике Л1£-0з-1г0-2(У'20з) различного состава

снижение напряжений в зернах m - ZrO^ (6СЖ- £ООШа), что свидетельствует о микрорастрескивании материала, соправождащееся значительным ухудшением механических свойств.

Исследование влияния добавки Zr02 с 2 и 3 моль 1 Y2O3 на свойства материала также представлены на рис.] а-д-Kic практически не меняется в интервале концентрацией Zr02 от 0 до 40 масс 2, в отличие от материала с нестабилизированным ZrOg. В этом случае величины Кю могут быть обусловлены несколькими микромеханизмами: увеличением микрорельефа поверхности рарушения из-за обхода трещиной препятствий (частиц ZrOo), фазовым превращением t.-»m-Zr02, микрорастрескиванием. Фрактографический анализ показал, что рельеф поверхности разрушения слабо меняется при изменении содержания ZrO-2 (3 мольY2O3), поэтому вклад в Кю механизма огибания трещиной препятствий должен быть постоянным. Вклад трансформационного упрочнения, будучи мал при 10 масс Z ZrOo, уменьшается до 0 при 40 масс Z ZrOv (рис.1д,е).Эффект микрорастрескивания по мере увеличения энергии упругих деформаций с ростом количества ZrOo должен увеличиваться. В целом, трещиностойкость в этих условиях может не изменяться с увеличением содержания ZrOo ь изученных пределах, что и наблюдается. Твердость с увеличением количества ZrOo падает, т.к. уровень твердости ZrO-z меньше, чем AI2O3 . Для прочности наблюдается резкое увеличение от £00 МПа до S00 МПа для ÄI2O3 - 20 масс 1 ZrO-г (3 моль % Y2O3). Такое увеличение 6t при постоянстве Кк: объясняется изменением дефектного состояния керамики, а именно уменьшением размеров ее дефектов при введении второй фазы. В то же время при превышении критических для материала концентраций Zr02 (более £0 моль %)j происходит спонтанное растрескивание, которое при- ' водит к росту размера дефектов с соотвествующим уменьшением прочности. . Анализ напряженного состояния зерен керамики AI2O3 - Zr02 (3 моль% Y2O3) проведен на основе рисунка 1г. m-Zr02 находится в сжатом состоянии (бет - 300 МПа), снижения напряжений с увеличением количества 2г0г не происходит. Напряжения в зернах AI2O3 изменяется от напряжений растяжения (браст.-Ю Ша) при 10 масс X Zr02 до напряжений сжатия (бСт -200 МПа) при 30 масс % ZrOo. Однако при введении 40 масс £ Zr02 происходит спонтанное микрорастрескивание с последующей релаксацией напряжений сжатия в матрице из AI0O3, которые резко снижаются и даже изменяются до растягивающих. Наблюдается корреляция между зависимостью прочности при разных

концентрациях ZrO-z и напряженным состоянием матрицы AI2O3 . Повышенные значения 6f наблюдаются, когда AI2O3 находится в сжатом состоянии, при этом практически не существует растрескивания из-за ш-2г02.

При исследовании влияния температуры ГП на свойства керамики была определена оптимальная Тгп - Г/00°С, при которой достигается наибольшие 6t ,1'ic и р материала.

2.5. Глава V. Эта глава посвящена исследованию свойств керамики на основе AI2O3 содержащей помимо добавки 2г0г дисперсноуп-рочняющую добавку TiN. Представляет интерес изучение влияния одновременного действия этих добавок на физико-механические свойства керамики из ai2o3. Получены зависимости прочности керамики AI2O3 с различным количеством ZrOo (3 моль Z y2o3), в котрую вводили различное количество TiN. Добавка 10-20 масс % TiN увеличивает прочность, однако при последующем увеличении ее количества б{ уменьшается с 950 МПа до 600 МПа, что связано с плохой спекаемостью TiN, особенно при невысоких Тгп. На плох'ую спекаемость указывают невысокие значения плотности материала. Трещиностойкость также увеличивается при введении TiN. Основными фазовыми составляющими керамики являются «-ai2o3 ,m-, t-ZrOg, а также TiN. Причем из-за диффузии углерода при ГП в керамике вместо TiN образуется соединение состава TiCx Ny, что выражается в смещении пиков на дифрактограм-мах в сторону меньших углов.

