Оксидная керамика с алюминием . Порошковая металлургия

1.1 Классификация техничсекой керамики
Для систематического изучения химической технологии технической керамики целесообразно принять классификацию, в основу которой положен признак наличия в изготовленном керамическом изделии определенного химического вещества, кристаллическая фаза которого преобладает в этом виде керамики 1.
Таблица 1.1 – Основные классы технической керамики, виды и области ее применения
Класс

Вид

Основные области
применения
1.
…

1.2 Керамика на основе оксида алюминия, свойства и области применения
Разнообразие корундовых материалов, применяемых в современной технике, определяется не только различием их химико-минералогического состава, но и микроструктурой [2, 3].
Структура керамики зависит от строения исходного порошка, вида и особенностей распределения добавки, механизма спекания и режима обжига. Размер кристаллов в наилучших видах корундовой керамики, которая применяется в различных областях современной техники, находится в пределах 1-5 мкм, поэтому основной задачей при спекании является ограничение роста зерен при обеспечении максимальной плотности материала [4]. Для получения изделий из Аl2О3 с высоким уровнем свойств необходимо добиться того, чтобы границы кристаллов были когерентными и по оптическим свойствам не отличались от основного объема кристаллов. Структура керамики в целом должна приближаться к структуре монокристалла.
…

2.1 Основные технологические операции производства керамки
В основы концепции создания конструкционной керамики входят определяющие свойства (прочность, трещиностойкость, твёрдость, термостойкость и т.д.) и принципы формирования этих свойств (рис. 2.1)

Рисунок 2.1 – Концепция конструкционной керамики. Критерии оптимизации состава, микроструктуры и свойств

Общая схема всех переделов керамической технологии включает синтез порошков заданного химического, фазового и гранулометрического составов, подготовку порошков к формованию, формование сырых заготовок, высокотемпературную консолидацию, финишную обработку и контроль качества (рис. 2.2).

Рисунок 2.2 – Переделы керамической технологии

Обеспечение необходимого качества порошков является ключевой проблемой.
…

2.2 Получение порошков исходных материалов
На основе оксида алюминия созданы материалы с мелкокристаллической структурой, пределом прочности при трехточечном изгибе 300-700 МПа, трещиностойкостью на уровне 4-5 МПа м0,5 3, 14.
Однако такая и подобная ей керамика имеет температуру спекания, достигающую 1750-1800°С.
Необходимость проведения обжига при таких температурах повышает требования к футеровкам, значительно уменьшает срок службы имеющихся тепловых агрегатов, вызывает рост затрат на электроэнергию.
В современных условиях, производства вышеуказанных материалов стали очень дорогостоящими, поэтому выпуск керамики на основе оксида алюминия резко сократился, а некоторых изделий, например, подложек из поликора, режущих пластин из микролита вообще прекращен.
Поэтому, основной задачей на современном этапе является снижение температуры спекания рассматриваемых материалов до уровня 1450-1500°С.
…

2.3 Влияние агрегации порошков исходных материалов на свойства керамики
Агрегаты частиц порошков предшественников, как правило, являются полидисперсными и оказывают влияние на строение твердых фаз.
Агрегация частиц наблюдается 36, 42, 52]:
• в жидкой фазе:
• при старении осадка в маточном растворе;
• при осаждении из горячих разбавленных растворов;
• в ходе гетерофазного синтеза, при передаче агрегированного строения частиц исходной соли частицам малорастворимого соединения.
• при термообработке малорастворимых соединений:
• в ходе прокаливания солей для получения оксидов;
• при прокаливании агрегированных малорастворимых соединений, получаемых осаждением или в ходе гетерофазного синтеза;
• при прокаливании малорастворимых соединений и солей, когда агрегация происходит за счет поверхностной диффузии.
Движущими силами процессов являются:
• электростатические силы;
• силы Ван-дер-Ваальса;
• капиллярные силы.
…

