Актуальность работы. Техническая керамика является относительно новым видом материалов, объемы её производства заметно уступают производству традиционных металлических и полимерных материалов, но темпы роста производства керамики превышают соответствующие показатели выпуска стали, алюминия и других металлов.
Особое место среди многообразия перспективных конструкционных материалов занимает керамика на основе стабилизированного диоксида циркония. Выбор керамики на основе стабилизированного диоксида циркония учеными, технологами, проектировщиками, исследователями оправдан многообразием преимуществ её физико-химических свойств, таких как высокая прочность при изгибе, максимальная трещиностойкость среди известных керамических материалов, высокая кислото- коррозионно- износо- и термостойкость, а также, в последнее время, выделяют еще одно уникальное качество - биосовместимость.
Несмотря на то, что керамические материалы на основе стабилизированного диоксида циркония обладают рядом уникальных свойств, применение их в целом ряде областей техники ограниченно по причине недостаточной механической прочности. Повышение механической прочности и создание материалов с заданными свойствами - приоритетные задачи для технологов и материаловедов на сегодняшний день.
Первым шагом на этом пути по повышению прочностных характеристик циркониевой керамики стало трансформационное упрочнение, то есть стабилизация диоксида циркония в высокотемпературной тетрагональной модификации для предотвращения растрескивания материала после термообработки и торможения трещин за счет тетрагонально-моноклинного превращения при механических воздействиях на материал. Сейчас становится понятно, что необходимо исследовать и другие возможные методы дальнейшего повышения прочности, такие как дисперсное упрочнение, высокомодульное модифицирование, низкомодульное модифицирование, модифицирование наночастицами.
Развивающаяся современная промышленность заинтересована в более совершенных технологиях производства высококачественных керамических материалов, способных соответствовать предъявляемым к ним разнообразным эксплуатационным требованиям.
Целью работы является разработка технологии получения методом горячего прессования керамических материалов на основе стабилизированного оксидом иттрия диоксида циркония, модифицированных добавками карбида вольфрама, диоксида гафния, нитрида бора и добавками нанопорошков диоксида циркония; исследование основных физико-химических свойств горячепрессованных керамических материалов для применения в качестве волочильного инструмента и других областях практического использования.
В соответствии с общей целью в работе решаются следующие задачи:
- разработка технологических режимов горячего прессования керамики из стабилизированного оксидом иттрия диоксида циркония, модифицированной добавками нанокристаллических порошков диоксида циркония;
- разработка технологических режимов горячего прессования керамических композитов различных составов на основе стабилизированного диоксида циркония;
- совершенствование установки горячего прессования УГП-2 для расширения технологических возможностей метода горячего прессования;
- исследование влияния составов исходных порошковых шихт и технологических параметров горячего прессования на структуру и физико-химические свойства керамических материалов;
- оптимизация составов и технологических режимов процессов горячего прессования керамики из диоксида циркония и композитов на её основе;
- оценка возможности использования полученных керамических материалов для изготовления волочильного инструмента при производстве труб и определение областей их применения.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Результаты структурно-имитационного моделирования для расчета оптимального количества добавок наночастиц различных размеров, полученные с использованием специально разработанной математической модели.
2. Результаты экспериментальных исследований влияния добавок наноразмерных частиц стабилизированного оксидом иттрия диоксида циркония на прочностные характеристики керамических материалов того же химического состава.
3. Результаты экспериментальных исследований влияния добавок карбида вольфрама и добавок диоксида гафния на прочностные характеристики композиционных керамических материалов на основе стабилизированного диоксида циркония.
4. Оптимальные технологические схемы получения методом горячего прессования керамических материалов из стабилизированного оксидом иттрия диоксида циркония с добавками: наноразмерных частиц стабилизированного оксидом иттрия диоксида циркония, диоксида гафния, карбида вольфрама.
Научная новизна работы:
- впервые разработана математическая модель для расчета оптимального количества добавки нанопорошков различной крупности в порошковые шихты из частиц микронных размеров;
- определены основные физико-химические свойства впервые полученных высокоплотных композиционных материалов систем ZrO2-WC, /гО2--НГО2;
- установлено, что добавка 5-10 % нанопорошка диоксида циркония в порошковые шихты из микропорошка диоксида циркония значительно (до 33 %) повышает прочностные свойства получаемого керамического материала;
- выявлено, что добавление 5-30 об. % карбида вольфрама в матрицу из диоксида циркония повышает прочностные свойства получаемых композиционных керамических материалов. Максимальное значение прочности получено при добавке 30 об. % WC;
- впервые установлено, что наиболее высокая прочность композитов системы 2ГО2-НЮ2 отмечается при содержании НЮ2 от 10 до 30 об. % и температуре горячего прессования 1500 °С. Дальнейшее увеличение содержания НЮ2 приводит к снижению прочностных свойств керамики;
- впервые определены оптимальные параметры технологических операций технологических схем получения методом горячего прессования следующих керамических материалов:
• из диоксида циркония с добавкой наночастиц диоксида циркония;
• композитов ZгO2-WC;
• композитов 2ГО2-НЮ2.
