CC BY
51
УДК 666.651.5:3.015.4:3-16
Г. И. Дейнега*, Н. А. Попова, Е. С. Лукин
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20 * e-mail: [email protected]
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДОБАВКИ АЛЮМОМАГНЕЗИАЛЬНОЙ ШПИНЕЛИ НА СПЕКАНИЕ И СВОЙСТВА КЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ ЧАСТИЧНО СТАБИЛИЗИРОВАННОГО ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ
Методом термолиза солей в качестве добавки к ЧСДЦ получена алюмомагнезиальная шпинель (MgAl2O4). Определено влияние количества добавки алюмомагнезиальной шпинели (MgAl2O4) на температуру спекания, механические, трибологические и высокотемпературные свойства композиционного материала на основе ЧСДЦ.
Ключевые слова: композит, частично стабилизированный диоксид циркония, ЧСДЦ, алюмомагнезиальная шпинель, наноструктурированный материал, MgAl2O4.
Растущий спрос на конструкционные материалы концентрируется в области машиностроения, где решающими факторами являются износостойкость, механическая прочность и термостойкость [1]. Свойства оксидной керамики на основе частично стабилизированного диоксида циркония (ЧСДЦ) и алюмомагнезианльной шпинели (М^А!^^ хорошо отвечают этим требованиям. Некоторые свойства ЧСДЦ и М§А!^4 приведены в Таблице 1.
Таблица!
ZrO2 MgAl2O4
Плотность, г/см3 6,05 3,58
Прочность, МПа 1300 150
Твердость по Моосу 8,5 8
ТКЛР, -10-6 1/°С 8,5-9 8
Особенностью оксидной керамики на основе ЧСДЦ является наличие полиморфного перехода тетрагональной фазы в моноклинную, которая заполняет объем трещины. Однако недостатком ЧСДЦ является его плохая устойчивость к термоудару. Введение в состав алюмомагнезиальной шпинели (MgAl2O4) позволяет повысить устойчивость материала к термоциклированию.
Целью данной работы является исследования влияния концентрации добавки
алюмомагнезиальной шпинели (MgAl2O4) на температуру спекания и свойства оксидной керамики на основе ЧСДЦ.
Алюмомагнезиальную шпинель (MgAl2O4) стехиометрического состава 71,7% - Al2O3 и 28,3% -MgO, cинтезировали методом термолиза солей Al(OH)3 и MgCO3 при температуре 1100 °С.
Было приготовлено 3 состава композиционного материала на основе матрицы ЧСДЦ с различной добавкой алюмомагнезиальной шпинели (MgAl2O4) равной 10, 20 и 30 мас.%.
Образцы формовали в виде балочек (40х6х4мм) и дисков (032х8мм) методом холодного гидростатического прессования. Обжиг проводили при температурах 1450 - 1600 °С, с шагом 50 °С в воздушной среде. Испытание на прочность проводили методом трехточечного изгиба, открытую пористость определяли методом гидростатического взвешивания. Результаты испытаний приведены в Таблице 2.
При увеличении температуры обжига у всех составов наблюдается увеличение прочности, что объясняется взаимным сдерживанием роста кристаллов ЧСДЦ и MgAl2O4, которое приводит к равномерному росту зерен обоих фаз. При увеличении MgAl2O4 в матрице ЧСДЦ механическая прочность падает ввиду увеличения доли в композиционном материале компонента с меньшим значением прочности чем у матрицы и аномального роста кристаллов MgAl2O4 (Рис.1)
Таблица 2
Т,°С ZrO2 - 90%, MgAl2O4 -10% ZrO2 - 80%, MgAl2O4 -20% ZrO2 - 70%, MgAl2O4 -30%
Оизгиб, МПа Дот^ % Оизгиб, МПа Дот^ % Оизгиб, МПа Поткр, %
1450 547±87 2,7 436±74 2,3 290±53 0,1
1500 578±98 0,1 440±92 0,9 416±80 0,5
1550 560±100 0,1 452±84 0,5 251±54 0,62
1600 451±72 0,1 430±90 0,9 215±42 0,83
т
»7 Л 9W1M
, ж1Г 'Sfr \
v У j
L <15
\9 * r' ftl д V* V
. Wi'H. Ж Zi * ' Л2< я мЛИВм я ■IlliFi шш
м
■ВЖЗЙ^ е
Рис.1. а - микроструктура образца состава 1 (10 масс. % MgAl2O4) температура обжига 1500°С; б - микроструктура образца состава 2 (20 масс. % М§А1204) температура обжига 1500°С; в - Микроструктура образца состава 3 (30 масс. %
М§А1204) температура обжига 1500°С
В качестве абразива для испытания на износостойкость использовали частицы
электроплавленного корунда с размером зерен 0,160,32мм. Путь трения составил 540 м при давлении 0,33 МПа в зоне контакта. Потеря массы составила 1-10"4 грамм, что свидетельствует о высоком сопротивлении композиционного материала к истиранию.
Таким образом, в проведенном исследовании получен наноструктурированный композиционный материал на основе ЧСДЦ с добавкой
алюмомагнезиальной шпинели (MgAl2O4), который обладает средней прочностью 550 МПа, малой открытой пористостью, плотностью равной 5,20 г/см3; высокой износостойкостью и устойчивостью к термоциклированию (не менее 50 циклов при 1300 °С). Полученный композиционный материал на основе ЧСДЦ с добавкой алюмомагнезиальной шпинели (MgAl2O4) может быть использован для изготовления деталей или защитного покрытия на элементы двигателя внутреннего сгорания.
Дейнега Григорий Иванович, студент 1 курса магистратуры факультета Технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Попова Нелля Александровна, доцент, старший преподаватель кафедры Керамики и огнеупоров РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Лукин Евгений Степанович, д.т.н., профессор кафедры Керамики и огнеупоров РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Литература
1.Швейкин Г. П. Керамика: Прогнозы развития на 2000 - 2005 гг. Огнеупоры и техническая керамика. 2000. №7. - С. 5-9.
Deynega Gregory Ivanovich, Popova Nelly Aleksandrovna, Lukin Evgeny Stepanovich
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. [email protected]
THE INFLUENCE OF ADDITIVES ALUMOMAGNESIUM SPINEL ON SINTERING AND PROPERTIES OF CERAMICS BASED ON PARTIALLY STABILIZED ZIRCONIUM DIOXIDE
Abstract
By the method of thermolysis of salts as additives to zirconium dioxide received alumomagnesium spinel (MgAl2O4). The influence of the amount of additives alumomagnesium spinel (MgAl2O4) at the sintering temperature, the mechanical, tribological and high temperature properties of the composite material on the basis of zirconium dioxide.
Key words: composite, partially stabilized zirconium dioxide, alumomagnesium spinel, nanostructured material, MgAl2O4.