На рис.2 представлены температурные зависимости б{ и Kic керамики, полученные в одинаковых условиях, но отличающиеся тем, что в одной из них присутсвует TiN. Наличие TiN существенно улучшило высокотемпературные свойства. Известно* что керамика AI2O3 -Zr02 (Y2O3) характеризуется значительным разупрочнением при увеличении температуры из-за " выключения " механизма трансформационного упрочнения. Это разупрочнение также связано с наличием примесей по границам зерен и приводит к интеркристаллитному разрушению при высоких температурах. В то же время введение TiN позволяет сохранить высокую прочность до более высоких температур, что связано с эффектом дисперсионного упрочнения и с тем, что наличие частиц TiN между зернами AI0O3 и ZrOo осложняет проскальзывание по их границам. При введении TiN меняется характер температурной зависимости Kic: максимум Кю смещаетя с 700 на 900°С, а также наблюдается повышение абсолютной величины К ¡с (АКю -1-5 - 2 МПа м 1/2').

л-сЪЛ/

о-&зТ!/У

Рис.2 Температурные зависимости прочности (а) и трешинос-тойкости (б) керамики А1-?0з - 30 1 2г0х ( 3 моль % УоОз ) с добавкой и без ПН

Из керамики А1г0з - 2г02 ( У2О3 ) - 'ПН были изготовлены режущие пластины для проведения испытаний по резанию. Результаты испытаний при точении с ударом серого чугуна С418 представлены на рисунке 3. Все испытанные пластины имеют нормальный характер износа как по передней, так и по задней поверхности, сколов и выкрашиваний режущей кромки не наблюдалось. Пластины, в составе которых отсутствуют стабилизирующая добавка ¥¿03 несколько уступают по стойкости смешанной керамике БОК 95С и ОНТ - 20 (ТУЭ- 0,3 за 3 -12 мин. работы ) Пластины состава А1г0з - 30 масс %2г0/(3 мольХ У2О3) - 20 масс % Ш) превышают по стойкости пластины ВОК 95С и ОНТ - 20 их стойкость соизмерима со стойкостью пластин нитридкой керамики ( IVэ- 0,3 за 21 мин ). Разработанный материал рекомендован для применения на заьоде "Моторостроитель" (г.Пермь).

точение е ударом

керамических пластин при точении с ударом серого чугуна СЧ13

ОБЩЕ ВЫВОДЫ.

1. При исследовании концентрационных зависимостей АЬО;; с. различным количеством как 2гС-г, так и У^Оз было обнаружено, что максимум прочности при изгибе соответствует содержанию 20 масс % 2г02 с. 3 моль % У¿Оз. что связано с небольшими размерами дефектов Гриффитса, а также с благоприятным напряженным состоянием как мат-рици АЬ'Оз, так и 2г02-

2. Концентрационные зависимости трещиностойкости максимума не имеют, в тех случаях, где 2гО? стабилизирован УоОз , что обусловлено наложением эффектов различных механизмов упрочнения (огибания трещиной частиц второй фазы, фазовым превращением 1-т-2г02 , микрорастрескиванием .

3. В случае керамики А120з-2г0;; без стабилизатора, максимум трещиностойкости и прочности присутствует при 10 масс % ИгОе, что обуславливается действием механизма трансформационного упрочнения и микрорастрескивания.

- JG -

4. Введение в керамику системы Al^Oa-ZrO^ дисперсноупрочняа-щей добавки TiN позволяет повысить трещиностойкость и прочность, особенно при повышенных температурах, что позволяет расширить интервал рабочих температур керамики.

5. Установлена оптимальная температура горячего прессования, при прессовании на которой керамика А1е0з - ZrOo С Y2O3) имеет максимальные значения прочности и трещиностойкости из-за достижения максимальной плотности, гомогенного распределения фаз,поверхностных сжимающих напряжений, незначительных размеров зерен керамики.

6. В случае использования горячего прессования для получения керамики Л12О3 ZrOo можно использовать промышленные порошки исходных компонентов, с помощью, которых по традиционной керамической технологии получены образцы, обладающие высокими механическими свойствами.

7. Основные требования, которым должны соответствовать шихты для получения высокопрочной керамики следующие:

а) стабильная « - форма AI2O3, которая позволяет избегать возникновения пористости при ГП керамики;

б) дисперсное и равномерное распределение компонентов шихты;

в) наличие примесей не должно превышать десятых долей процентов.

Основные положения диссертации опубликованы е следующи:-: работах:

1. Григорьев О.Н., Гогоци Ю.Г., Орловская H.A. Горячепрессо-ванные материалы системы AI2O3 - ZrOo - TiN // Порошковая металлургия. Тезисы докладов XVI всесоюзной научно-технической конференции в г. Свердловске,17-19 мая 1989 года. - Свердловск: Институт металлургии УрОАИ СССР, 1989 - с. 39-40.

2. Гогоци Ю.Г., Михайленко А.А., Орловская H.A. Технология получения криохимических порошков на основе AI2O3 // Физико-химические и технологические характеристики высокодисперсных материалов. - Киев: ИПМ АН Украины, 1989. - с. 46-4S.

