Изучение свойств керамики на основе диоксида циркония, полученной методом Sandwich Plate System и способом ультразвукового компактирования с последующим спеканием

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

"НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"

Институт Физики Высоких Технологий

Направление подготовки 150100 Материаловедение и технологии материалов

Кафедра наноматериалов и нанотехнологий

БАКАЛАВРСКАЯ РАБОТА

Тема работы

Изучение свойств керамики на основе диоксида циркония, полученной SPS-методом и способом ультразвукового компактирования с последующим спеканием

Студент Деркач Евгений Александрович

Руководитель Хасанов Алексей Олегович

Томск

2015



Реферат

Выпускная квалификационная работа содержит 87 страниц, 27 рисунков, 21 таблицу, 55 источников и 1 приложение.

Ключевые слова: керамика, диоксид циркония, ультразвуковое компактирование, искровое плазменное спекание.

Объектом исследования являются керамические образцы на основе диоксида циркония с разным содержанием оксида иттрия, полученные методами ультразвукового компактирования с последующим спеканием и методом искрового плазменного спекания с применением коллекторной пресс-формы.

Цель работы - изучение возможности получения керамики на основе диоксида циркония современными перспективными методами: прессованием с мощным ультразвуковым воздействием с последующим спеканием и искровым плазменным спеканием, установление зависимостей свойств получаемых изделий от технологических режимов синтеза.

В процессе исследования выполнено: синтез образцов методом одноосного холодного ультразвукового прессования с последующим спеканием и методом искрового плазменного спекания с применением коллекторной пресс-формы; подготовка полученных образцов для анализа; измерение плотности, среднего числа и размера пор, среднего размера зерна, микротвердости и трещиностойкости образцов, полученных методом ультразвукового компактирования с последующим спеканием; измерение плотности образцов, полученных методом искрового плазменного спекания с применением коллекторной пресс-формы.

В результате исследования выявлены: влияние ультразвукового воздействия, температурных режимов, концентрации стабилизирующей добавки на свойства керамики на основе диоксида циркония.

Область применения: изготовление элементов запорной арматуры, уплотнительных колец насосов, форсунок распылительных камер, режущего инструмента.

Экономическая эффективность/значимость работы: предложенные методы синтеза позволят повысить эксплуатационные характеристики керамических образцов, при этом себестоимость изготовления увеличится незначительно.

В будущем планируется: провести исследование свойств образцов, полученных методом искрового плазменного спекания с применением коллекторной пресс-формы - анализ пористости, среднего размера зерна и трещиностойкости.



Содержание

Введение

1. Методы изготовления, структура и свойства керамики

1.1 Керамические материалы: определение и классификации

1.2 Керамика на основе диоксида циркония

1.3 Методы синтеза керамики

2. Постановка задач, материалы и методики исследований

2.1 Постановка задач исследования

2.2 Материалы и оборудование

2.3 Метод холодного одноосного прессования с подведением ультразвука

2.4 Метод искрового плазменного спекания с применением коллекторной схемы прессования

3. Анализ и обсуждение результатов исследования

3.1 Метод холодного одноосного прессования с подведением ультразвука

3.2 Относительная плотность

3.3 Микротвердость и трещиностойкость

3.4 Метод искрового плазменного спекания с применением коллекторной схемы прессования

4. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение

4.1 SWOT-анализ метода ультразвукового компактирования изделий с последующим спеканием в вакуумной печи

4.2 Разработка графика проведения научно-исследовательского проекта

4.3 Разработка графика выполнения научного исследования

4.4 Составление сметы научного исследования

5. Социальная ответственность

5.1 Техногенная безопасность

5.2 Анализ вредных факторов производственной среды

5.3 Анализ опасных факторов производственной среды

5.4 Региональная безопасность

5.5 Защита атмосферы

5.6 Защита гидросферы

5.7 Защита литосферы

5.8 Организационные мероприятия обеспечения безопасности

5.9 Особенности законодательного регулирования проектных решений

5.10 Безопасность в чрезвычайных ситуациях

Выводы

Список использованной литературы



Введение

На сегодняшний день циркониевая керамика является одним из наиболее перспективных керамических материалов конструкционного и инструментального назначения за счет своих исключительных свойств. Такая керамика широко применяют в качестве излучательных трубок натриевых ламп высокого давления, оптических линз, твердотельных лазеров. Циркониевая керамика также применяется в качестве микроволновых подложек в запоминающих устройствах и в виде плат для интегральных схем.

Активное использование циркониевой керамики наблюдается в технологии получения деталей газотурбинных и дизельных двигателей, узлов трения, уплотнительных колец насосов, элементов запорной арматуры, форсунок распылительных камер, фильер для протяжки проволоки, режущего инструмента.

Также керамика на основе ZrO2 находит применение в медицине для изготовления имплантатов в костные ткани.Такой широкий спектр применения объясняется исключительными свойствами, такими как высокая прочность, низкая теплопроводность, высокий коэффициент преломления, способность работать при высоких температурах и в агрессивных средах.

Стоит также отметить особые электрические свойства циркониевой керамики, которые позволяют применять данный материал в качестве твердотельных топливных элементов (в качестве электролита), а также фильтров, датчиков, резонаторов и прочей продукции, используемой в производстве мобильных телефонов. Свойства циркониевой керамики также предопределили ее использование в бронекерамике, в качестве пластин в бронежилетах [4].

Для синтеза керамики разработано множество различных технологий, таких как: холодное одноосное прессование с последующим спеканием, холодное и горячее изостатическое прессование [2], искровое плазменное спекание, однако каждый из методов имеет свои преимущества и недостатки, такие как невозможность массового производства, высокая цена, сложность эксплуатации и ремонта установок, недостаточно равномерное распределение плотности по объему изделия.

В этой связи весьма актуальной является проблема разработки конкурентноспособных технологий изготовления керамических изделий. Для решения данных проблем в статьях [2, 10] предлагается использовать более дешевые методы, применяя при этом дополнительные добавки TiO2, а в публикациях используют разные температурные режимы, что позволяет достичь желаемых результатов. В учебниках большое внимание уделяется ультразвуковому воздействию (УЗВ), поскольку оно улучшает распределение плотности по объему изделия и технологические свойства керамики. Стоит выделить метод коллекторного прессования, который представляет из себя модификацию холодного одноосного прессования. Встречно движущиеся в процессе прессования ползуны позволяют увеличить уплотнение компакта и получить более равномерное распределение плотности по объему изделия [14].

