RU2710341C1 - Ceramic material with low sintering temperature based on zirconium dioxide - aluminum oxide - silicon oxide system - Google Patents
Ceramic material with low sintering temperature based on zirconium dioxide - aluminum oxide - silicon oxide system Download PDFInfo
- Publication number
- RU2710341C1 RU2710341C1 RU2019107659A RU2019107659A RU2710341C1 RU 2710341 C1 RU2710341 C1 RU 2710341C1 RU 2019107659 A RU2019107659 A RU 2019107659A RU 2019107659 A RU2019107659 A RU 2019107659A RU 2710341 C1 RU2710341 C1 RU 2710341C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sintering
- ceramic material
- mpa
- silicon oxide
- zirconium dioxide
- Prior art date
Links
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 9
- 238000005245 sintering Methods 0.000 title claims description 29
- CNVKSEGQYABYSR-UHFFFAOYSA-N [O-2].[O-2].[Zr+4].[Si+2]=O.[O-2].[Al+3] Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4].[Si+2]=O.[O-2].[Al+3] CNVKSEGQYABYSR-UHFFFAOYSA-N 0.000 title 1
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 23
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 17
- AMWRITDGCCNYAT-UHFFFAOYSA-L hydroxy(oxo)manganese;manganese Chemical compound [Mn].O[Mn]=O.O[Mn]=O AMWRITDGCCNYAT-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims abstract description 16
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 11
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims abstract description 10
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 claims abstract description 6
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims abstract 3
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 4
- SIWVEOZUMHYXCS-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoyttriooxy)yttrium Chemical compound O=[Y]O[Y]=O SIWVEOZUMHYXCS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- RKTYLMNFRDHKIL-UHFFFAOYSA-N copper;5,10,15,20-tetraphenylporphyrin-22,24-diide Chemical compound [Cu+2].C1=CC(C(=C2C=CC([N-]2)=C(C=2C=CC=CC=2)C=2C=CC(N=2)=C(C=2C=CC=CC=2)C2=CC=C3[N-]2)C=2C=CC=CC=2)=NC1=C3C1=CC=CC=C1 RKTYLMNFRDHKIL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 abstract description 6
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 abstract 2
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 abstract 2
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 abstract 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 2
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 abstract 2
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 abstract 1
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract 1
- 229910001845 yogo sapphire Inorganic materials 0.000 abstract 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 7
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 6
- 230000005496 eutectics Effects 0.000 description 3
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- KZHJGOXRZJKJNY-UHFFFAOYSA-N dioxosilane;oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Si]=O.O=[Si]=O.O=[Al]O[Al]=O.O=[Al]O[Al]=O.O=[Al]O[Al]=O KZHJGOXRZJKJNY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- PPNAOCWZXJOHFK-UHFFFAOYSA-N manganese(2+);oxygen(2-) Chemical group [O-2].[Mn+2] PPNAOCWZXJOHFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052863 mullite Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 230000000930 thermomechanical effect Effects 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
- C04B35/10—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on aluminium oxide
- C04B35/111—Fine ceramics
- C04B35/117—Composites
- C04B35/119—Composites with zirconium oxide
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области получения высокоплотной керамики на основе системы диоксида циркония - оксида алюминия - оксида кремния (ZrO2-Al2O3-SiO2).The invention relates to the field of producing high-density ceramics based on a system of zirconium dioxide - alumina - silicon oxide (ZrO 2 -Al 2 O 3 -SiO 2 ).
