Том 335 № 7 (2024)

DOI https://doi.org/10.18799/24131830/2024/7/4614

Физико-механические свойства керамики на основе ZrN-ZrO2, полученной методом искрового плазменного спекания

Актуальность. Повышение ресурса работы инструмента горнодобывающей отрасли является важной задачей в развитии геологии, связанной с разработкой новых керамических материалов функционального назначения. Возможность снизить износ и термическое и химическое воздействие пород на рабочие элементы горнопроходческого оборудования обуславливает вектор развития применения сверхтвердых, высокопрочных и тугоплавких керамик. Одновременно с этим ставится задача повышения показателей вязкости разрушения применяемых материалов для решения проблемы сохранения работоспособности оборудования в условиях критических деформаций. Для выполнения данной задачи необходимо исследование закономерностей консолидирования керамических материалов и поиск оптимального сочетания параметров консолидирования для достижения улучшенных физико-механических свойств. Цель: разработать метод получения высокоплотной прочной керамики на основе коммерчески доступных порошков нитрида циркония с применением искрового плазменного спекания в условиях вакуума, исследовать фазовый состав и физико-механические свойства полученных образцов с установлением зависимости механических свойств от достигаемой пористости образцов. Методы: рентгенофазовый анализ исследуемых образцов, наноиндентирование, микроскопический анализ. Результаты. Были изучены физико-механические свойства нитрида циркония, консолидированного методом искрового плазменного спекания при температуре 2000 ℃, давлении 30–60 МПа и времени выдержки при заданной температуре 5–10 минут. Был проведен качественный и количественный рентгенофазовый анализ, в рамках которого определено содержание основной фазы нитрида циркония и фазы диоксида циркония. В ходе работы установлено, что увеличение прикладываемого при консолидации давления и времени выдержки способствует лучшему уплотнению и снижению пористости образцов с 8,52 до 2,72 %. Было установлено, что со снижением пористости модуль упругости увеличивался в интервале от 320 до 378 ГПа, а твердость от 7,3 до 10,4 ГПа. При этом экстраполированием данных было установлено, что беспористые образцы нитрида циркония будут иметь модуль упругости 395 ГПа, а твердость по Мартенсу 11,56 ГПа. Для исследуемых образцов были определены критические коэффициенты интенсивностей напряжений. Установлено, что при пористости меньше 5 % критический коэффициент интенсивности напряжений нитрида циркония, консолидированного методом искрового плазменного спекания, имеет значения не ниже 4 МПа·м1/2.

Ключевые слова:

нитрид циркония, керамика, искровое плазменное спекание, индентирование, пористость

Авторы:

Егор Дмитриевич Кузьменко

Сергей Вениаминович Матренин

Артур Ринатович Насырбаев

Скачать pdf