3.2 Циркониевая керамика

Сырьем для получения ZrО₂служат природные минералы: бадделеит, представляющий собой природную форму ZrО₂, содержащий до 91-97% оксида; циркон – силикат циркония ZrО₂SiО₂ (ZrО₂ – 67,03%; SiO₂ –32,97%), а также другие более бедные по содержанию ZrО₂ минералы и руды, идущие на обогащение для подготовки циркониевых концентратов. Всем цирконийсодержащим минералам сопутствует трудноотделяемая примесь НfO₂, являющаяся химическим аналогом ZrO₂. В рудном бадделеитовом концентрате обычно содержится 70-90% ZrO₂, а в цирконовом – 35-65%.

Цирконий образует с кислородом устойчивое соединение ZrО₂. При некоторых условиях возможно образование малоустойчивых соединений с недостатком кислорода, резко отличающихся по своим свойствам от диоксида циркония.

Диоксид циркония обладает полиморфизмом и существует в трех модификациях – моноклинной, тетрагональной и кубической:

Обратимый характер модификационного превращения ZrО₂, которое сопровождается переменным сжатием и расширением при обжиге, а также последующим охлаждением, длительное время служил препятствием при производстве изделий из этого оксида.

Чтобы предотвратить обратный переход нестабильной высокотемпературной тетрагональной модификации ZrО₂ в моноклинную имеется специальный процесс стабилизации диоксида циркония. Стабилизация диоксида циркония с кристаллохимической точки зрения состоит в том, что кристаллическая решетка ZrО₂ приобретает прочные устойчивые связи, которые не могут быть разрушены при термообработке вплоть до температуры плавления.

Наибольшее применение в качестве стабилизатора получили СаО, MgO, Y₂О₃. В настоящее время в промышленном масштабе наиболее распространена стабилизация Y₂О₃

Возможность получения высокопрочной циркониевой керамики связана с эффектом так называемого трансформационного упрочнения за счет контролируемого фазового перехода t-ZrO₂→m-ZrO₂. С открытием упрочняющего воздействия фазового t→m-перехода циркониевые керамики являются предметом многочисленных исследований, активно применяются в медицине и стоматологии.

Керамические изделия из оксида алюминия, диоксида циркония и их композиций можно изготавливать разнообразными методами. Выбор метода зависит главным образом от формы и размеров изделия, а также от тех свойств, которые необходимо придать изделию.

При массовом выпуске изделий наиболее часто применяют литье из водных суспензий (водного шликера); литье под давлением из пластифицированного парафином или органическими материалами шликера; прессование порошкообразных масс в различных вариантах технологий и оборудования.

3.3 Прессование керамики

Пресспорошки, применяемые для прессования керамических изделий, представляют собой достаточно сыпучую массу, из которой после смешивания с пластификатором и другими органическими добавками, формируют гранулы. С целью получения пресспорошков в промышленности используются устройства для распылительной сушки. К контролируемым параметрам пресспорошков относятся:

• насыпная масса [г/см3];

• сыпучесть [см3/сек или г/сек];

• влажность [%].

Высота прессовки ограничена неравномерностью распределения давления в заготовке, трением порошка и пуансонов о стенки пресс-формы.

Скорость прессования не должна быть слишком высока, т.к. при этом может происходить захват заготовкой воздуха, не вышедшего из объема в окружающую среду, что снижает плотность заготовки и приводит к её последующему разрушению.

В ходе прессования с увеличением давления плотность заготовки увеличивается. Сначала происходит укладка частиц в основном за счет их скольжения и контактов без деформации или с частичной упругой деформацией. Далее начинается хрупкое разрушение или пластическая деформация, обеспечивающая плотность прессовки.

После снятия усилия происходит некоторое обратное расширение прессовок за счет действия сил упругой деформации частиц, что может снизить плотность изделия. Для снижения этого эффекта производят выдержку при конечном давлении для релаксации напряжений. 

Для получения плотных прессовок сложной конфигурации применяется метод изостатического прессования. При нем рабочая среда (чаще это жидкость) нагнетается в герметизированную камеру прессования, передает усилие на резиновую форму, которая в свою очередь сдавливая массу, равномерно пропрессовывает требуемую деталь.

Достоинства метода:

• равномерность распределения давления и плотности в заготовке за счет всестороннего (изостатического) сжатия;

• отсутствие потерь на трение и необходимости в пластификаторах;

• отсутствие коробления при спекании;

• произвольные соотношения высоты и поперечного сечения заготовок.

Метод горячего изостатического прессования (ГИП), выполняется в газостате, сочетает высокое давление – до 200 атмосфер и высокую температуру – 1500^оС и более, что позволяет в ряде случаев совместить процесс формования и спекания.