Материалы системы ZrO2-Al2O3-SiO2 нашли применение в огнеупорных и высокотемпературных деталях машин и печного оборудования вследствие стойкости к термическому удару и высоким механическим свойствам. Однако эти материалы имеют высокие температуры спекания 1550-1650°С, что приводит к необходимости использования специального дорогостоящего термического оборудования. Решением проблемы является использование близких по составу керамических материалов на основе тройной эвтектики ZrO2-Al2O3-SiO2 с низкой температурой плавления (эвтектика 31%ZrO2 - 58%Аl2O3 - 11%SiO2, Тпл=1710°С). Также для снижения температуры спекания вводят спекающие добавки, позволяющие получать плотные и прочные материалы ZrO2-Al2O3-SiO2 при более низкой температуре.The materials of the ZrO 2 -Al 2 O 3 -SiO 2 system are used in refractory and high-temperature parts of machines and furnace equipment due to their resistance to thermal shock and high mechanical properties. However, these materials have high sintering temperatures of 1550-1650 ° C, which leads to the need to use special expensive thermal equipment. The solution to the problem is the use of ceramic materials close in composition based on a triple eutectic ZrO 2 -Al 2 O 3 -SiO 2 with a low melting point (eutectic 31% ZrO 2 - 58% Al 2 O 3 - 11% SiO 2 , T pl = 1710 ° C). Also, to reduce the sintering temperature, sintering additives are introduced, which make it possible to obtain dense and durable ZrO 2 -Al 2 O 3 -SiO 2 materials at a lower temperature.
Наиболее близким по техническому решению и достигаемому эффекту является керамический материал [Wahsh М. М. S., Khattab R. М., Awaad М. Thermo-mechanical properties of mullite/zirconia reinforced alumina ceramic composites //Materials & Design. - 2012. - T. 41. - C. 31-36] следующего состава: ZrO2 - 20,5%, Al2O3 - 66,8%, SiO2 - 10%, содержащий добавку MgO - 2,7%. Данный материал спекали в интервале температур 1300-1500°С. Минимальная пористость - около 5% - была достигнута при 1500°С, прочность при изгибе составляла 550 МПа. При более низких температурах спекания прочность резко снижалась, что объяснялось увеличением пористости материалов. Так, после спекания на 1400°С и 1300°С прочность материалов составляла 370 и 101 МПа при пористости около 30% и 35%, соответственно.The closest in technical solution and the achieved effect is a ceramic material [Wahsh M. M. S., Khattab R. M., Awaad M. Thermo-mechanical properties of mullite / zirconia reinforced alumina ceramic composites // Materials & Design. - 2012. - T. 41. - C. 31-36] of the following composition: ZrO 2 - 20.5%, Al 2 O 3 - 66.8%, SiO 2 - 10%, containing an MgO additive - 2.7% . This material was sintered in the temperature range 1300-1500 ° C. The minimum porosity - about 5% - was achieved at 1500 ° C, the bending strength was 550 MPa. At lower sintering temperatures, the strength sharply decreased, which was explained by an increase in the porosity of materials. So, after sintering at 1400 ° C and 1300 ° C, the strength of the materials was 370 and 101 MPa with porosities of about 30% and 35%, respectively.
Технический результат изобретения заключается в создании материала на основе системы диоксида циркония - оксида алюминия - оксида кремния, спекающегося до плотного состояния (открытая пористость не более 0,01 %) при низкой температуре 1250-1350°С, и характеризующегося высокими механическими характеристиками: прочностью при изгибе не менее 270 МПа при температуре спекания 1250°С, 310 МПа при 1300°С, 420 МПа при 1350°С.The technical result of the invention is to create a material based on a system of zirconia - alumina - silicon oxide, sintering to a dense state (open porosity of not more than 0.01%) at a low temperature of 1250-1350 ° C, and characterized by high mechanical characteristics: strength at a bend of at least 270 MPa at a sintering temperature of 1250 ° C, 310 MPa at 1300 ° C, 420 MPa at 1350 ° C.
