Особенности уплотнения агрегированных керамических порошков при изостатическом прессовании
Рассмотрен процесс уплотнения агрегированных керамических порошков диоксида циркония и оксида магния при холодном изостатическом прессовании (ХИП). Исследованы особенности этого процесса, определены свойства агломератов, гранул, агрегатов и частиц порошков. The process of compaction of the aggregate...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Физика и техника высоких давлений |
|---|---|
| Дата: | 2003 |
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
2003
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/168029 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Особенности уплотнения агрегированных керамических порошков при изостатическом прессовании / Г.Я. Акимов, Я.Е. Бейгельзимер, Э.В. Чайка // Физика и техника высоких давлений. — 2003. — Т. 13, № 4. — С. 93-99. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859958269524574208 |
|---|---|
| author | Акимов, Г.Я. Бейгельзимер, Я.Е. Чайка, Э.В. |
| author_facet | Акимов, Г.Я. Бейгельзимер, Я.Е. Чайка, Э.В. |
| citation_txt | Особенности уплотнения агрегированных керамических порошков при изостатическом прессовании / Г.Я. Акимов, Я.Е. Бейгельзимер, Э.В. Чайка // Физика и техника высоких давлений. — 2003. — Т. 13, № 4. — С. 93-99. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Физика и техника высоких давлений |
| description | Рассмотрен процесс уплотнения агрегированных керамических порошков диоксида циркония и оксида магния при холодном изостатическом прессовании (ХИП). Исследованы особенности этого процесса, определены свойства агломератов, гранул, агрегатов и частиц порошков.
The process of compaction of the aggregated ceramic zirconia and magnesium oxide powders under the cold isostatic pressing has been considered. Peculiarities of the process have been investigated, propertiеs of agglomerates, granules, aggregates, and particles of the powders have been determined.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:20:47Z |
| format | Article |
| fulltext |
Физика и техника высоких давлений 2003, том 13, № 4
93
PACS: 83.10.Pp
Г.Я. Акимов, Я.Е. Бейгельзимер, Э.В. Чайка
ОСОБЕННОСТИ УПЛОТНЕНИЯ
АГРЕГИРОВАННЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ
ПРИ ИЗОСТАТИЧЕСКОМ ПРЕССОВАНИИ
Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина НАН Украины
83114, г. Донецк, ул. Р. Люксембург, 72
Статья поступила в редакцию 27 октября 2003 года
Рассмотрен процесс уплотнения агрегированных керамических порошков диоксида
циркония и оксида магния при холодном изостатическом прессовании (ХИП). Иссле-
дованы особенности этого процесса, определены свойства агломератов, гранул,
агрегатов и частиц порошков.
Введение
Известно, что для изготовления высокопрочной керамики конструкцион-
ного назначения необходимо формирование плотной, однородной и мелко-
зернистой структуры материала. Возможность получения такой структуры
связывают с использованием в качестве исходных материалов субмикронных
и нанокристаллических порошков.
Отличительная особенность этих порошков объединение первичных
частиц в агрегаты. Оно происходит под действием сил Ван-дер-Ваальса,
влияние которых начинает проявляться при уменьшении размера частиц до 1
m [1]. В свою очередь, агрегаты при зацеплении образуют более крупные
скопления – агломераты. Для уменьшения сцепления между агломератами
порошки гранулируют. В этом случае агрегаты частиц объединяются в гра-
нулы сферической формы, отличающиеся высокой текучестью. Объединение
частиц порошка в агрегаты и агломераты препятствует образованию одно-
родной структуры материала. Причиной этого являются дефекты упаковки
агрегатов в формовке, возникающие в процессе консолидации порошкового
материала.
Использование для получения порошковых заготовок метода ХИП приво-
дит к разрушению агломератов и агрегатов и способствует формированию
однородной и равноплотной структуры материала. Однако часто полного
разрушения агрегатов не происходит ввиду их высокой прочности.
В процессе изготовления порошка может происходить замещение слабых
сил Ван-дер-Ваальса более прочной химической связью. В результате обра-
Физика и техника высоких давлений 2003, том 13, № 4
94
зуются прочные, так называемые «твердые» агрегаты, которые сохраняются в
заготовках даже при использовании высоких давлений прессования. Прочные
агрегаты наблюдали в образцах диоксида циркония, полученных при давле-
нии P = 6 GPa [2], и оксида магния – при P = 2 GPa [3]. Сохранение агрегатов
в материале приводит к снижению плотности и прочности спеченной кера-
мики [4]. Поэтому для получения качественной керамики с использованием
технологии ХИП необходимо изучение процессов деформации агрегирован-
ных порошков в условиях гидростатического давления. Это и стало целью
данной работы.
