Труды КНЦ вып.9 (ХИМИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ вып. 1/2018(9) Часть 2)

CERAMIC MATERIALS AND PRODUCTS BASED ON ZRO 2 FOR METALLURGICAL INDUSTRY Е. А. Korableva, М. А. Mayzik, D. V. Haritonov Obninsk Research and Production Enterprise “Technologiya” Named after A. G. Romashin, Obninsk, Russia Abstract The work deals with ceramic materials based on ZrO 2 . The xamples of chemical composition and phase composition are given. The properties and applications of the materials under consideration, are described. Keywords: import substitution, ceramic materials, phase composition, durability, thermal shock, ionic conduction. АО «Обнинское научно-производственное предприятие «Технология» им. А. Г. Ромашина» является ведущим предприятием в разработке и изготовлении высококачественной продукции на основе керамических материалов. В настоящем докладе представлены материалы и изделия на основе диоксида циркония, стабилизированного добавками оксидов иттрия и магния. Твердые растворы на основе диоксида циркония являются самыми стабильными и достаточно технологичными при длительном температурном применении среди других, поэтому материалы этой системы остаются востребованными в качестве износостойких деталей и твердых электролитов для длительного применения. На новом витке развития материаловедения, применяя методы нанотехнологии, возможно даже в этой хорошо известной системе получить новые функциональные материалы. Керамика на основе диоксида циркония является основным решением для создания изделий с большим ресурсом для современных металлургических предприятий. Обеспечивается это за счет уникальных свойств диоксида циркония, таких как: коррозионная стойкость; высокая прочность и вязкость разрушения; ионная проводимость; температурная устойчивость (более 2200 °С); способность выдерживать термоудар; низкая теплопроводность. Диоксид циркония имеет природное свойство — наличие трех кристаллических модификаций: моноклинной (а), тетрагональной (Р) и кубической (у), которые при определенных температурах обратимо превращаются одна в другую: 2Ю 2 (мон.) ^ 2Ю 2 (тетр.) ^ 2гО 2 (куб.). Материалы в системе ZrO 2 -Y 2 O 3 по фазовому составу и техническому применению делятся на три группы. К первой группе относятся тетрагональные поликристаллические материалы в международной классификации Y-TZP. Они содержат оксид иттрия 2,5-3 мол. %. Керамика этого состава находится в тетрагональной кристаллической модификации с небольшим содержанием моноклинной. Материалы в этой области содержания оксида иттрия обладают высокой прочностью при Ткомн (сизг = 1000-2000 Мпа) и вязкостью разрушения (К^ = 10-12 МПа-м1/2) и называются керамической сталью. Значительное увеличение механических свойств этих трансформационно-упрочненных материалов обусловлено мартенситным превращением зерен метастабильного тетрагонального ZrO 2 в моноклинный ZrO 2 . Они применяются в изделиях конструкционного назначения (детали машин и механизмов, пары трения, наконечники для волоконно-оптических линий связи, волоки). Вторая группа материалов — керамика с содержанием 4-5 мол. % Y 2 O3, она называется частично стабилизированным диоксидом циркония (ЧСДЦ) в международной классификации Y-PSZ. Керамика этого состава находится в тетрагональной и кубической модификациях, обладает хорошими прочностными характеристиками при Ткомн. (Оизг = 550-700 Мпа) и вязкостью разрушения (К^ = 7-9 МПа-м1/2). Материалы состава 4-5 мол. % Y 2 O 3 имеют термостойкость при температурном применении 850-900 °С в режиме включения и выключения (за несколько минут) с быстрым охлаждением до комнатной температуры. Эти материалы применяются для изготовления твердых электролитов датчиков кислорода, твердооксидных элементов (ТОТЭ) для электрохимических устройств, для деталей конструкционного назначения при температурном применении 300-1000 °С. Третья группа материалов в системе ZrO 2 -Y 2 O 3 — это керамика с содержанием 6-10 мол. % Y 2 O3, называется полностью стабилизированным диоксидом циркония (СДЦ) в международной классификации FSZ. Оксид иттрия добавляют в вышеперечисленном количестве для стабилизации кубической структуры в ZrO2, т. е. для предотвращения тетрагонально-моноклинного перехода. Керамика этого состава обладает высокими проводящими свойствами, но при этом имеет низкие значения термо-механических свойств при Ткомн. (сизг= 150­ 220 МПа) и вязкости разрушения (К^ = 2,0-3 МПа-м1/2). Эти материалы применяются для получения твердых электролитов для ТОТЭ, кислородных насосов и огнеупоров. Материал системы ZrO2-MgO — это керамика с содержанием 6 мол. % MgO в международной классификации MSZ. Этот материал известен своей устойчивостью к эрозии и термическим ударам, применяется в качестве огнеупоров и датчиков окисленности сталей. Отличительной особенностью АО «ОНПП «Технология» им. А. Г. Ромашина» является собственное производство керамических порошков на основе диоксида циркония, что позволяет экспериментировать и получать керамику, отличную или полностью повторяющую свойства продукции любых других компаний. 652