2.4 Влияние добавок на спекание и свойства керамики
Установлено [17], что не содержащие модифицирующих добавок оксидные керамические материалы характеризуются невысоким уровнем свойств, трудно регулируемой микроструктурой, низкой плотностью. Исследования по влиянию добавок на спекание керамики на основе корунда в нашей стране были проведены Н.М. Павлушкиным [18, 53], а впоследствии интенсивно продолжались В.Л. Балкевичем [27, 49], И.С. Кайнарским [25, 54], Д.Н. Полубояриновым [49, 55], Г. В. Куколевым [56], Н.Н. Силиной [57], В.Н. Батыгиным [58] и др.
Обобщая работы по спеканию керамики на основе чистых оксидов с добавками; все добавки по характеру взаимодействия с Аl2O3 можно разделить на 4 группы [5, 59, 60]:
• Полностью растворимые в кристаллической решетке основного оксида (Li2О в MgO; HfО2 в Y2О3, Y2O3 в ZrO2 и др.
…

3.1 Сложные системы оксидов
Тройной системой, имеющей большое значение для понимания поведения целого ряда керамических материалов, является система MgO-Al2O3-SiO2, приведенная на рисунке 3.1. В этой системе образуется несколько бинарных соединений, которые уже были описаны, а также два тройных соединения – кордиерит 2MgO·2Al2O3·5SiO2 и сапфирин 4MgO·5Al2O3·2SiO2
оба плавящиеся инконгруентно. Наименьшая температура ликвидуса имеет место в эвтектике тридимит – протоэнстатит – кордиерит и равна она 1345°С. Эвтектика кордиерит – энстатит – форстерит, образующаяся при 1360°С, является почти такой же легкоплавкой.
Перечень керамических материалов, находящихся в этой системе, включает магнезиальные огнеупоры, форстеритовую керамику, стеатитовую керамику, специальные синтетические составы с низкими диэлектрическими потерями и кордиеритовую керамику. Основные области составов этих материалов на тройной диаграмме показаны на pиcунке 3.2.
…

3.2 Основные закономерности спекания керамики на основе оксида алюминия
Спекание керамики на основе тугоплавких оксидов и оксидов с добавками изучалось в достаточно большом количестве работ [80, 81, 82, 83]. Тем не менее, до настоящего времени практически не создано стройной теории спекания корундовой керамики. Такая ситуация связана с тем, что процессы, происходящие при спекании оксидов с добавками разной природы различны; в каждом случае действует несколько механизмов, один из которых является преобладающим.
Как известно, при рассмотрении процесса спекания керамических материалов выделяют 3 основные стадии [80]:
Припекание частиц с увеличением площади контакта спекающихся порошинок. Частицы при этом сохраняют свою индивидуальность. Все поры – взаимосвязаны.
На этой стадии система представляет собой хаотичную «смесь» частичек и пор. Поры остаются сквозными.
На этом этапе поры становятся изолированными, твердая фаза – сплошной.
Припекание частиц твердой фазы, по Я.Е.
…

3.3 Механическая прочность корундовой керамики и методы ее повышения
На прочность керамических материалов влияют как внутренние, так и внешние факторы. К внутренним факторам относятся поры, кристаллы, межкристаллические границы; к внешним – состояние поверхности, статочные и внешние напряжения, вид напряженного состояния растяжение, сжатие, изгиб и др.), скорость нагружения [71]. При равном значении открытой пористости, качестве обработки поверхности, размера и формы частиц преобладающим фактором, определяющим прочность, являются межкристаллические границы.
Прочность твердых тел обусловлена силами взаимодействия между
атомами или ионами, составляющими данное тело. Если рассматривать зависимость прочности только от физико-химических свойств самого материала, считая его монокристаллическим, максимальная прочность равна [99]:
, (3.23)

где – модуль упругости I рода;
– удельная поверхностная энергия твердого тела;
– параметр решетки.
…