КОМПОЗИТНЫЙ МАТЕРИАЛ С ВЫСОКОЙ УСТОЙЧИВОСТЬЮ К ИСТИРАНИЮ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ЭКСПЕРТ:

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

2023. № 4 (23)

Научная статья

УДК 691.32 : 666.3.046.4

ГРНТИ: 67 Строительство и архитектура

ВАК: 2.1.5. Строительные материалы и изделия

Б01 10.51608/26867818_2023_4_89

КОМПОЗИТНЫЙ МАТЕРИАЛ С ВЫСОКОЙ УСТОЙЧИВОСТЬЮ К ИСТИРАНИЮ1

ПЛЕТНЕВ Петр Михайлович

доктор технических наук, профессор

Сибирский государственный университет путей сообщения; Новосибирский государственный аграрный университет (Россия, Новосибирск, e-mail: pletnev0@mail. ru)

СЕМАНЦЕВА Елена Сергеевна

аспирант

Сибирский государственный университет путей сообщения (Россия, Новосибирск)

SPIN-код: 6495-0156 ШАХОВ Сергей Александрович

доктор технических наук, профессор

Сибирский государственный университет путей сообщения (Россия, Новосибирск)

Аннотация. В настоящее время керамические материалы благодаря своим физико-химическим и физико-механическим свойствам получили широкое применение при измельчении и гомогенизации шихт и водных суспензий. Однако керамика не в полной мере удовлетворяет требования по сроку службы и намолу истирающих тел. В ходе экспериментальных исследований показана возможность синтеза плателетных SrAli2Oi9 в системе SrO-AI2O3 из прекурсора карбоната стронция с различным соотношением компонентов. При исследовании микроструктуры композита SrO-Al2Oз-3УZrO2 выявлено наличие в структуре керамического материала плателетных структур, придающих керамике высокие физико-механические (прочность, трещиностойкость) и износостойкие характеристики.

Ключевые слова: мелющие тела; керамический материал; алюмоциркониевый композит; прочность; трещиностойкость; износостойкость

Для цитирования: Композитный материал с высокой устойчивостью к истиранию / П.М. Плетнев, Е.С. Семанцева, С.А. Шахов // Эксперт: теория и практика. 2023. №» 4 (23). С. 89-94. doi 10.51608/26867818_2023_4_89

© Авторы 2023 SPIN-код: 1363-7913 ORCID 0000-0003-0190-7133 Scopus ID: 6603166237

1 Работа представлялась в виде устного доклада на Международной научно-практической конференции «Новые прогрессивные рецептурно-технологические решения в строительном материаловедении» (18-21 июля 2023 г., Новосибирск).

Original article

HIGHLY ABRASION RESISTANT COMPOSITE MATERIAL

© The Author(s) 2023 PLETNEV Petr Mikhailovich

doctor of technical sciences, professor Siberian State Transport University; Novosibirsk State Agrarian University (Russia, Novosibirsk, e-mail: pletnev0@mail. ru)

SEMANTSEVA Elena Sergeevna

PhD Candidate

Siberian State Transport University (Russia, Novosibirsk)

SHAHOV Sergey Alexandrovich

doctor of technical sciences, professor Siberian State Transport University (Russia, Novosibirsk)

Abstract. Nowadays, ceramic materials, due to their physicochemical and physical-mechanical properties, have been widely used for grinding and homogenizing charge and aqueous suspensions. However, ceramics do not fully meet the requirements for service life or a number of abrasive bodies. The possibility of synthesizing the SrAl12O19 payload in the SrO-Al2O3 system from a strontium carbonate precursor with different component ratios is shown in the course of experimental studies. In the study of the composite microstructure SrO-Al2O3-3UZrO2, the presence of ceramic material platelike structures giving ceramics high physical-mechanical (strength, fracture resistance) and wear-resistant characteristics was revealed.

Keywords: grinding bodies; ceramic material; aluminum zirconium composite; strength; crack resistance; wear resistance

For citation: Highly abrasion resistant composite material / P.M. Pletnev, E.S. Semantseva, S.A. Shahov // Expert: Theory and Practice. 2023. No. 4 (23). Pp. 89-94. doi 10.51608/26867818_2023_4_89

В строительной индустрии и в специальных областях современного материаловедения значительную роль играют процессы измельчения и гомогенизации шихт и водных суспензий. Важно при этом, чтобы применяемое помольное оборудование обеспечивало высокую эффективность измельчения и чистоту получаемого продукта. Низкая степень истираемости, высокая коррозионная стойкость позволяют использовать керамику в качестве мелющих тел и футеровки оборудования. Применение керамики обеспечивает минимальное загрязнение измельчаемого продукта, используемого в строительстве, в том числе лакокрасочные или упрочняющие материалы. Наиболее

востребованными для этих целей являются корундовые (алюмооксидные) изделия (мелющие тела и элементы футеровки мельниц). Однако, алюмооксидная керамика не в полной мере удовлетворяет требования по сроку службы и намолу истирающих тел. Решение этой задачи возможно при создании композитной многофазной керамики с определенной структурой, придающую материалу высокую устойчивость к истиранию и механической нагрузки [1-4].