Таким образом, поиск современного более выгодного технологического решения для синтеза керамики является одной из важных задач для инженеров, работающих в сфере получение керамических изделий. В связи с этим актуальным является исследование свойств керамик, полученных новыми методами, представляющими из себя модификацию уже ранее разработанных методик, а именно холодное одноосное прессование с подведением ультразвуковых колебаний и искровое плазменное спекание с применением коллекторной пресс-формы в процессе синтеза.

Цель работы:

Исследование возможности получения керамики на основе диоксида циркония современными перспективными методами: прессованием с мощным ультразвуковым воздействием с последующим спеканием и спекание в плазме искрового разряда; установление зависимостей свойств получаемых изделий от технологических режимов производства.

Задачи работы:

1. Проведение экспериментов по прессованию с мощным ультразвуковым воздействием с последующим спеканием, получение керамических образцов.

2. Проведение экспериментов по спеканию порошковых материалов в плазме искрового разряда, получение керамических образцов.

3. Исследование влияния технологических параметров консолидации на свойства керамических образцов.

4. Оценка возможности использования коллекторной пресс-формы при спекании порошков в плазме искрового разряда.



1. Методы изготовления, структура и свойства керамики

1.1 Керамические материалы: определение и классификации

Керамика - это поликристаллические материалы и изделия из них, состоящие из соединений неметаллов III-VI групп периодической системы с металлами или друг с другом и получаемые путем формования и обжига соответствующего исходного сырья. Исходным сырьем могут служить как вещества природного происхождения (силикаты, глины, кварц и др.), так и получаемые искусственно (чистые оксиды, карбиды, нитриды и др.) [5]. Технология получения керамики схожа с технологией порошковой металлургии: основной компонент материала не доводится до плавления.

Существует несколько классификаций керамических материалов. В первую очередь керамика делится на 2 категории: традиционную и новую. К первой категории относятся строительство, химическая промышленность. Вторая категория отражает использование в таких областях науки как машиностроение, авиастроение, космонавтика, электротехника. Кроме того, керамику классифицируют по химическому составу и по назначению. По химическому составу керамика делится на 2 большие группы:

1) Оксидная керамика. Включает в себя чистые оксиды, оксиды редкоземельных металлов, их механические смеси, твёрдые растворы, химические соединения.

2) Безоксидная керамика. К такой керамике относятся изделия на основе карбидов, нитридов, боридов, силицидов, фосфидов, арсенидов и халькогенидов (кроме оксидов) переходных металлов и неметаллов III-VI групп периодической системы [5].

По назначению керамику подразделяют на:

1) Строительную;

2) Тонкую;

3) Химически стойкую;

4) Огнеупорную;

5) Техническую.

Последняя в свою очередь делится на: конструкционную, оптическую, инструментальную и др. [5].

1.2 Керамика на основе диоксида циркония

Диоксид циркония для керамической промышленности получают из минералов: бадделеита, циркона, силиката циркония. Диоксид циркония широко используется, поскольку обладает исключительными механическими и функциональными свойствами: низкой теплопроводностью, способностью работать в агрессивных средах и при высоких температурах, высоким коэффициентом преломления, высокой прочностью, КЛТР близкий к сталям Чистый цирконий при атмосферном давлении может существовать в трех модификациях: моноклинной (начиная с комнатной температуры и до 1170 °С), тетрагональной (от 1170 °С и до 2370 °С) и кубической (от 2300 °С и до температуры плавления 2680 °С) [16]. Поскольку высокотемпературные модификации нестабильные, и при дальнейшем охлаждении произойдут полиморфные превращения, поэтому для сохранения определенной модификации используют стабилизаторы, такие как CaO, MgO, Y2O3) [7].

Переход из тетрагональной модификации в моноклинную или б-в превращения связаны с изменениями изделия в объеме на (7,7-9,0) %. Переход б>в происходит в интервалах температур (950-1193), (1070-1250) єС, а переход в>б происходит в интервалах температур (1035-920), (850-700) єС. Эти различия в температурах перехода обусловлены технологическими факторами и степенью очистки исходного оксида циркония (IV).

Стабилизированный диоксид циркония относится к материалам с высоким температурным коэффициентом линейного расширения. При нормальной температуре он составляет (5 - 6) • 10-6 К-1, а при 1773 К (11,0 - 11,5) • 10-6 К-1, в интервале температур 293 - 1273 К - более 8,0 • 10-6 К-1 [1].

Изделия на основе оксида циркония обладают низкой теплопроводностью, высокими значениями химической устойчивости, прочности и твердости. Такие изделия активно используют в качестве коррозионностойких защитных материалов в ракетных двигателях, в конструкциях высокотемпературной теплоизоляции (до 2500 єС) .

Наиболее перспективно применение циркониевой керамики:

ь В качестве оптических деталей: излучательных трубок натриевых ламп [1], оптических линз [2], твердотельных лазеров [3].

ь В электротехнике: в качестве микроволновых подложек в запоминающих устройствах [1], в виде плат для интегральных схем [4], в качестве датчиков, резонаторов в мобильных телефонах[8].

ь В медицине: в качестве имплантатов в костные ткани [5].

ь В оборонной промышленности: в качестве пластин в бронежилетах [9].

1.3 Методы синтеза керамики

На сегодняшний день существует несколько технологий изготовления керамических изделий на основе диоксида циркония.

Холодное статическое прессование в закрытых пресс-формах является относительно простым и универсальным для прессования изделий различной формы из порошков любых составов. Из-за своей простоты и универсальности данный метод достаточно широко распространен. Данный метод в выделяется как экономически выгодный для массового производства. Главные недостатки всех модификаций этого способа связаны с неравномерным распределением свойств формуемого изделия по объёму. Трение порошкового материала о стенки пресс-формы приводит к возникновению перепада плотности прессовок по высоте (из-за преодоления сил пристенного трения), что может стать источником макродефектов в спекаемых изделиях.