Модель процесса деформирования
агрегированных порошков
Деформирование порошковых материалов при изостатическом прессова-
нии может происходить как за счет деформирования гранул, агрегатов и час-
тиц порошка, так и за счет их скольжения относительно друг друга. Поэтому
согласно работе [5] условие пластичности порошкового тела можно предста-
вить в виде
2
22
)(
)()(
PK
P
, (1)
где P макроскопическое гидростатическое давление; интенсивность де-
виатора макроскопических напряжений; – относительная плотность; K –
коэффициент сдвигового сцепления; – коэффициент внутреннего (межчас-
тичного) трения; (), () функции пористости, равные
13
2
)(
3
,
() = 2.
При изостатическом обжатии порошков = 0 и из (1) следует, что
P
K
2
1
2
3
. (2)
Это выражение можно использовать в качестве уравнения ХИП. Коэффици-
ент сдвигового сцепления K характеризует прочность связи между агломера-
тами, гранулами, агрегатами и частицами порошка. Значение K зависит как
от материала порошка, так и от технологии его изготовления. Коэффициент
межчастичного трения характеризует уплотняемость материала.
Поскольку свойства агломератов, агрегатов и частиц различны, то значе-
ния коэффициентов K и при переходе от одного этапа уплотнения к друго-
му изменяются [6]. Эксперименты показывают, что при прессовании величи-
на K растет, а значение остается в интервале, определяемом механизмами
деформации среды [7].
Из (2) следует, что при увеличении давления прессования (P ) плот-
ность прессовки стремится к некоторому значению < 1, являющемуся кор-
нем уравнения
Физика и техника высоких давлений 2003, том 13, № 4
95
2
1
2
3
. (3)
Это значение будет соответствовать плотной упаковке частиц прессуемого
материала. В случае уплотнения недеформируемых одинаковых частиц сфе-
рической формы максимальная плотность составляет 63% [8]. Это означает,
что одна половина всех частиц образует гексагональную плотную упаковку, а
другая простую кубическую упаковку. Для такого материала значение ко-
эффициента , как следует из уравнения (3), должно быть равно 1.88. На са-
мом деле реальные порошки неоднородны как по форме, так и по размерам
частиц. Поэтому максимальное значение плотности и величина коэффициен-
та будут отличаться от указанных выше. В случае пластической деформа-
ции частиц, когда сдвиг материала может свободно проходить через частицы
порошка, = 0 [5]. Таким образом, полученное в результате расчета значение
коэффициента может служить индикатором процессов, происходящих в
порошковой заготовке на той или иной стадии прессования.
Экспериментальные исследования
Процесс деформирования агрегированных керамических порошков при
ХИП изучали на примере порошков диоксида циркония в системе ZrO2 +
+ 3 mol.% Y2O3 и оксида магния MgO (табл. 1). Применение в работе порош-
ка оксида магния диктовалось необходимостью исследования материала с
меньшей, чем у диоксида циркония, прочностью.
Прессовали гранулированный порошок диоксида циркония TZ-3Y, изго-
товленный Tosoh Co. (Япония), и негранулированный порошок, полученный
лабораторно в Институте общей и неорганической химии (ИОНХ) НАН Ук-
раины. В работе использовали данные статьи [9] по прессованию слабоагре-
гированного порошка диоксида циркония, а также результаты, полученные в
эксперименте по прессованию порошка TZ-3Y. Процесс деформирования
агломератов, гранул и агрегатов исследовали на начальных этапах прессова-
ния. Для порошка TZ-3Y относительная плотность гранул gr = 0.36 и агрега-
тов aggr = 0.58; для порошка, представленного в [9], относительная плот-
ность агломератов aggl = 0.30, агрегаты в порошке отсутствовали.
Образцы получали методом ХИП порошков в свободных оболочках при
давлениях до 2 GPa. Плотность образцов определяли методом гидростатиче-
ского взвешивания. Рассчитанные в соответствии с (2) значения коэффици-
ентов K и исследуемых материалов приведены в табл. 1. Расчет значений K
и агломератов, гранул и агрегатов на начальных этапах прессования по-
рошков проводили исходя из плотности этих элементов.
