Нано- и микротвердость керамических композитов (Y-ZrO2)100-x - (Al2O3)x (x = 0÷60) как функция от толщины тестируемого слоя Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 538.913

DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21 -3-948-951

НАНО- И МИКРОТВЕРДОСТЬ КЕРАМИЧЕСКИХ КОМПОЗИТОВ (У^гО2)100-х - (А120з)х (х = 0-60) КАК ФУНКЦИЯ ОТ ТОЛЩИНЫ ТЕСТИРУЕМОГО СЛОЯ

© Д.Г. Гусева, А.А. Дмитриевский, Н.Ю. Ефремова, П.Н. Овчинников, А.А. Топчий

Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация,

e-mail: aadmitr@yandex.ru

На разных масштабных уровнях (в диапазоне глубин внедрения индентора от 50 нм до 15 мкм) исследованы микромеханические свойства композиционной керамики ^-2г02)100_х - (А1203)х, спеченной при температуре 1300 °С. Установлено, что зависимость нано- и микротвердости от содержания корунда в композите имеет немонотонный характер. Показано, что при низкотемпературном спекании наилучшими механическими свойствами обладает корундо-циркониевый композит с концентрацией А1203 х = 5 %. Полученные результаты свидетельствуют о возможности энергосбережения и использовании сравнительно дешевых печей при производстве инструментальной композиционной керамики.

Ключевые слова: керамические композиты; ZЮ2-A1203; механические свойства; наноиндентирование.

На сегодняшний день керамокомпозиционные материалы находят широкое применение в качестве конструкционных и функциональных материалов [1]. Важным для управления служебными свойствами композитов является понимание процессов взаимодействия между разнородными элементами композиционного материала. Среди большого разнообразия керамо-композитов инструментального назначения особый интерес вызывают комбинации частично стабилизированного диоксида циркония и корунда [2]. Надо отметить, что керамика на основе диоксида циркония и его композиций с оксидом алюминия интенсивно изучается в течение последних 40 лет, и усилия разработчиков не ослабевают в силу присущего ей исключительного комплекса свойств с перспективой его дальнейшего повышения [3-5], включая решение проблемы сопротивления гидротермальным воздействиям [6]. Системы 7г02-А1203, как правило, представляют собой сплав зерен частично стабилизированного окисью иттрия или кальция диоксида циркония и корунда [7]. В таких структурах может реализоваться не только присущий диоксиду циркония механизм трансформационного упрочнения, но и механизм дисперсионного упрочнения, обусловленный присутствием в композите дискретных частиц корунда.

Важно отметить, что механические свойства оксидных керамик и их композитов зависят от фазового состава и размера кристаллитов, которые, в свою очередь, во многом определяются режимами термической обработки. При спекании циркониевой керамики обычно ограничиваются температурами Т1 = 1300 °С. Спекание керамик на основе А1203 требует более высоких температур (~ 1500-1600 °С). Несмотря на это, известны работы по низкотемпературному (Т1 = 1300 °С) синтезу композиционных корундо-циркониевых керамик [8].

В связи с этим целью работы являлось исследование механических свойств (нано- и микротвердости) композитов (Y-ZrO2)100-x - (A12O3)x, спекаемых при температуре 1300 °C, в диапазоне глубин внедрения индентора от десятков нанометров, до единиц микрометров.

Экспериментальные образцы изготавливали следующим образом. Компоненты композита (диоксид циркония, оксид иттрия и корунд) смешивали с таким расчетом, чтобы молярная концентрация стабилизатора (Y2O3) по отношению к ZrO2 имела значение 2,5 %, а массовую концентрацию Al2O3 по отношению к смеси Y-ZrO2 варьировали в диапазоне от 0 до 60 %. Полученную смесь порошков растворяли в дистиллированной воде (в массовом соотношении 1:1). Гомогенизацию суспензии осуществляли при помощи ультразвукового диспергатора. После этого производили помол в планетарной мельнице в течение 5 ч. При этом материалом размольных чаш и измельчающих шаров служил диоксид циркония, стабилизированный оксидом магния. Это позволило минимизировать загрязнение образцов продуктами износа чаш и измельчающих тел. Помол с измельчающими телами малого размера сопровождался значительным тепловыделением, поэтому для защиты размольных чаш и деталей мельницы от перегрева периоды помола (2 мин.) чередовались с периодами охлаждения (12 мин.). По завершении помола производилась усушка смеси в печи при температуре T0 = 80 °С в течение 12 ч. Формовку образцов (в виде таблеток диаметром d = 5 мм и толщиной l ~ 3 мм) осуществляли путем одноосного сухого статического прессования. Спекание образцов производили по двухступенчатой технологии в муфельной печи SNOL 4/1300 LSC21. На первом этапе образцы нагревали с постоянной скоростью (5 °С/мин.) до температуры T1 = 1300 °С и выдерживали в течение 5 мин. Затем