В отличие от холодного метод горячего прессования обеспечивает получение керамических изделий с малым перепадом плотности по объёму. Достоинством метода горячего прессования являются хорошие прочностные характеристики получаемых изделий, минимальные допуски по размерам заготовок, сокращение времени спекания, поскольку процессы прессования и спекания совмещаются. Сочетание невысокой производительности процесса, его неэкономичности и высоких требований, предъявляемых к материалу пресс-формы, их быстрый износ сильно ограничивают применение горячего прессования [11]. Стоит отметить, что существуют данные об ухудшении эксплуатационных свойств изделий, а в работе говорится о значительном росте зерна циркониевой керамики, что отрицательно сказывается на свойствах изделий.

В порошковой технологии активно используются методы изостатического прессования в гидро/газостатах - холодное и горячее, а также квазиизостатическое. Изостатическое прессование заключается в уплотнении порошка в условиях всестороннего сжатия [11]. Главное достоинство данного метода - возможность изготовлять из пластичных, малопластичных и непластичных порошкообразных материалов высокопрочные изделия, форма и размер которых не позволяют применить другие способы изготовления изделий. В статье [16] отмечают, что образцы, полученные холодным изостатическим прессованием, обладают низким показателем прочности на изгиб. При горячем изостатическом прессовании (ГИП), в отличие от холодного, заготовку в процессе прессования нагревают . Квазиизостатическое прессование отличается от других видов тем, что вместо жидкости или газа используется эластичная оболочка из резины, синтетического каучука, сжимающаяся при приложении высокого давления.

Существенными недостатками данных методов являются трудоёмкость изготовления эластичных пресс-форм, невозможность автоматизации и применения многоместной схемы прессования при массовом производстве, обеспечения заданных размеров брикетов (особенно при изготовлении прессовок сложной формы). Главными недостатками горячего изостатического прессования являются использование сложного оборудования (при высоких давлениях и температурах), а также ограниченное число использования пресс-форм. В связи с этим, изостатические методы прессования подходят только для изготовления деталей простых форм [11, 12].

В настоящее время интенсивно развиваются электроимпульсные методы спекания порошков, такие как спекание в разряде плазмы или Spark Plasma Sintering (SPS), принцип которых заключается в совместном воздействии на порошковый материал кратковременным (10-3-10-5 сек) мощным электрическим разрядом между двумя электродами (энергия в разряде 1-100 кДж) и механическим давлением [11. Материал в зоне воздействия разогревается до очень высоких температур вплоть до плазменного состояния [10.

Достоинствами данной технологии являются экологическая чистота, высокая экономичность, проведение технологического процесса без создания вакуума или инертной атмосферы. Однако установки для SPS очень дорогостоящие [11], что не позволяет изготавливать изделия в промышленном масштабе. В публикации [10] указывалось, что оптимальной температурой спекания методом SPS является 1300°С, поскольку при снижении температуры наблюдалась высокая пористость, а при повышении - рост зерна. А в работе [24] особое внимание уделялось уплотненности наночастиц. Полное уплотнение наночастиц Y2O3 происходило при температуре 1250°С. Однако имеются данные, что керамика ZrO2 + 8 мол.% Y2O3, спеченная в искровой плазме, состоящая из субмикронных зерен, показала ухудшение значения электропроводности по сравнению с керамикой, полученной обычным спеканием.

Один из перспективных методов - компактирование изделий с помощью ультразвукового воздействия (УЗВ), поскольку ультразвук способен снизить степень негативного влияния пристенного трения без использования примесных пластификаторов в процессе прессования. Коэффициент пристенного трения, таким образом, будет снижен пропорционально отношению периодов времени отрыва и контактирования. За счёт такого воздействия возможно также уменьшить силы трения между наночастицами, что важно для повышения плотности их упаковки. Кроме того, мощное УЗВ является способом деагломерации и механоактивации наночастиц в процессе компактирования непосредственно перед спеканием [11, 15].

Для ультразвукового воздействия на порошок в процессе компактирования используется стандартное оборудование, такое как ультразвуковой генератор, преобразователь и гидравлический пресс. В технологии применяются два типа преобразователей: пьезоэлектрические (ограничение по мощности до 1 кВт, наличие принудительного воздушного охлаждения) и магнитострикционные (практически нет ограничений по мощности). В процессе работы ультразвуковые колебания не обладают высокой интенсивностью на рабочем конце, и для усиления используют УЗ-концентраторы (трансформаторы скорости), представляющие собой акустические волноводы, присоединяемые к преобразователю более широким концом [11]. Принцип действия такого стержневого концентратора основан на увеличении амплитуды колебательного смещения в стержне вследствие уменьшения его поперечного сечения или плотности в соответствии с законом сохранения количества движения. В каждом конкретном случае приходится решать задачу акустического согласования УЗ-оборудования и оснастки, содержащей объект воздействия в зависимости от его габаритов, формы и состояния [15]. На рисунках 1.1 - 1.3 представлены разные технологические решения данного метода компактирования.

Рисунок 1.1 - Пресс-форма для ультразвукового компактирования изделий цилиндрической формы с большим отношением радиального к осевому размеров: 1 - волновод; 2 - матрица; 3 - нижний пуансон [14]

Рисунок 1.2 - Ультразвуковая пресс-форма с радиальным подведением колебаний через стержневой экспоненциальный концентратор: 1 - стержневой экспоненциальный концентратор; 2 - матрица [14]

Рисунок 1.3 - Ультразвуковая пресс-форма для исследования влияния колебаний, направленных параллельно оси прессования [14]

Для уплотнения порошка в закрытых пресс-формах используют прессы различного типа: универсальные и специализированные гидравлические, механические и прессовое оборудование специального назначения (гидро- и газостаты) [11]. Подведение ультразвуковых колебаний можно осуществить двумя способами. В одном из них направление колебательного смещения совпадает с осью прессования, в другом - колебания направлены перпендикулярно оси прессования.

Такой метод компактирования применялся в работе , где изучалось воздействие ультразвуковых колебаний на физико-механические свойства циркониевой керамики. Главной проблемой являлось обеспечение равномерного распределения плотности, сохранение наноструктуры, то есть торможение роста зерна в процессе спекания и обеспечение химической чистоты готовых изделий. Для решения данной проблемы предлагали использовать УЗВ. В результате опытов было установлено, что УЗВ улучшает распределение плотности по объему изделия и ингибирует рост зерен.