Цель работы: Разработка композитного материала на основе системы Сг20з-8г0-АЮз-3У-2г02 с использованием прекурсора из 8йг0здля изготовления мелющих тел и футеровки.

Характеристика исходных материалов

В качестве исходных компонентов были использованы: оксид алюминия (глинозем) марки CT 3000 SG производитель Almatis GmbH (Германия); диоксид циркония, стабилизированный 3,0 мас. % оксида иттрия марки PSZ, производитель Stanford Materials Corporation (США); оксид хрома марки Green "F3" производитель Projector GmbH (Германия, Япония) CAS 1308-38-9; карбонат стронция марки «B» производитель Solvay GmbH (Германия); нестабилизированный диоксид циркония марки CZE-M1 производство Saint-GobainZirPro (Китай). Исходные компоненты характеризовались высокой дисперсностью и чистотой от примесей.

ЭКСПЕРТ:

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

2023. № 4 (23)

Таблица 1 - Характеристики порошка АЬОзСТ 3000 SG

Химический состав Размер частиц Основная фаза

Наименование вещества Содержание D10 D50 0,2 мкм 0,5 мкм Содержание а-фазы 99,83%

АЬОз He менее 99.772% D90 2,4 мкм

Na20 0,092% Агломераты до 5 мкм.

Si02 0,046%

Fe^Oj 0,021%

CaO Не обнаружен

MgO 0,069%

Таблица 2 - Характеристика порошка 3Y-ZrO:

Химический состав Размер частиц Фазовый состав

Наименование вещества Содержание D10 0,2 мкм Содержание t-фазы -63,3% m- фазы - 36,7%

D50 0,8 мкм

Zr02+Hf0: 94.4% D90 2,5 мкм

Y2O3 4,9% Агломераты до (6-8) мкм

Сумма примесей 0,7%

Na20

Fe:03

TlQi

Таблица 3 - Характеристика порошка СгзСЬ

Химический состав Размер частиц

Наименование вещества Содержание D10 0,2 мкм

D50 0,8 мкм

Сг;СЬ 99.82% D90 2,5 мкм

SO4 не обнаружен

ZrO: 0,0522 % Агломераты до (6-8) мкм

Y2O3 0,0487 %

SrO 0,0327 %

ïczO) 0,0204 %

Шумовые примеси 0,027 %

Таблица 4 - Характеристика nopomKaSrCO.3

Химический состав

Наименование вещества Содержание

SrCO. не менее 99,5%

BaO не более 1,9 %

SO. не более 0,5 %

Размер частиц

Остаток на менее 45 мкм не более 1%.

Экспериментальная часть

Технология получения композитного керамического материала предусматривала операции: помола, смешения, введение предварительно синтезированных соединений, приготовление пресс-порошка, прессование и спекание образцов. На первом этапе были определены предпочтительные соотношения основных компонентов шихты АЬ0з:3У-2г02 и режимы синтеза.

г, крл «..;

>4S ш i

SEI 20kV WDSmm SS30 «10,000 Ipm «— . ^

NEVZ Ceramics Jug 13, 2013

Рисунок 3 - Керамика после спекания в сравнении с керамикой 2ТА производства Сегаш1ес

В табл. 5 - 6 и на рис. 3 приведены физико-механические свойства для разных соотношений компонентов и показана микроструктура алюмоциркониевой керамики при соотношении АЬ0з : 3У-2г02 как 3:1 и с добавкой оксидов хрома и стронция в качестве прекурсора алюмината стронция.

Таблица 5 - Трещиностойкость керамических образцов с различным соотношением компонентов АЬ0з: 3У-2г02в шихте

Состав керамики 100 мас.%АЮз 75 мас.%АЮз + 25 мас.% 3Y-ZrO2 50мас.%АШз + 50мас.% 3Y-ZrO2 15 мас.% АШз + 85 мас.% 3Y-ZrO2 100 мас.% ZrO2

Трещиностойкость, МПа*м1/2 3,2 4,4 4,2 - 5,71

Таблица 6 - Прочность при изгибе (сизг) керамических образцов с различным соотношением компонентов АЬ20з: 3У-2г02в шихте

Состав керамики 100 мас.%АШз 75 мас.% АШз + 25 мас.% 3Y-ZrO2 50мас.%АШз + 50мас.% 3Y-ZrO2 15 мас.% Al2Oз + 85 мас.% 3Y-ZrO2 100 мас.% ZrO2