Физика и техника высоких давлений 2003, том 13, № 4
96
Таблица 1
Значения коэффициентов K и на разных стадиях ХИП
№ этапа Давление ХИП Расчетная Коэффициенты
ХИП P, MPa плотность K, MPa
Оксид магния
3 100500 88 0.97
4 5001500 = 1 197 0.74
5 15001800 1194 0.03
Диоксид циркония (ИОНХ)
2 100400 32 2.89
3 4001200 = 1 423 1.57
4 12001600 1553 0.68
Диоксид циркония (TZ-3Y)
1 0.18 gr = 0.36 0.05 1.56
2 850
aggr = 0.58 7.5 1.28
gr = 0.36 5 0
3 60400
cryst = 1 194 2.47
aggr = 0.58 68 0.25
Диоксид циркония (по данным [9])
1 0.115 aggl = 0.30 0.1 1.27
3 60500
cryst = 1 1081 1.78
aggl = 0.30 61 0
Обработка и обсуждение результатов
экспериментальных исследований
Анализ полученных зависимостей показывает, что процесс деформирова-
ния исследуемых порошковых материалов при ХИП состоит из нескольких
этапов. При переходе от одного этапа к другому у всех порошков наблюдает-
ся периодическое увеличение коэффициента сдвигового сцепления K и
уменьшение коэффициента внутреннего трения .
Как следует из результатов расчета, на заключительном этапе ХИП по-
рошка оксида магния при P > 1.5 GPa = 0.03. Это близкое к 0 значение ко-
эффициента внутреннего трения свидетельствует о пластической деформа-
ции частиц порошка, что также подтверждается результатами исследований
микроструктуры прессовок [3]. Следовательно, значение P = 1.5 GPa соот-
ветствует началу заключительного этапа ХИП порошка оксида магния, при
этом = 80.7%.
Вычисление значений коэффициента порошка диоксида циркония
(ИОНХ) показывает, что при давлениях прессования до 1.6 GPa последний
этап ХИП, связанный с пластической деформацией частиц, не наблюдается.
По-видимому, ему соответствуют более высокие давления и более высокая
плотность прессовки.
Физика и техника высоких давлений 2003, том 13, № 4
97
В диапазоне давлений P = 1.21.6 GPa для порошка диоксида циркония
(ИОНХ) = 0.68. Близкое ему значение = 0.74 получено для порошка ок-
сида магния при P = 0.51.5 GPa на предпоследнем этапе прессования. Это
говорит о том, что на данном этапе деформирование этих порошков происхо-
дит в результате действия иного механизма, отличного от пластической де-
формации или перемещения частиц. Таким механизмом может быть хрупкое
разрушение крупных частиц порошка. Это подтверждают исследования мик-
роструктуры прессовок оксида магния. Они показывают, что перед пластиче-
ской деформацией уплотнение порошка происходит в результате хрупкого
разрушения крупных частиц материала [3]. Сглаживание формы крупных
частиц и образование большого количества мелких является причиной отно-
сительно высокой плотности образцов и низкого значения коэффициента
на этой стадии прессования.
На третьем этапе ХИП порошка диоксида циркония при P = 0.41.2 GPa
коэффициент = 1.40, что очень близко к значению 1.57. Как было показано
выше, это свидетельствует о том, что деформирование порошка происходит в
результате перемещения частиц. При этом разрушаются агрегаты порошка.
Отклонение коэффициента от значения 1.57 в меньшую сторону у оксида
магния можно объяснить более широким полифракционным составом по-
рошка.
На начальных этапах прессования уплотнение агрегированных порошков
происходит в результате перемещения и деформации агломератов, гранул и
агрегатов частиц. Поэтому на первом этапе данный процесс будет зависеть от
коэффициентов K и для агломератов или гранул, а на втором – для агрега-
тов. Значения этих коэффициентов для порошка TZ-3Y представлены в табл.
1.
Расчет показал, что на первом этапе прессования порошка TZ-3Y при уп-
лотнении гранул сферической формы с высокой текучестью величина K(gr)
порошка близка к нулю, а (gr) соответствует значению, характерному для
плотной упаковки недеформируемых сферических частиц. На втором этапе
прессования значение K для агрегатов определяется прочностью связи между
агрегатами (K(aggr) > K(gr)), а значение коэффициента формой и фрак-
ционным составом агрегатов и остается близким к 1.88.
При прессовании неагрегированных порошков этапы, связанные с дефор-
мацией агрегатов, отсутствуют. Так, при прессовании порошка диоксида
циркония, не содержащего агрегаты [9], процесс деформации агрегатов не
наблюдается (см. табл. 1). На первом этапе происходит перемещение и плот-
ная укладка агломератов, а на втором – разрушение последних на отдельные
частицы порошкового материала. Об этом свидетельствует значение коэф-
фициента , близкое к 1.88.