Также в статье рассматривалась возможность применения ультразвука в технологии изготовления керамических оксидно-цинковых варисторов, используемых в электротехнике. Предполагалось, что УЗВ позволит повысить эксплуатационные характеристики, снизить стоимость продукции. В результате опытов установлено, что воздействие ультразвука приводит к уменьшению максимальных размеров пор в 4-5 раз и обеспечивает равномерное распределение пор по всему объему изделия.

Одной из интересных и перспективных технологий компактирования порошковых материалов является технология коллекторного прессования нано- и полидисперсных порошков с равномерным распределением плотности по объему прессовки, основанная на организации разнонаправленных сил пристенного трения. На рисунке 1.4 представлена схема коллекторного компактирования в сравнении со схемой классического одноосного компактирования.

Рисунок 1.1 - Способы прессования порошковых материалов в закрытых пресс-формах: (а) - одноосное одностороннее прессование; (б), (в) - предлагаемый способ [14].

Такая технология обладает специфическими особенностями в отличие от классического холодного одноосного прессования:

1) части формообразующих поверхностей (рисунок 1.1 (б) поверхности (п) и (а)), составляющих общую пассивную формообразующую поверхность, в процессе прессования передвигаются относительно прессовки в противоположных направлениях;

2) количество формообразующих элементов пресс-формы (рисунок 1.1 (б), (1) и (2)) будет минимально необходимым для несилового извлечения изделия из пресс-формы, когда оно высвобождается одновременно в нескольких направлениях и не испытывает при этом разрушающего действия трения о формообразующие поверхности;

3) формообразующие элементы пресс-формы (рисунок 1.1 (б), (1) и (2)) не содержат замкнутых труднодоступных формообразующих поверхностей;

4) величина минимального сечения самостоятельных формообразующих элементов пресс-формы, испытывающих механическое нагружение, может быть выбрана независимо от их гидравлической площади (рисунок 1.1 (б), (1) и (2)) [14].



2. Постановка задач, материалы и методики исследований

2.1 Постановка задач исследования

Цель работы:

Исследование возможности получения керамики на основе диоксида циркония современными перспективными методами: прессованием с мощным ультразвуковым воздействием с последующим спеканием и спекание в плазме искрового разряда; установление зависимостей свойств получаемых изделий от технологических режимов производства.

Задачи работы:

1. Проведение экспериментов по прессованию с мощным ультразвуковым воздействием с последующим спеканием, получение керамических образцов.

2. Проведение экспериментов по спеканию порошковых материалов в плазме искрового разряда, получение керамических образцов.

3. Исследование влияния технологических параметров консолидации на свойства керамических образцов.

4. Оценка возможности использования коллекторной пресс-формы при спекании порошков в плазме искрового разряда.

2.2 Материалы и оборудование

Для исследования использовали промышленные нанопорошки диоксида циркония (марки TZ-8YS и TZ-10YS) японской организации TOSOH, содержащие 8% для TZ-8YS и 10% для TZ-10YS стабилизатора Y2O3, сохраняющего кубическую сингонию. Подробный химический состав нанопорошков представлен в таблице 2.1.



Таблица 2.1 Химический состав нанопорошков TZ-8YS и TZ-10YS

Вещество	Содержание вещества в нанопорошке, масс.%
	TZ-8YS	TZ-10YS
ZrO2	86,368	83,529
Y2O3	13,61	16,45
Al2O3	0,005	0,005
SiO2	0,005	0,007
Fe2O3	0,004	0,003
Na2O	0,008	0,006

Для расчета плотности спеченных прессовок измеряли их массу, диаметр и высоту. Расчет пористости и определение среднего размера зерна выполняли с помощью снимков поверхности, полученных на сканирующем электронном микроскопе JEOL JEM-7500F. Измерение микротвердости и трещиностойкости предварительно отполированных образцов проводили на микротвердомере ПМТ-3М с использованием нагрузки 500 г.

2.3 Метод холодного одноосного прессования с подведением ультразвука

Подготовка образцов методом холодного одноосного прессования с подведением ультразвука проходила в несколько этапов.

1) Подготовка компактов. На начальном этапе подготовили по 18 навесок порошков TZ-8YS и TZ-10YS. Затем, засыпав навеску в специальную пресс-форму волновод (рисунок 1.1), проводили прессование с приложением давления 557 МПа с помощью гидравлического пресса WK-18. Для половины случаев во время компактирования подводили ультразвук мощностью 1 кВт. После компактирования для каждого образца измерили массу, диаметр и высоту. По полученным данным рассчитали плотность по формуле:

, (2.1)

где m - масса образца, г, V - его объем мм3. Данные по прессовкам представлены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 Данные по прессовкам TZ-8YS и TZ-10YS

Номер образца	УЗ	Теор. плотность, г/см3	Масса, г	Диаметр, мм	Высота, мм	Плотность, г/см3	Относительная плотность, %
TZ-8YS
1-1	0	5,963	1,471	14,36	3,05	2,98	49,94
1-2	0	5,963	1,472	14,38	3,03	2,99	50,16
1-3	0	5,963	1,468	14,37	3,01	3,01	50,43
1-1	1	5,963	1,503	14,37	3,05	3,04	50,96
1-2	1	5,963	1,481	14,31	3,09	2,98	49,98
1-3	1	5,963	1,498	14,36	3,07	3,01	50,53
2-1	0	5,963	1,471	14,38	3,04	2,98	49,97
2-2	0	5,963	1,474	14,37	3,07	2,96	49,65
2-3	0	5,963	1,473	14,32	3,05	3,00	50,29
2-1	1	5,963	1,468	14,4	3,05	2,96	49,56
2-2	1	5,963	1,463	14,39	3,01	2,99	50,12
2-3	1	5,963	1,464	14,4	3,04	2,96	49,59
3-1	0	5,963	1,479	14,36	3,11	2,94	49,24
3-2	0	5,963	1,475	14,41	3,09	2,93	49,09
3-3	0	5,963	1,475	14,35	3,07	2,97	49,82
3-1	1	5,963	1,472	14,37	3,05	2,98	50,44
3-2	1	5,963	1,473	14,31	3,12	2,94	49,75
3-3	1	5,963	1,473	14,39	3,15	2,88	48,73
TZ-10YS
1-1	0	5,917	2,954	14,30	6,00	3,07	51,81
1-2	0	5,917	2,941	14,50	6,00	2,97	50,17
1-3	0	5,917	2,959	14,30	6,00	3,07	51,90
1-1	1	5,917	2,961	14,30	6,00	3,07	51,93
1-2	1	5,917	2,972	14,30	6,00	3,08	52,12
1-3	1	5,917	2,935	14,30	6,00	3,05	51,47
2-1	0	5,917	1,467	14,31	3,08	2,96	50,05
2-2	0	5,917	1,462	14,27	3,05	3,00	50,65
2-3	0	5,917	1,465	14,29	2,94	3,11	52,51
2-1	1	5,917	2,934	14,40	6,10	2,95	49,91
2-2	1	5,917	2,948	14,30	6,00	3,06	51,70
2-3	1	5,917	2,950	14,40	5,90	3,07	51,89
3-1	0	5,917	1,628	14,35	3,42	2,94	49,74
3-2	0	5,917	2,975	14,35	6,12	3,01	50,80
3-3	0	5,917	1,880	14,36	4,07	2,85	48,20
3-1	1	5,917	2,953	14,28	6,03	3,06	52,72
3-2	1	5,917	2,956	14,33	6,11	3,00	51,72
3-3	1	5,963	2,963	14,35	6,06	3,02	52,12