образцы охлаждали до температуры T2 = 1200 °С и спекали в течение 4 ч. Охлаждение до комнатной температуры производили со скоростью, не превышающей 5 °С/мин. Для последующей шлифовки и полировки (шлифовально-полировальный станок BETA/1), а также тестирования механических свойств полученные композиты запрессовывали (с использованием автоматического гидравлического пресса SIMPLIMET 1000) в фенольный компануд с наполнителем в виде древесного порошка PhenoCure (Бакелит). Тестирование нанот-вердости (в диапазоне глубин внедрения пирамиды Берковича от 50 до 2000 нм) производили в непрерывном режиме (continuous stiffness measurement) на мик-розондовой системе NanoIndenter G200 (фирма MTS NanoInstruments). Микротвердость по Виккерсу измеряли на автоматизированном микротвердомере Duramin-A300 при нагрузке 50N (максимальная глубина внедрения индентора h ~ 15 мкм).

Установлено, что независимо от относительного содержания (концентрации) компонент в композите на начальных стадиях индентирования величина H резко падает по мере увеличения глубины внедрения инден-тора (рис. 1). Падение H происходит до глубин внедрения индентора h ~ 250 нм. Это может быть проявлением размерных эффектов, наблюдаемых, в частности, при малых размерах области локального воздействия [9]. При h > 250 нм зависимость H(h) выполаживается (рис. 1). Это позволяет утверждать, что измеряемые значения H характеризуют механические свойства приповерхностных субмикронных слоев композиционной керамики.

Показано, что уменьшение содержания корунда в композите сопровождается увеличением твердости последнего (рис. 1, кривые 1-4). Такая, на первый взгляд, нехарактерная для данной комбинации керамик зависимость твердости композита от концентрации корунда по-видимому связана с условиями спекания. Используемая при отжиге температура (T1 = 1300 °С) существенно ниже обычно используемых для спекания корунда. Вместе с тем, как было сказано выше, известны данные [8] о низкотемпературном спекании композиционной керамики на основе частично стабилизированного (Y2O3) диоксида циркония с незначительным добавлением (1-5 %) Al2O3. Особое внимание следует

Рис. 1. Зависимости нанотвердости (тестируемой в режиме continuous stiffness measurement) от глубины внедрения индентора в композиционную керамику (Y-ZrO2)i00_x - (Al2O3)x: 1) x = 60; 2) x = 40; 3) x = 10; 4) x = 5; 5) x = 0

Рис. 2. Зависимость микротвердости композиционной керамики от концентрации А1203 при максимальной глубине внедрения индентора h ~ 15 мкм

обратить на то, что только при малом содержании Al2O3 (5 %) в композите его твердость оказывается выше, чем у частично стабилизированного диоксида циркония (рис. 1).

Отметим, что при глубинах внедрения индентора h < 2000 нм трещинообразования в композитах (независимо от содержания Al2O3) практически не происходит. В связи с этим в специальной серии измерений микротвердость композитов тестировали при h ~ 15 мкм. Полученные результаты также свидетельствуют о немонотонном характере зависимости числа твердости от концентрации Al2O3 в композите (рис. 2). Видно, что при концентрации корунда в композите С = 5 % микротвердость последнего максимальна (более чем на 20 % превышает микротвердость «чистого» Y-ZrO2). Увеличение содержания Al2O3 в композите (также как и в случае с тестированием субмикронных слоев) сопровождается уменьшением микротвердости.

Таким образом, поученные данные свидетельствуют о возможности установления оптимальной концентрации Al2O3 в системе (Y-ZrO2)100-I - (Al2O3)x, обеспечивающей улучшение механических свойств при низкотемпературном (T1 = 1300 °С) спекании. Возможность спекания наноструктурированной композиционной керамики при T1 ~ 1300 °С позволит использовать в технологическом процессе печи более дешевые по сравнению с традиционно используемыми для спекания корундовой керамики. Это в свою очередь может существенно отразиться на себестоимости конечных изделий. С другой стороны, многочисленные литературные данные свидетельствуют о том, что повышение температуры спекания корундо-циркониевых композитов от 1300 до 1500-1600 °С сопровождается значительным повышением твердости и критического коэффициента интенсивности напряжений (трещиностойко-сти). Это дает основание предполагать возможность дальнейшего улучшения механических характеристик композитов (Y-ZrO2)95 - (Al2O3)5 посредством оптимизации параметров (температуры и длительности) термической обработки.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Bansal N.P. Handbook of Ceramic Composites. Kluwer Academic

Publishers, 2005. 565 p.

2. Guimares F.A.T, Silva K.L., Trombini V. // Ceramic International.

2009. V. 35. P. 741.

3. Morozova L.V., Kalinina M.V., Koval'ko N.Yu., Arsent'ev M.Yu., Shilova O.A. // Glass Physics and Chemistry. 2014. V. 40. № 3. P. 352-355.