Технический результат достигается тем, что керамический материал с низкой температурой спекания на основе диоксида циркония - оксида алюминия - оксида кремния, содержит добавку оксида марганца, способствующую спеканию при 1250-1350°С при следующих соотношениях компонентов в материале: добавка оксид марганца 1-5 масс. %, диоксид циркония (содержание оксида иттрия 3-9 мол. %) - 26-36 масс. %, оксид алюминия - 53-61 масс. %, оксид кремния - 5-16 масс. %. Полученный материал характеризуется прочностью при изгибе не менее 270 МПа при спекании на 1250°С, не менее 350 МПа при спекании на 1300°С, не менее 420 МПа при спекании при на 1350°С, равномерной однородной структурой с размером кристаллов около 50 -100 нм при спекании на 1250°С, 50-200 нм при спекании на 1300°С, при спекании на 1350°С 100-300 нм и открытой пористостью не более 0,01 %.The technical result is achieved by the fact that the ceramic material with a low sintering temperature based on zirconia - alumina - silicon oxide, contains an additive of manganese oxide, contributing to sintering at 1250-1350 ° C with the following ratios of components in the material: additive manganese oxide 1-5 mass . %, zirconia (yttrium oxide content 3-9 mol.%) - 26-36 mass. %, alumina - 53-61 mass. %, silicon oxide - 5-16 mass. % The resulting material is characterized by a bending strength of at least 270 MPa during sintering at 1250 ° C, at least 350 MPa during sintering at 1300 ° C, at least 420 MPa during sintering at 1350 ° C, a uniform uniform structure with a crystal size of about 50 -100 nm during sintering at 1250 ° С, 50-200 nm during sintering at 1300 ° С, during sintering at 1350 ° С 100-300 nm and open porosity of not more than 0.01%.
Керамический материал указанного состава неизвестен. При спекании добавка оксида марганца образует низкотемпературный расплав за счет взаимодействия с оксидом кремния (температура плавления эвтектики около 1251°С), что способствует спеканию материала по жидкофазному механизму. В результате спекания до плотного состояния (открытая пористость не более 0,01 %) становится возможным при низких температурах 1250-1350°С, получить материалы с высокими механическими свойствами. При температурах спекания более 1400°С происходит рост кристаллов, что приводит к снижению прочности. При температурах ниже 1100°С падение прочности происходит вследствие увеличения пористости. При использовании добавки менее 1 масс. % оксида марганца материал имеет высокую открытую пористость, что приводит к снижению прочности материала. При использовании добавки более 5 масс. % оксида марганца в материале в качестве второй фазы образуется большое количество жидкой фазы при спекании, что приводит к деформации керамического материала. При содержании оксида иттрия менее 3 мол. % образуется моноклинная модификация, а при более 9 мол. % кубическая модификация, содержание которых также снижает прочность материала. При выходе за указанные пределы содержания оксидов: диоксид циркония 26-36 масс. %, оксид алюминия 53-61 масс. %, оксид кремния 6-16 масс. % материалы имеют прочность ниже 270-420 МПа при спекании ниже 1350°С.Ceramic material of this composition is unknown. During sintering, the addition of manganese oxide forms a low-temperature melt due to interaction with silicon oxide (the eutectic melting point is about 1251 ° C), which contributes to the sintering of the material by a liquid-phase mechanism. As a result of sintering to a dense state (open porosity of not more than 0.01%), it becomes possible at low temperatures of 1250–1350 ° C to obtain materials with high mechanical properties. At sintering temperatures of more than 1400 ° C, crystal growth occurs, which leads to a decrease in strength. At temperatures below 1100 ° C, a drop in strength occurs due to an increase in porosity. When using additives less than 1 mass. % manganese oxide material has a high open porosity, which leads to a decrease in the strength of the material. When using additives more than 5 mass. % of manganese oxide in the material as a second phase, a large amount of the liquid phase is formed during sintering, which leads to deformation of the ceramic material. When the content of yttrium oxide is less than 3 mol. % monoclinic modification is formed, and at more than 9 mol. % cubic modification, the content of which also reduces the strength of the material. If you go beyond the specified limits of the content of oxides: zirconium dioxide 26-36 mass. %, alumina 53-61 mass. %, silicon oxide 6-16 wt. % materials have a strength below 270-420 MPa when sintering below 1350 ° C.