2) Синтез керамики. На данном этапе проводили спекание полученных компактов в высокотемпературной печи Nabertherm 310. По 12 образцов (по 6 образцов TZ-8YS и TZ-10YS) спекали до 1300, 1400 и 1500 °С.

Спекание спрессованных образцов проводили в вакууме при следующих условиях: сначала образцы нагревали до 400°С со скоростью 400°С/час, затем синтез проводили при температуре 1200°С со скоростью 300°С/час. Дальнейший нагрев проводили с одинаковой скоростью 150°С/час до трех различных температур: 1300, 1400 и 1500°С. Время выдержки при температуре спекания 1300°С составило 120 минут, а при 1400 и 1500°С - 60 минут. Последующее охлаждение всех образцов проводили до 1200°С со скоростью 150°С/час, затем до 800°С со скоростью 300°С/час и дальнейшим охлаждением на воздухе до комнатной температуры. На рисунке 2.1 представлены кривые спекания.

Рисунок 2.1 - Режимы спекания, применяемые в исследованиях

После синтеза для каждого образца измерили массу, диаметр и высоту. На основе полученных данных рассчитали плотность изделий по формуле (2.1). Данные по спеченным образцам представлены в таблице 2.2

Таблица 2.2 Данные по керамическим образцам TZ-8YS и TZ-10YS

Номер образца	УЗ	Теор. плотность, г/см3	Макс. темпер. спекания, °С	Масса, г	Диаметр, мм	Высота, мм	Плотность, г/см3	Относит. плотность, %
TZ-8YS
1-1	0	5,963	1400	1,463	11,5	2,437	5,80	97,27
1-2	0	5,963	1400	1,465	11,5	2,439	5,83	97,77
1-3	0	5,963	1400	1,456	11,4	2,455	5,78	96,93
1-1	1	5,963	1400	1,498	11,5	2,503	5,80	97,27
1-2	1	5,963	1400	1,459	11,4	2,450	5,80	97,27
1-3	1	5,963	1400	1,491	11,5	2,478	5,84	97,94
2-1	0	5,963	1500	1,062	11,5	1,701	6,00	100,62
2-2	0	5,963	1500	1,450	11,6	2,370	5,75	96,43
2-3	0	5,963	1500	1,456	11,7	2,340	5,81	97,43
2-1	1	5,963	1500	1,111	11,4	1,800	6,04	101,29
2-2	1	5,963	1500	1,447	11,4	2,430	5,81	97,43
2-3	1	5,963	1500	1,447	11,5	2,417	5,78	96,93
3-1	0	5,963	1300	1,455	11,4	2,560	5,54	92,91
3-2	0	5,963	1300	1,458	11,5	2,430	5,83	97,77
3-3	0	5,963	1300	1,448	11,4	2,485	5,68	95,25
3-1	1	5,963	1300	1,431	11,5	2,490	5,56	93,24
3-2	1	5,963	1300	1,443	11,5	2,520	5,54	92,91
3-3	1	5,963	1300	1,102	11,6	1,725	6,09	102,13
TZ-10YS
1-1	0	5,917	1400	2,942	11,7	4,850	5,64	95,32
1-2	0	5,917	1400	2,926	11,7	4,950	5,50	92,95
1-3	0	5,917	1400	2,944	11,6	4,900	5,69	96,16
1-1	1	5,917	1400	2,946	11,5	4,850	5,85	98,87
1-2	1	5,917	1400	2,957	11,7	4,900	5,61	94,81
1-3	1	5,917	1400	2,920	11,7	4,850	5,60	94,64
2-1	0	5,917	1500	1,197	11,7	2,000	5,57	94,14
2-2	0	5,917	1500	1,471	11,6	2,408	5,78	97,68
2-3	0	5,917	1500	1,456	11,6	2,471	5,58	94,30
2-1	1	5,917	1500	2,918	11,5	4,900	5,73	96,84
2-2	1	5,917	1500	2,929	11,6	4,800	5,77	97,52
2-3	1	5,917	1500	2,934	11,6	4,900	5,67	95,83
3-1	0	5,917	1300	1,619	11,9	2,870	5,11	86,36
3-2	0	5,917	1300	2,963	11,9	5,050	5,31	89,74
3-3	0	5,917	1300	1,343	11,9	2,423	4,98	84,16
3-1	1	5,917	1300	2,942	12,2	5,060	5,00	84,50
3-2	1	5,917	1300	2,944	11,9	5,030	5,31	89,74
3-3	1	5,917	1300	2,413	11,8	4,100	5,38	90,92

После спекания по одному образцу из каждой серии промывали в ультразвуковой ванне с дистиллированной водой с целью очистки поверхности от загрязнения. Исследования поверхности проводили с помощью СЭМ JEOL JEM-7500F. Остальные образцы подвергались полировке для дальнейшего измерения микротвердости и трещиностойкости.