Также в табл. 1 приведены значения коэффициентов K и , рассчитанные
с учетом плотности деформируемых элементов порошка (агломератов и гра-
нул – на втором этапе и агрегатов – на третьем). Видно, что коэффициент в
данном случае близок к нулю. Это означает, что при прессовании уплотнение
порошкового материала происходит в результате деформации сдвигом агло-
мератов, гранул или агрегатов. Значение коэффициента сдвигового сцепле-
Физика и техника высоких давлений 2003, том 13, № 4
98
ния в этом случае равно прочности на сдвиг деформируемых элементов по-
рошка. Прочность гранул порошка диоксида циркония TZ-3Y равна 5 MPa, а
прочность агрегатов – 68 MPa.
Таким образом, проведенное исследование показывает, что деформирова-
ние агрегированных керамических порошков при ХИП происходит в резуль-
тате последовательного перемещения и разрушения все более мелких эле-
ментов структуры порошкового материала и состоит из нескольких (как пра-
вило, пяти) этапов (табл. 2). Пример уплотнения порошкового материала,
представленного в [9], свидетельствует, что при прессовании неагрегирован-
ных порошков этап, связанный с деформацией агрегатов, отсутствует.
Таблица 2
Этапы уплотнения агрегированных керамических порошков
при прессовании
№ этапа
ХИП
Механизм уплотнения
порошка
Структура материала
прессовки
1 перемещение гранул гранулы
2
дробление гранул,
перемещение агрегатов агрегаты
3
дробление агрегатов,
перемещение частиц частицы
4 дробление крупных частиц частицы и их фрагменты
5
пластическая деформация
частиц
пластически деформированные
частицы
Значение коэффициента можно использовать для определения дейст-
вующего на данном этапе механизма деформации порошка. При 0 проис-
ходит пластическая деформация структурных элементов порошка, при
12.5 эти элементы перемещаются и более плотно укладываются, а при
> 2.53 разрушаются пористые элементы структуры порошкового материа-
ла.
Также следует отметить целесообразность использования коэффициента
сдвигового сцепления K при оценке прочности агломератов, гранул и агрега-
тов керамических порошков. Обычно об этой прочности судят по величине
давления прессования Py, при котором осуществляются смена механизмов
уплотнения и переход к очередному этапу прессования [10]. Однако данный
критерий является недостаточно достоверным, поскольку указанное давление
зависит как от прочности структурных элементов, так и от размера частиц,
площади межчастичных контактов, степени агрегирования порошка и пр.
Поэтому использование в качестве критерия прочности гранул и агрегатов
коэффициента сдвигового сцепления является более оправданным. Коэффи-
циент K позволяет дать оценку свойствам керамических порошков примени-
тельно к технологии ХИП.
Выводы
1. Процесс деформирования агрегированных керамических порошков при
ХИП состоит из нескольких (как правило, пяти) этапов (табл. 2). В случае
прессования слабоагрегированных порошков этапа, связанного с деформаци-
Физика и техника высоких давлений 2003, том 13, № 4
99
ей агрегатов, может не наблюдаться.
2. Значение коэффициента указывает на действующий на том или ином
этапе прессования механизм деформации и структуру агрегированного по-
рошка.
3. Коэффициент сдвигового сцепления K характеризует прочность связи
между агломератами, агрегатами и частицами порошка и может быть исполь-
зован в качестве критерия их прочности.
1. R.G. Pillegy, A.R. Studart, V.C. Pandolfelli, Amer. Ceram. Soc. Bull. 80, ¹ 6, 27 (2001).
2. М.И. Кабанова, В.А. Дубок, С.А. Ночевкин, А.Ф. Чистый, П.Ю. Пекшев, Порошко-
вая металлургия ¹ 9, 69 (1991).
3. Г.Я. Акимов, В.В. Сторож, Огнеупоры и техническая керамика № 12, 47 (1999).
4. Е.С. Лукин, Огнеупоры и техническая керамика № 1, 3 (1996).
5. Я.Е. Бейгельзимер, А.П. Гетманский, Л.И. Алистратов, Порошковая металлургия
№ 12, 11 (1986).
6. Я.Е. Бейгельзимер, Т.Е. Константинова, Е.И. Ляфер, Порошковые инструменталь-
ные стали. Сб. научных трудов ИПМ, ИПМ, Киев 69 (1992).
7. Г.Я. Акимов, Я.Е. Бейгельзимер, В.М. Тимченко, Э.В. Чайка, ФТВД 9, № 2, 44
(1999).