Практическая значимость работы:
- разработана технология модифицирования керамики на основе стабилизированного диоксида циркония наночастицами того же состава, даны рекомендации по оптимальным содержаниям добавки нанопорошков в микронные порошки в зависимости от соотношения размеров частиц нано- и микропорошков;
- разработаны технологические схемы и режимы получения методом горячего прессования керамических материалов на основе диоксида циркония, модифицированных добавками карбида вольфрама, диоксида гафния, нитрида бора и добавками нанопорошков диоксида циркония;
- впервые получены высокоплотные горячепрессованные композиционные материалы систем ZгO2-WC, ZгO2-HfO2;
- подтверждена возможность практического использования разработанных керамических материалов для изготовления волочильного инструмента и стоматологических протезов. Волочение через керамические фильеры позволяет значительно снизить необходимое усилие волочения, уменьшить налипание обрабатываемого металла на инструмент и исключить добавление смазки при волочении. Это позволяет сократить количество операций при производстве цельнотянутых труб и повысить их качество.
Личный вклад автора. Автором сформулированы задачи исследования, проведен комплекс работ по модернизации установки горячего прессования. Получены новые керамические материалы. Обработаны и проанализированы экспериментальные данные по исследованию процессов горячего прессования и определению свойств керамики. Разработаны оптимальные технологические схемы получения керамических материалов на основе диоксида циркония. Изготовлены керамические оправки для волочения цельнотянутых труб и блоки-заготовки для стоматологических протезов.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены на VI научно-технической конференции ОАО «ОКБ «Новатор» (Екатеринбург, 2008), XI международной научной конференции «Химия твердого тела: наноматериалы, нанотехнологии» (Ставрополь, 2012), XXXIII Всероссийской конференции по проблемам науки и технологий «Наука и технологии» (Миасс, 2013), Всероссийской научной Интернет-конференции с международным участием «Нанотехнология в теории и практике» (Казань, 2013), III международной конференции «Наноматериалы и нанотехнологии» (Чехия, Острава, 2013).
В прилагаемом к настоящей работе акте испытаний на ОАО "Первоуральский новотрубный завод" подтверждается возможность практического использования разработанных керамических материалов для изготовления волочильного инструмента, применяемого при получении цельнотянутых труб.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ, из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников, включающего 80 наименований. Работа изложена на 148 страницах, содержит 75 рисунков, 23 таблицы и 2 приложения.
1. Разработаны технологические схемы и режимы получения методом горячего прессования керамических материалов на основе диоксида циркония, модифицированных добавками нанопорошков диоксида циркония.
2. Разработаны технологические схемы и режимы получения методом горячего прессования композитов на основе диоксида циркония, модифицированных добавками карбида вольфрама, диоксида гафния, нитрида бора.
3. Установлено, что добавка 5-10 % нанопорошка диоксида циркония в порошковые шихты из микропорошка диоксида циркония значительно (до 33 %) повышает прочностные свойства получаемого керамического материала.
4. Определены фазовые составы, микроструктура и основные физико-химические свойства впервые полученных высокоплотных горячепрессованных композиционных материалов систем ZrO2-WC, /гО2--НЮ2.
5. Выявлено, что добавление 5-30 об. % карбида вольфрама в матрицу из диоксида циркония повышает прочностные свойства получаемых композиционных керамических материалов. Максимальное значение прочности получено при добавке 30 об. % WC.
6. Установлено, что наиболее высокая прочность композитов системы /гО2-НЮ2 отмечается при содержании Н1’О2 от 10 до 30 об. % и температуре горячего прессования 1500 °С. Дальнейшее увеличение содержания НЮ2 приводит к снижению прочностных свойств керамики.
7. Разработана математическая модель для расчета оптимального количества добавки нанопорошков различной крупности в порошковые шихты из частиц микронных размеров.
8. Модернизирована система измерения температуры горячего прессования, повышена точность измерения температуры, разработана и изготовлена из углерод-углеродных материалов новая конструкция тепловой изоляции установки горячего прессования УГП-2 для расширения технологических возможностей метода горячего прессования.
9. В прилагаемом к настоящей работе акте испытаний на ОАО «Первоуральский новотрубный завод» подтверждена возможность эффективного практического использования разработанных керамических материалов как конструкционных износостойких для изготовления волочильного инструмента, применяемого при производстве цельнотянутых труб из нержавеющей стали.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