Сканирующий электронный микроскоп позволил получить снимки поверхностей исследуемых керамических образцов. Полученные снимки представлены на рисунках 2.2 - 2.3.

Рисунок 2.2 - СЭМ-изображения поверхности керамик TZ-8YS, полученных при разных условиях прессования и спекания: а) 1300°С, б) 1300°С + УЗВ, в) 1400°С, г) 1400°С + УЗВ, д) 1500°С, е) 1500°С + УЗВ

Рисунок 2.3 - СЭМ-изображения поверхности керамик TZ-10YS, полученных при разных условиях прессования и спекания: а) 1300°С, б) 1300°С + УЗВ, в) 1400°С, г) 1400°С + УЗВ, д) 1500°С, е) 1500°С + УЗВ

С помощью программы ImageJ провели анализ снимков, на основе которого рассчитали средний размер пор, среднее число пор и определили средний размер зерна. Анализ полученных снимков проводили в несколько этапов.

1) Определение масштаба изображения. Сначала выбирали необходимый снимок и открывали через программу ImageJ. Интерфейс программы представлен на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 - Интерфейс программы ImageJ

С помощью инструмента Straight определили длину масштабного прямоугольника. Затем открыв окно определения масштаба (Analyze > Set Scale) задали масштаб, изменив необходимые поля (рисунок 2.5).

2) С помощью инструмента Rectangular выделили область снимка, соответствующую поверхности образца и инструмента в меню Image > Crop оставили только "рабочую" область (рисунок 2.6).

Рисунок 2.6 - Подготовка "рабочей" области снимка

3) Затем настройку изображения проводили с помощью меню Image > Adjust > Threshold. В окне Threshold оба ползунка доводили до минимального значения и нажимали Apply (рисунок 2.7).

Рисунок 2.7 - Настройка изображения

4) После описанных операций инструментом Analyze > Analyze Particles провели анализ темных областей, определив при этом их количество и размеры (рисунок 2.8).

Рисунок 2.8 - Анализ изображения

Полученные данные сохранили с расширением .xls. Открыв документ с помощью Microsoft Office Excel, проводили дальнейшую работу по анализу среднего числа и среднего размера пор, среднего размера зерна. При этом значения порядка 10-4 и меньше отсеивали, поскольку эти малые участки являются погрешностью при измерении.

Другая часть предварительно отполированных образцов подготавливалась для дальнейшего измерения микротвердости и трещиностойкости с помощью микротвердомера ПМТ-3М. Процесс измерения микротвердости и трещиностойкости проводили в несколько этапов.

1) Сначала выбрали нагрузку 500 г. Затем помещали исследуемый образец на предметный столик прибора. При этом образец должен располагаться под оптической системой микротвердомера.

2) Поиск и выбор места для укола проводили согласно методическим указаниям в . Выбрав место для укола с помощью вращения микрометрических винтов предметного столика, развернули столик так, чтобы образец оказался под индентором.

3) Затем опустили индентор на 10 секунд и сделали укол. После повернули столик, так чтобы образец оказался под оптической системой. С помощью окуляр-микрометра измерили длины диагоналей каждого укола и длины трещин, исходящих из каждой вершины, по 5 раз.

4) Повторили предыдущие операции еще два раза, выбрав при этом места для укола недалеко от предыдущих, соблюдая минимально допустимое расстояние [28].

5) Таким образом провели измерения для всех образцов. Зная длины диагоналей и трещин рассчитали значения микротвердости по формуле :

, (2.2)

где g - ускорение свободного падения, м/с2, F - нагрузка, Н, d - средняя длина диагонали, мкм. А расчет трещиностойкости проводили по формуле:

, (2.3)

где l - средняя длина трещины, мкм, a - коэффициент равный половине длины трещины, мкм, Hv - микротвердость, ГПа, E - модуль Юнга, ГПа, Ц - коэффициент, равный 3.

2.4 Метод искрового плазменного спекания с применением коллекторной схемы прессования

Подготовка образцов методом искрового плазменного спекания с применением коллекторной пресс-формы проводилась в несколько этапов.

1) Разработка пресс-формы. На начальном этапе разрабатывали специальную пресс-форму, сборочный чертеж и схема которой представлены на рисунках 2.9, 2.10.

Рисунок 2.9 - Сборочный чертеж коллекторной пресс-формы

Рисунок 2.10 - Коллекторная пресс-форма: 1 - ползуны (всего 12 шт.); 2,3 - пуансоны

2) Подготовка к синтезу образцов. Сначала приготовили навески порошка TZ-10YS по 2,5 г. Затем собрали пресс-форму, поместив диски из графитовой бумаги с двух сторон (между порошком и пуансонами). Пресс-форма после засыпки порошка представлена на рисунке 2.11.

Рисунок 2.11 - Собранная пресс-форма

Осторожно опустили ползуны вместе с навеской и пуансонами так, чтобы ползуны выступали над поверхностью матрицы с обеих сторон одинаково, и навеска находилась в середине.

3) Готовую пресс-форму вместе с порошком помещали в рабочую камеру установки SPS-515S для искрового плазменного спекания. Загрузку пресс-формы проводили по схеме, представленной на рисунке 2.12. При этом располагали ее так, чтобы отверстие для пирометра находилось на одном уровне с пирометром.

Рисунок 2.12 - Схема загрузки пресс-формы в установку SPS-515S

Поместив пресс-форму в установку, закрыли вакуумную камеру и откачали воздух. С помощью панели управления, в состав которой входят такие элементы, как датчик перемещения пуансонов, прибор контроля давления прессования, регулятор давления прессования, датчик давления атмосферы, программируемый контроллер в камере, задали режим спекания для порошка. Всего загружалось 4 навески, и синтез проводился до 1300°С с разной скоростью нагревания с целью определения оптимального режима. Давление прессование составляло 30 МПа. Программы спекания представлены на рисунке 2.13.

Рисунок 2.13 - Программы синтеза керамических образцов методом искрового плазменного спекания

После окончания процесса синтеза и охлаждения пресс-формы извлекли керамический образец. Провели измерения массы, диаметра и высоты изделия. Рассчитали плотность по формуле (2.1). На основе данных, полученных с помощью датчиков установки SPS-515S, рассчитали зависимости изменения усадки и плотности изделия от температуры спекания. Измерение упруго-пластических свойств, предварительно отполированных керамических образцов, проводили с помощью ультрамикротвердомера Shimadzu DUH-2115.