Пример. Керамику получали из нанодисперсных порошков состава 31 масс. % ZrO2 (диоксид циркония содержал 9 мол. % оксида иттрия) 56 масс. % Аl2О3 - 11 масс. % SiO2, удельная поверхность порошков была не менее 20 м/г. В порошки вводили оксид марганца в количестве 2 масс. % в виде порошка. Смешение проводили на планетарной мельнице в течение 30 минут до получения порошка с равномерным распределением добавки. Для получения образцов порошок прессовали в образцы в виде баночек размером 30×3×3 мм. Полученные образцы спекали при температуре 1300°С. В результате получали керамический материал, состоящий из 100% тетрагональной фазы. Материал характеризовался однородной мелкокристаллической структурой с размером кристаллов 50-200 нм, открытой пористостью не более 0,01%, прочностью при изгибе 350 МПа.Example. Ceramics were obtained from nanodispersed powders of the composition of 31 mass. % ZrO 2 (zirconia contained 9 mol.% Yttrium oxide) 56 wt. % Al 2 About 3 - 11 mass. % SiO 2 , the specific surface of the powders was not less than 20 m / g. Manganese oxide was introduced into the powders in an amount of 2 wt. % in powder form. Mixing was carried out on a planetary mill for 30 minutes to obtain a powder with a uniform distribution of additives. To obtain samples, the powder was pressed into samples in the form of jars 30 × 3 × 3 mm in size. The obtained samples were sintered at a temperature of 1300 ° C. The result was a ceramic material consisting of 100% tetragonal phase. The material was characterized by a homogeneous fine-crystalline structure with a crystal size of 50-200 nm, an open porosity of not more than 0.01%, and a bending strength of 350 MPa.
Были изготовлены образцы керамики, имеющие составы в пределах заявленных, и определены их свойства в сравнении с прототипом. Полученные результаты сведены в таблицу.Were made ceramic samples having compositions within the claimed, and determined their properties in comparison with the prototype. The results are summarized in table.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019107659A RU2710341C1 (en) | 2019-03-18 | 2019-03-18 | Ceramic material with low sintering temperature based on zirconium dioxide - aluminum oxide - silicon oxide system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019107659A RU2710341C1 (en) | 2019-03-18 | 2019-03-18 | Ceramic material with low sintering temperature based on zirconium dioxide - aluminum oxide - silicon oxide system |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2710341C1 true RU2710341C1 (en) | 2019-12-25 |
Family
ID=69022806
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019107659A RU2710341C1 (en) | 2019-03-18 | 2019-03-18 | Ceramic material with low sintering temperature based on zirconium dioxide - aluminum oxide - silicon oxide system |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2710341C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2795518C1 (en) * | 2021-12-01 | 2023-05-04 | Общество С Ограниченной Ответственностью Оксидная Керамика" | Certamic material of zirconia-alumina-silicone oxide system with reduced sintering temperature |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5147833A (en) * | 1987-07-22 | 1992-09-15 | Champion Spark Plug Company | Alumina-zirconia ceramic |
| US5183610A (en) * | 1987-07-22 | 1993-02-02 | Cooper Indusries, Inc. | Alumina-zirconia ceramic |
| EA013699B1 (en) * | 2005-09-26 | 2010-06-30 | Сен-Гобен Сантр Де Решерш Э Д'Этюд Эропен | Sintered refractory product exhibiting enhanced thermal shock resistance |
| RU2501768C1 (en) * | 2012-07-12 | 2013-12-20 | Общество с ограниченной ответственностью "АЛОКС" | Charge for production of alumooxide ceramics |
| US20180327314A1 (en) * | 2015-11-05 | 2018-11-15 | Center For Abrasives And Refractories Research & Development C.A.R.R.D. Gmbh | Sintered zirconia mullite refractory composite, methods for its production and use thereof |