3. Гогоци Ю.Г., Григорьев О.Н., Орловская H.A. и др. Упрочненная керамика на основе AI2O3 // Огнеупоры. - 1909 - N 11 - с. 10 13.

4. Гогоци Ю.Г., Орловская H.A., Кривошей Г.С. Взаимосвязь между технологией получения, структурой,-фазовым составом и свойс-

твами керамики на основе AI2O3 // Прочность, пластичность материалов и новые процессы их получения и обработки: Тезисы докладов научно-технической конференции в Минске, 29-30 марта 1990 года; Минск: Физико- технический институт АН Веларусии; 1990 г. • с.09.

5.ГОГОЦИ Ю.Г., Орловская 11.А. и др. Влияние состава на прочность и трещиностойкость керамики AI2O3 - 2г0г - Tit)// Современные проблемы физического материаловедения. Киев: И11М АН Украины, 1990г. c.lOCvlll.

6. Пономарчук С.Г., Орловская II.А. Получение керамического порошка системы А1г0з - ZrO^ - Y2O3 криохимическим методом // Современные проблемы порошковой металлургии, керамики .и композизцион-ных материалов. Киев: ИПМ АН Украины, 1990г.- с.80-83

7. Grigor'ev О., Orlovskaya N., Gogotsi Yu. Dispersion-strengthenid and transformation-toughened AI2O3 -based ceramics.//Ceramics today-tomorrow's ceramics: Proceedings of the 7th International Meeting on Modem Ceramics Technologies (7th Cimtec-World Ceramics Congress) Montecatini Terrce. Italy, 24-30 June, 1990;- Italy, Elsevier, 1991.- p.2821-2330

8. Григорьев O.H., Фирстов С.А., Орловская H.A. Изготовление, свойства и применение керамики в системах AI2O3 - ZrOo и AI0O3 -ZrOo - TIN //Оксид циркония: Тезисы докладов к Всесоюзной конференции в г.Звенигород,- 9-11 сентября 1991г.;- Звенигород: Наука, 1990, с.27.

9. Grigoryev 0.N., Gogotsi Yu.G., Orlovskaya N. A. Effect of TiN on the mechanical properties of AI2O3 - ZrOv ceramics //European Certnic Society Second Conference, Augsburg. Germany, 11-14 September, 1991; - Germany,1991 p.

10. Бабий 0.A., Орловская H.A., Андреева Н.Г. Влияние добавки ZrOa (3 моль 7. Y2O3 ) на механические свойства и структуру керамики из AI2O3 //Актуальные вопросы материаловедения,- Киев: ИП-.-1 АН Украины, 1990. - с.81-88.

11. Гогоци Ю.Г., Григорьев О.Н., Орловская Н.А. Влияние способа получении пихты на структуру и свойства керамики системы AI2O3

- 2г0г - V2O3 //Огнеупоры.- 1991 - Н6 - с. 2-5.

12. Ковальченко A.M.. Орловская Н.А. Дифференцированный подход в оценке износостойкости инструментальной керамики в системе А1*0з

- Zrt>2 (Y2O3 )//Трение и износ.- 1992.- Т. 13 - N2. - с. 328-332.

13. Орловская Н.А.., Пономарчук С.И., Хоменко Г.Е. Физико-меха-

нические свойства и разрушение хрупких керамик в системе А^Оз -2г0г (УгОз )//Механика и Физика разрушения хрупких материалов. -Киев: ИПМ АН Украины, 1992.- с.88-93.

14.Решение о выдаче авторского свидетельства по заявке N 4903213 " Шихта для керамического инструментального материала на основе А1-0з " Гогоци Ю.Г., Ярошенко В.П., Григорьев О.Н., Орловская Н.А. от 22.01.92 г. Приор. 21.01.91 г.

АН0ТАЦ1Я.

дисертагцйно! роботи по тем1: "Розробка гарячепресованих композищй-них керам1чних матер1ал1в на основ 1 оксиду алюмШю з високими ф1зи-ко-механ1чними властивостями конструюдиного та 1нструментального призначення ".

В ряд! галузей техники використовують керам1чн1 оксидн1 туго-плвю сполуки. Актуальним с виБчення ф1зики процесс1в формування структури окисно1 керамш!, котра визначасться технолог1чними прийомами п отримання, а також робота над створенням керам1чних матер1ал1в з1 зб1лыпеними ф1зико - механ1чними та експлуата-щйними властивостями. У зв'язку з цим, метою роботи с розробка гарячепресованих керашчнпх матер1ал1Ь у систем! А12О3 2г0;> з до-датками УгОз 1 ИМ, встановлення корелящйних залежностей м1ж умо-вами одержання, структуро- 1 фазоутворенням, Д1сю механ1зм1в змщнення 1 механ1чними характеристиками, розробка на основ1 отриманих залежностей оптимально! технологи отримання та склад!в керам1ки конструкц1иного та инструментального призначення.