3. Анализ и обсуждение результатов исследования

3.1 Метод холодного одноосного прессования с подведением ультразвука

Средний размер пор и среднее число пор, средний размер зерна

Анализ СЭМ-изображений позволил получить зависимости среднего размера зерна от температуры, представленные на рисунке 3.1. Видно, что увеличение температуры спекания образцов TZ-8YS приводит к незначительному росту зерна. При увеличении содержания оксида иттрия до 10% рост зерна наблюдается только при температурах выше 1400°С. Дальнейшее увеличение температуры до 1500°С приводит к резкому росту размера зерна. Это, по-видимому, связано с тем, что увеличение содержания Y2O3 ускоряет рост зерна.

Рисунок 3.1 Зависимости среднего размера зерна керамик TZ-8YS и TZ-10YS от температуры спекания образцов

У образцов, полученных с УЗВ, с увеличением температуры наблюдается замедление роста зерна. Это можно объяснить тем, что УЗВ ускоряет диффузионные процессы во время синтеза, при этом быстрое удаление газовой фазы увеличивает число зерен.

Представленные на рисунке 3.2 зависимости среднего размера пор керамик TZ-8YS и TZ-10YS от температуры спекания показывают, что средний размер пор увеличивается с ростом температуры до 1400°С, а при дальнейшем повышении температуры снижается для обоих материалов. Данный характер изменения зависимостей можно объяснить тем, что с увеличением температуры растет зерно, которое начинает занимать больший удельный объем и, тем самым, уменьшает долю объема, приходящегося на поры [10, 11]. При этом газовая фаза убывает за счет зернограничной диффузии [31].

Рисунок 3.2 - Зависимости среднего размера пор керамик TZ-8YS и TZ-10YS от температуры спекания

Зависимости числа пор керамик TZ-8YS и TZ-10YS от температуры спекания, представленные на рисунке 3.3, показывают, что с увеличением температуры число пор сокращается. Этот факт, как упоминалось ранее, напрямую связан с эффектом зернограничной диффузии [31].

Рисунок 3.3 - Зависимости числа пор керамик TZ-8YS и TZ-10YS от температуры спекания

Таким образом, независимо от содержания оксида иттрия, а также от режима компактирования, с повышением температуры спекания до 1400°С размер пор сначала увеличивается, а затем снижается (рисунок 3.2), при этом число пор сокращается (рисунок 3.3).

Следует отметить, что размер пор у образцов, полученных при УЗВ при температуре 1300°С больше, чем у образцов без УЗВ. Это можно объяснить неоднозначным влиянием ультразвукового воздействия. С одной стороны, УЗВ позволяет ускорить диффузионные процессы за счет увеличения поверхностной активности частиц порошка. А с другой стороны, релаксационные эффекты УЗВ в процессе компактирования ограничивают процессы рекристаллизации в керамике при повышенных температурах спекания [11, 26].

Также стоит отметить, что применение ультразвукового воздействия приводит в целом к снижению пористости исследуемых материалов (рисунки 3.2, 3.3). Это объясняется повышением уплотняемости в процессе ультразвукового прессования [15, 26].

3.2 Относительная плотность

В таблице 3.1 представлены данные относительной плотности керамик TZ-8YS и TZ-10YS в зависимости от режимов спекания, из которой видно, что только при максимальных температурах синтеза ультразвуковое воздействие повышает относительную плотность у обоих материалов, однако при минимальных температурах наблюдается обратный эффект.

Таблица 3.1 Относительные плотности керамик TZ-8YS и TZ-10YS, %

Температура спекания, °С	TZ-8YS	TZ-10YS
	Без УЗВ	С УЗВ	Без УЗВ	С УЗВ
1300	96,15±0,96	93,07±0,37	86,61±0,50	84,84±0,66
1400	97,32±0,48	97,49±0,44	95,43±0,77	94,73±0,17
1500	96,76±0,66	97,18±0,50	94,22±0,17	96,73±0,96

Такой характер изменения относительной плотности объясняется неоднозначным влиянием ультразвукового воздействия. При этом отмечается, что в результате ультразвукового воздействия происходит равномерное распределение плотности в процессе прессования за счет снижения сил межчастичного и пристенного трения [11, 15].

3.3 Микротвердость и трещиностойкость

В ходе исследований проводили расчет микротвердости изучаемых образцов. Данные по микротвердости керамик TZ-8YS и TZ-10YS представлены в таблице 3.2



Таблица 3.2 Данные по микротвердости керамик TZ-8YS и TZ-10YS

Подобные документы

• Свойства инструментальной керамики с добавками ультрадисперсных оксидов

  Получение керамики из промышленного глинозема с добавками ультрадисперсных порошков оксида алюминия и диоксида циркония методами холодного прессования и спекания в вакууме и терморазложения солей; исследование структуры и свойств корундовых керамик.
  
  дипломная работа [934,2 K], добавлен 03.10.2011
  

• Влияние внешнего давления на температуру спекания керамических материалов

  Технология различных видов корундовой керамики. Влияние внешнего давления и добавок на температуру спекания керамики. Физико-механические и физические свойства керамики на основе диоксида циркония. Состав полимерной глины Premo Sculpey, ее запекание.
  
  курсовая работа [2,1 M], добавлен 27.05.2015
  

• Металлургия циркония

  Физико–химические свойства циркония, источники сырья, области применения. Описание процесса переработки цирконового концентрата спеканием с известью. Расчет расхода соляной кислоты для отмывки спека от примесей и для разложения цирконата кальция.
  
  курсовая работа [647,8 K], добавлен 14.07.2012
  

• Плазменные покрытия из порошка диоксида циркония, полученного по золь-гель-технологии

  Сущность и преимущества золь-гель-технологии синтеза порошков диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия. Технологические свойства, структура и фазовый состав полученных порошков и напыленных из них покрытий, перспективы их применения.
  