-
2019
- 2019-03-18 RU RU2019107659A patent/RU2710341C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5147833A (en) * | 1987-07-22 | 1992-09-15 | Champion Spark Plug Company | Alumina-zirconia ceramic |
| US5183610A (en) * | 1987-07-22 | 1993-02-02 | Cooper Indusries, Inc. | Alumina-zirconia ceramic |
| EA013699B1 (en) * | 2005-09-26 | 2010-06-30 | Сен-Гобен Сантр Де Решерш Э Д'Этюд Эропен | Sintered refractory product exhibiting enhanced thermal shock resistance |
| RU2501768C1 (en) * | 2012-07-12 | 2013-12-20 | Общество с ограниченной ответственностью "АЛОКС" | Charge for production of alumooxide ceramics |
| US20180327314A1 (en) * | 2015-11-05 | 2018-11-15 | Center For Abrasives And Refractories Research & Development C.A.R.R.D. Gmbh | Sintered zirconia mullite refractory composite, methods for its production and use thereof |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| WAHSH M.M. et al, "Thermo-mechanical properties of mullite/zirconia reinforced alumina ceramic composites", Materials & Design, 2012, vol. 41. c. 31-36. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2795518C1 (en) * | 2021-12-01 | 2023-05-04 | Общество С Ограниченной Ответственностью Оксидная Керамика" | Certamic material of zirconia-alumina-silicone oxide system with reduced sintering temperature |
| RU2843912C1 (en) * | 2024-07-25 | 2025-07-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) | Composite material based on aluminium oxide with addition of zirconium dioxide |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101595021B1 (en) | Sintered product produced from a zircon-based charge | |
| RU2453519C2 (en) | BAKED AND ALLOYED PRODUCED BASED ON ZIRCON + Nb2O5 OR Ta2O5 | |
| CN103492327A (en) | Refractory objects including beta alumina and methods of making and using the same | |
| US10723657B2 (en) | Sintered alumina-based and zirconia-based product | |
| WO2003004437A1 (en) | Translucent rare earth oxide sintered article and method for production thereof | |
| US20130090230A1 (en) | Refractory powder comprising coated mullite grains | |
| US9908816B2 (en) | Refractory powder comprising coated mullite grains | |
| Li et al. | Influence of Li-B-Si additions on the sintering and microwave dielectric properties of Ba-Nd-Ti ceramics | |
| CN108137412B (en) | Zirconia-spinel fused particles and refractory products obtained from said particles | |
| EA022720B1 (en) | Refractory product having high zirconia content | |
| ES2290767T3 (en) | GROSS PIECE INTENDED FOR THE MANUFACTURE OF A SINTERED REFRACTORY PRODUCT THAT PRESENTS AN IMPROVED BEHAVIOR TO THE FORMATION OF BUBBLES. | |
| US12037295B2 (en) | Ceramic foam | |
| CN107207357B (en) | Molten products with high zirconium content | |
| US10233107B2 (en) | Refractory product having improved flow | |
| RU2710341C1 (en) | Ceramic material with low sintering temperature based on zirconium dioxide - aluminum oxide - silicon oxide system | |
| JP2004091271A (en) | Transparent or translucent ceramics and production method therefor | |
| JPH06305828A (en) | Aluminum titanate composite material and its production | |
| WO2023182007A1 (en) | High-zirconia electro-fused cast refractory material | |
| KR20190052797A (en) | HIGH THERMAL CONDUCTIVE MgO COMPOUNDS AND MgO CERAMICS | |
| RU2382016C1 (en) | Charge for receiving of refractory material with reduced head conduction | |
| RU2440952C1 (en) | Zircon-based refractory material | |
| KR20200049743A (en) | HIGH THERMAL CONDUCTIVE MgO COMPOUNDS AND MgO CERAMICS | |
| US10239794B2 (en) | α/β-sialon having improved sintering activity and high edge strength | |
| RU2795518C1 (en) | Certamic material of zirconia-alumina-silicone oxide system with reduced sintering temperature | |
| RU2394004C1 (en) | Zircon based mixture for making compact refractory ceramics |