4. LinMei and others // Materials Letters. 2010. V. 64. № 1. P. 68-70.

5. Дмитриевский А.А., Гусева Д.Г., Родаев В.В., Жигачев А.О., Столяров Р.А. // Деформация и разрушение материалов. 2016. № 3. С. 6-9.

6. Chevalier et al. // Journal of American Ceramic Society. 2009. V. 92. № 9. P. 1901-1920.

7. Guimares F.A.T, Silva K.L., Trombini V. // Ceramic International. 2009. V. 35. P. 741-745.

8. Vasylkiv O., Sakka Yo., Skorokhod V.V. // J. Am. Ceram. Soc. 2003. V. 86. № 2. P. 299.

9. Головин Ю.И. // ФТТ. 2008. Т. 50. С. 2113.

БЛАГОДАРНОСТИ: Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 16-19-10405).

Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.

UDC 538.913

DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21 -3-948-951

NANO- AND MICROHARDNESS OF CERAMIC COMPOSITES

(Y-ZrO2)100-x - (Al2O3)x (x = 0-60) AS A FUNCTION FROM THICKNESS OF THE TESTED LAYER

© D.G. Guseva, A.A. Dmitrievskiy, N.Y. Efremova, P.N. Ovchinnikov, A.A. Topchiy

Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, e-mail: aadmitr@yandex.ru

At the different scale levels (in the depths range of indenter penetration from 50 nm to 15 ^m) micromechan-ical properties of composite ceramics (Y-ZrO2)100-x - (Al2O3)x, sintered at a temperature 1300 °C are investigated. It is established that dependence nano- and microhardness on the content of corundum in a composite has nonmonotonic character. It is shown that at low-temperature annealing the korundo-zirconium composite with concentration of Al2O3 x = 5 % has the best mechanical properties. The received results testify to a possibility of energy saving and use of rather cheap furnaces at production of composite ceramics. Key words: ceramic composites; ZrO2-Al2O3; mechanical properties; nanoindentetion.

REFERENCES

1. Bansal N.P. Handbook of Ceramic Composites. Kluwer Academic Publishers, 2005. 565 p.

2. Guimares F.A.T, Silva K.L., Trombini V. Ceramic International, 2009, vol. 35, p. 741.

3. Morozova L.V., Kalinina M.V., Koval'ko N.Yu., Arsent'ev M.Yu., Shilova O.A. Glass Physics and Chemistry, 2014, vol. 40, no. 3, pp. 352-355.

4. Lin Mei, and others. Materials Letters, 2010, vol. 64, no. 1, pp. 68-70.

5. Dmitrievskiy A.A., Guseva D.G., Rodaev V.V., Zhigachev A.O., Stolyarov R.A. Deformatsiya i razrushenie materialov, 2016, no. 3, pp. 6-9.

6. Chevalier et al. Journal of American Ceramic Society, 2009, vol. 92, no. 9, pp. 1901-1920.

7. Guimares F.A.T, Silva K.L., Trombini V. Ceramic International, 2009, vol. 35, pp. 741-745.

8. Vasylkiv O., Sakka Yo., Skorokhod V.V. J. Am. Ceram. Soc, 2003, vol. 86, no. 2, p. 299.

9. Golovin Yu.I. Fizika tverdogo tela - Physics of the Solid State, 2008, vol. 50, p. 2113.

GRATITUDE: The research is fulfilled for the grant of Russian Scientific Fund (project no. 16-19-10405). Received 10 April 2016

Гусева Дарья Геннадиевна, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, аспирант, кафедра теоретической и экспериментальной физики, e-mail: dashadansec@mail.ru

Guseva Darya Gennadievna, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Postgraduate Student, Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: dashadansec@mail.ru

Дмитриевский Александр Александрович, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, доцент, зав. кафедрой теоретической и экспериментальной физики, e-mail: aadmitr@yandex.ru

Dmitrievskiy Aleksander Aleksandrovich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Doctor of Physics and Mathematics, Associate Professor, Head of Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: aadmitr@yandex.ru

Ефремова Надежда Юрьевна, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, кандидат физико-математических наук, доцент, доцент кафедры теоретической и экспериментальной физики, e-mail: imfi@tsutmb.ru

Efremova Nadezhda Yurevna, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Candidate of Physics and Mathematics, Associate Professor, Associate Professor of Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: imfi@tsutmb.ru

Овчинников Петр Николаевич, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, студент, e-mail: aadmitr@yandex.ru

Ovchinnikov Petr Nikolaevich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Student, e-mail: aadmitr@yandex.ru

Топчий Алексей Андреевич, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, студент, e-mail: aadmitr@yandex.ru

Topchiy Aleksey Andreevich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Student, e-mail: aadmitr@yandex.ru