Прочность на изгиб, МПа 370±40 780±50 870±50 850±з0 700±50

Таблица 7 -Физико-механические характеристики полученного композита

№ серии Кажуща-яся плотность г/смз Относитель-ная плотность, % Прочность на при статическом изгибе, МПа Трещино-стойкость,Мп а*м1/2 Микро-твердость, ГПа Износ, ммз/млн. циклов

1 4,з7 99,з2 1193±80 б,4б 17,0 0,з

2 4,зб 99,09 1205±80 б,8з 17,0 -

з 4,з7 99,з2 1035±80 7,12 17,0 0,з

4 4,зб 99,09 1264±80 7,б4 17,з -

5 4,зб 99,09 1201±80 б,97 17,4 -

ЭКСПЕРТ:

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

2023. № 4 (23)

На рис. 4 представлена термо-РФА диаграмма образования алюмината стронция в смеси карбоната стронция и оксида алюминия. Образование гексаалюмината стронция завершается при температуре 1250 °С.

♦ SrAI,„0„

Щ Q О ■ ■ ОГМ112 19

Ь я ■ ■

I.,,,.-.,..»..¿L.^..»I.IV VnMiiiii/>H»

Precursor

A-^uJL^ZA. JiLtXvJLi

10 20 30 40 50

2еп

Рисунок 4 - Термо-РФА смеси карбоната стронция и оксида алюминия

Кристаллы гексаалюмината стронция представляют собой пластинки размером: длина 3 мм, ширина 1 мм, которые располагаются равномерно между кристаллами алюмината циркония, тем самым выполняют роль армирующей сетки структуры композита, блокируя эффекта по распространение возникающей трещины (рис. 5).

Рисунок 5 - Снимки РЭМ полученной алюмоциркониевой керамики с плателетами 5гА112О1 у

Модельное представление структуры образующегося композитного материала показано на рис.6.

Рисунок 6 - Иллюстрация фрагментарной структуры композитного материала в системе 8Ю-АЬОз-ЗУ-гЮз Физико-механические характеристики

полученного композита приведены в табл. 7 для нескольких последовательно изготовленных партий керамики.

Рисунок 7 - Образцы в виде балочек для испытаний физико-механических характеристик композитного керамического материала

Таким образом, разработан состав композитного керамического материала с высокой устойчивостью к истиранию на основе высокочистых и высокодисперсных исходных материалов для системы БЮ-АЬОз-З У-2Ю2 с формированием фрагментарной структуры алюмоциркониевой керамики, армированной платенетами пластинчатой формы гексаалюминатов стронция. Это придает керамике высокие физико-механические (прочность, трещиностойкость) и износостойкие характеристики.

Выводы

1. Синтезирован композитный керамический материал системы СкОз-ЗЮ-АЪОз-ЗУ-гЮг с образованием структур БгЛЬ 2О1 у за счет введения прекурсора Б гё Юз. и мс ющий высокие физико-механические характеристики (трещиностойкость и прочность на изгиб).

2. Установлено, что валюмоциркониевом композите образуются плателеты-кристаллы состава8гА112019 при введении 8г2Юз в композит. При этом не обнаружено областей конгломерации плателет.

3. Показано, что содержание диоксида циркония, частично стабилизированного 3,0 мае. % оксида иттрия - 25 %, является оптимальным для выбранной керамической композиции АЬОз -ЗУ-гЮ2.

Библиографический список

1. Марков, М. А. Износостойкие керамические материалы на основе оксида алюминия для пар трения : специальность 05.17.11 "Технология

2.

силикатных и тугоплавких неметаллических материалов" : автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / Марков Михаил Александрович. - Санкт-Петербург, 2016. - 22 с. - ББМ грЮАБ.

Семанцова, Е. С. Композитная керамика для специального применения / Е. С. Семанцова, П. М. Плетнев, И. В Шемякина // ПОВЫШЕНИЕ качества и эффективности строительных и специальных материалов : Сборник Национальной научно-технической

конференции с международным участием, Новосибирск, 18-22 февраля 2019 года. -Новосибирск: ИЦ НГАУ «Золотой колос», 2019. - С. 278-282. - EDN VTXDUF.

4. Callaghan J.J. Ceramic on crosslinked polyethylene in total hip replacement: any better than metal on crosslinked polyethylene // Iowa Orthop. J. - 2009 -Vol. 29 - P. 1-4

5. Семченко, Г.Д. Конструкционная керамика и огнеупоры / Г.Д. Семченко. - Харьков: НТУ «ХПИ», 2000. - 324 с.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации.

Статья поступила в редакцию 01.09.2023; одобрена после рецензирования 27.10.2023; принята к публикации 27.10.2023.

The authors declare no conflicts of interests. The authors made an equivalent contribution to the preparation of the publication.

The article was submitted 01.09.2023; approved after reviewing 27.10.2023; accepted for publication 27.10.2023.