  статья [172,1 K], добавлен 05.08.2013
  

• Стекло. Керамика

  Керамика: изделия и материалы, получаемые спеканием. Распространение оксидной керамики на основе природных минералов и синтетических оксидов металлов. Виды, состав и свойства стекла. Применение силикатного стекла в быту и различных областях техники.
  
  презентация [265,7 K], добавлен 04.03.2010
  

• Исследование структуры, фазового состава и механических свойств керамики на основе ZrO2

  Керамика на основе ZrO2: структура и механические свойства. Керамика на основе ультрадисперсных порошков. Технология получения керамических материалов. Метод акустической эмиссии. Структура, фазовый состав и механические свойства керамики ZrO2.
  
  дипломная работа [1,2 M], добавлен 04.08.2012
  

• Получение плотной электропроводной керамики на основе оксида цинка

  Высокопрочные керамики на основе оксидов - перспективные материалы конструкционного и инструментального назначения. Свойства оксидов цинка и меди. Допированные керамики. Основы порошковой металлургии. Технология спекания. Характеристика оборудования.
  
  курсовая работа [923,2 K], добавлен 19.09.2012
  

• Теория формования керамики. Полусухое прессование, гидростатическое прессование, вибрационное формование, шликерное литье

  Виды керамики, характеристика материалов, используемых для формования керамических изделий. Приготовление керамической массы. Полусухое и гидростатическое прессование. Различные варианты вибрационного формования. Специфика применения шликерного литья.
  
  реферат [678,6 K], добавлен 13.12.2015
  

• Технология производства и виды тонкой керамики

  Основные виды керамики: майолика, фаянс, каменная масса и фарфор. Производство санитарно-технических и бытовых изделий из тонкой керамики. Технология производства технической керамики. Способы декорирования полуфарфора, фарфоровых и фаянсовых изделий.
  
  реферат [723,1 K], добавлен 18.01.2012
  

• Корундовая керамика с бимодальным распределением частиц по размерам

  Процессы изготовления керамических материалов. Методы получения порошков. Корундовые керамики модифицированные соединениями хрома. Содержание порошка в образцах керамики на основе глинозема, термограмма. Особенности измерения микротвердости образцов.
  
  курсовая работа [818,9 K], добавлен 30.05.2013
  

• Основные свойства, назначение и роль в народном хозяйстве циркония

  Основные свойства циркония. Способы разделения гафния и разложения цирконовых концентратов. Нахождение в природе и минералы циркония. Продукты переработки цирконовых концентратов. Расчёт процесса спекания цирконового концентрата с фторсиликатом калия.
  
  курсовая работа [247,5 K], добавлен 23.10.2013
  

• Расчет процесса абсорбции диоксида углерода раствором "Карсол" в агрегате получения аммиака

  Технология и химические реакции стадии производства аммиака. Исходное сырье, продукт синтеза. Анализ технологии очистки конвертированного газа от диоксида углерода, существующие проблемы и разработка способов решения выявленных проблем производства.
  
  курсовая работа [539,8 K], добавлен 23.12.2013
  

• Проект отделения переработки пульпы кубовых остатков с получением пентаоксида ванадия

  Проблема промышленного получения ванадия. Способ окислительного обжига с хлоридами. Принципиальная технологическая схема переработки ванадиевого шлака спеканием с хлоридами. Конденсация четыреххлористого титана. Резервуар для приема 25% аммиачной воды.
  
  дипломная работа [2,3 M], добавлен 26.10.2014
  

• Исследование микроструктуры водород-сорбирующего сплава Mg-Ni, обработанного методом равноканального углового прессования

  Гидрирование композитов, сплавов на основе магния. Равноканальное угловое прессование. Изменение свойств веществ после обработки методами ИПД. Микроструктурный анализ. Устройство растрового микроскопа и физико-химические основы метода. Анализ изображения.
  
  курсовая работа [561,1 K], добавлен 27.10.2016
  

• Получение керамики на основе ультрадисперсных порошков

  Методы производства композиционных ультрадисперсных порошков: способы формования, реализуемые при спекании механизмы. Получение и применение корундовой керамики, модифицированной допированным хромом, оксидом алюминия, а также ее технологические свойства.
  
  дипломная работа [1,6 M], добавлен 27.05.2013
  

• Технологические схемы производства различных видов керамики

  Исторические сведения о возникновении керамики, область ее применения. Современные технологии керамических материалов. Производство керамических материалов, изделий в Казахстане, СНГ и за рубежом. Производство и применение стеновых и облицовочных изделий.
  
  курсовая работа [134,7 K], добавлен 06.06.2014
  

• Производство керамики

  Классификация и производство керамических изделий и материалов, основные технологические виды: терракота, майолика, фаянс, каменная масса и фарфор. История развития и образование международной Академии гончарного искусства в Женеве. Биеннале керамики.
  
  реферат [22,6 K], добавлен 23.12.2010
  

• Технология водки и ликероводочных изделий

  Подготовка воды для ликероводочного производства. Принципиальная технологическая схема получения водки. Купажирование напитков, каскадная фильтрация ликероводочных изделий. Технология получения пищевого уксуса. Производство твердого диоксида углерода.
  
  учебное пособие [3,1 M], добавлен 09.02.2012
  

• Проект цеха "Обжиг" по производству керамического кирпича М 150

  Принципы изготовления кирпича методами полусухого прессования и пластического формования. Роль нетрадиционных добавок в производстве строительной керамики. Проектирование цеха по производству кирпича М 150, расчет его экономической эффективности.
  
  дипломная работа [5,3 M], добавлен 17.06.2011
  

• Разработка полистиролбетона на основе фторангидритового вяжущего

  Производство легких композитов на фторангидритовом вяжущем. Характеристики и минералогический состав фторангидрита. Исследование физико-технических свойств, структуры полистиролбетона. Технология производства изделий на основе фторангидритовых композиций.
  
  дипломная работа [2,3 M], добавлен 14.02.2013
  

• главная
• рубрики
• по алфавиту
• вернуться в начало страницы
• вернуться к началу текста
• вернуться к подобным работам

Материал	УЗ	Температура спекания	HV, ГПа	Ср. HV, ГПа
TZ-8YS	0	1300	15,81	15,50
			15,20
			15,49
TZ-8YS	1		15,92	15,74
			16,03
			15,27
TZ-8YS	0	1400	17,18	16,73
			16,20