Цля досягнення поставлено! цШ були сформульован!, 1 вир1ше-Н1 наступи! задач! досл1дження:

- досл!дити характеристики порошк1Б, отриманих р1зноманотними методами та !х вплив на властивост! гарячепресовано! керам1ки А120з - 2Г02(У20з');

- досл1дити макроструктуру, фазовий склад, особливлст1 напру-женого стану матер1алу, ддю механ1зм1Б зм1цнення та вплив цих параметр1в на механ1чн! властивост! керам1ки на основ! А12О3 з р1зноман1тною к!льк!стю як 2г0г, так ! УоОз ;

- досл!дити вплив температури гарячого пресування на структу-ротворення, фазовий склад, стабыьнасть фаз 2г0г ! механ1чнх влас-

TUBOcTi кераШки AI2O3 - Zr02 CY^Oj);

- Бивчити вплив TiN на MexaHi4Hi властиБост1 керашки Л1<>0з-ZrO^ (Y2O3) при KiMHaTHiii та тдвищених температурах;

- вивчити SHOcocTifiKiCTb керамш! AI2O3 - ZrOo О2О3) i Al^Oj - Zr02 (Y2O3) - TiN .

Наукова новина.

- проведено всесторонне досл1дження керам1чних nopoiuKiB у систем! AI2O3 - Zr02(Y2C>3), встановлено вплив характеристик порошк1в на структуру i властивост1 гарлчепресованих матер1ал1в.

- дослхджен! механ1чн! властивост! (6t, Kic,H7,£) гарячепре-соваянх материал) в на основ! А]2О3 з р!зною юльк!ота як друго! фази Zr62. так 1 CTa6iл!зуючого додатку Y2O3.

- встановлен1 механiзми, як1 рсблять внесок у збзльшення ме-хан1чних властиЕостей керашки, при цьому визначена склади, для яких переважну дш проявляс один is MexaHisMiB змщнення. при неаначному вплив1 imimx, а також вперше виявлена корреляция Mix напруженим станом материалу та його м1цн:стю.

- встановлено, що введения у керам1ку системи AlvCij -Zr02(Yv03) дисперснозмщнвючого додатку TiN дозволяс гпдвицнтн мШ-HicTb i TpiuwHOCTiiiKicTb, особливо при Шдьищених температурах.

- досл1джено вплив коькост! стабШзуючого додатку Y2O3 у Zr02 на Min.Hic.Tb при к1мнатн!й температур!, а також високотемпе-ратурну мШн1сть композите AI2O3 - ZrO^C-teOj) - TiN.

Практична цШпсть роботи полягас у тому, що розроблена те-хнолопя виготовлення керам1чного композищиного матерхалу iHCTpy-ментального i конструкц1иного призначення методом гарячого пресу-вання. 0щночн1, дослано-промислов! та стендов! випробування р1жу-чих пластин i елемен^в пластин для sacofiiB imuiBi дуального захис-ту is виготовлених матерзал1з були проведен! в ОКТБ 1ПМ АН Украпш ( м. KiiiB ), у Всесоюзному науково-доел:дному 1нститут1 1нструменту (м.-Москва ), на заводi "Моторостроитель" (м. Пермь), в 1нститут1 сухопутних вiйськ (м. KiiiB). Розроблен1 ТУ i Т1 на виробництво ших-ти (. N 541-30-93) i заготовок • ( N 542-30-33) ргжучих керам1чних пластин на 6a3i AI2O3. Розроблен1 матер1али захищен! 1 авторським св1доцтвом.

Об'см роботи - 176 стор1нок. Бона скдадасться si вступу, 5 роздШв, загальних висновк1в, списку л1тератури з 184 найме-нувань, мостить 79 малюнк1в, 9 таблиць, додаток.

Под», в неч. . Формат '.30x84/16. Бул.т\о.

Печ. ode. Усл. нсч. л. .' .Уил.кр.-отт. . Уч.-азд.л. Y.P . Тиран /СО экз. Заказ 948 .

Институт проблей материаловедения

им. й.Н.Фртнцев'лчз Ail JCCP.

2523Ь0 Киев 680, ГСП, ул.Кр.ыизновского,3.

Участок оперативно!! полиграфии

Института проблем латериаловецения

им. И.Й.Францевича АН JССР.

252680 Киев 680, ГСП, ул.Крю:?.эновского,3.- ''