8. R.K. McGeary, J. Amer. Ceram. Soc. 44, 513 (1961).
9. W.F.M. Groot Zevert, A.J.A. Winnubst, G.S.A.M. Theunissen, A.J. Burggraaf, J. Mater.
Sci. 25, 3449 (1990).
10. D.E. Niesz, R.B. Bennett, M.J. Snyder, Amer. Ceram. Soc. Bull. 51, 677 (1972).
G.Ya. Akimov, Ya.E. Beigelzimer, E.V. Chaika
COMPACTION PECULIARITIES
FOR THE AGGREGATED CERAMIC POWDERS
DURING THE ISOSTATIC PRESSING
The process of compaction of the aggregated ceramic zirconia and magnesium oxide pow-
ders under the cold isostatic pressing has been considered. Peculiarities of the process have
been investigated, propertiеs of agglomerates, granules, aggregates, and particles of the
powders have been determined.
ОСОБЕННОСТИ УПЛОТНЕНИЯ �АГРЕГИРОВАННЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ �ПРИ ИЗОСТАТИЧЕСКОМ ПРЕССОВАНИИ
COMPACTION PECULIARITIES �FOR THE AGGREGATED CERAMIC POWDERS �DURING THE ISOSTATIC PRESSING
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-168029 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0868-5924 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:20:47Z |
| publishDate | 2003 |
| publisher | Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Акимов, Г.Я. Бейгельзимер, Я.Е. Чайка, Э.В. 2020-04-19T17:07:42Z 2020-04-19T17:07:42Z 2003 Особенности уплотнения агрегированных керамических порошков при изостатическом прессовании / Г.Я. Акимов, Я.Е. Бейгельзимер, Э.В. Чайка // Физика и техника высоких давлений. — 2003. — Т. 13, № 4. — С. 93-99. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 83.10.Pp https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/168029 Рассмотрен процесс уплотнения агрегированных керамических порошков диоксида циркония и оксида магния при холодном изостатическом прессовании (ХИП). Исследованы особенности этого процесса, определены свойства агломератов, гранул, агрегатов и частиц порошков. The process of compaction of the aggregated ceramic zirconia and magnesium oxide powders under the cold isostatic pressing has been considered. Peculiarities of the process have been investigated, propertiеs of agglomerates, granules, aggregates, and particles of the powders have been determined. ru Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України Физика и техника высоких давлений Особенности уплотнения агрегированных керамических порошков при изостатическом прессовании Особливості ущільнення агрегованих керамічних порошків при ізостатичному пресуванні Compaction peculiarities for the aggregated ceramic powders during the isostatic pressing Article published earlier |
| spellingShingle | Особенности уплотнения агрегированных керамических порошков при изостатическом прессовании Акимов, Г.Я. Бейгельзимер, Я.Е. Чайка, Э.В. |
| title | Особенности уплотнения агрегированных керамических порошков при изостатическом прессовании |
| title_alt | Особливості ущільнення агрегованих керамічних порошків при ізостатичному пресуванні Compaction peculiarities for the aggregated ceramic powders during the isostatic pressing |
| title_full | Особенности уплотнения агрегированных керамических порошков при изостатическом прессовании |
| title_fullStr | Особенности уплотнения агрегированных керамических порошков при изостатическом прессовании |
| title_full_unstemmed | Особенности уплотнения агрегированных керамических порошков при изостатическом прессовании |
| title_short | Особенности уплотнения агрегированных керамических порошков при изостатическом прессовании |
| title_sort | особенности уплотнения агрегированных керамических порошков при изостатическом прессовании |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/168029 |
| work_keys_str_mv | AT akimovgâ osobennostiuplotneniâagregirovannyhkeramičeskihporoškovpriizostatičeskompressovanii AT beigelʹzimerâe osobennostiuplotneniâagregirovannyhkeramičeskihporoškovpriizostatičeskompressovanii AT čaikaév osobennostiuplotneniâagregirovannyhkeramičeskihporoškovpriizostatičeskompressovanii AT akimovgâ osoblivostíuŝílʹnennâagregovanihkeramíčnihporoškívpriízostatičnomupresuvanní AT beigelʹzimerâe osoblivostíuŝílʹnennâagregovanihkeramíčnihporoškívpriízostatičnomupresuvanní AT čaikaév osoblivostíuŝílʹnennâagregovanihkeramíčnihporoškívpriízostatičnomupresuvanní AT akimovgâ compactionpeculiaritiesfortheaggregatedceramicpowdersduringtheisostaticpressing AT beigelʹzimerâe compactionpeculiaritiesfortheaggregatedceramicpowdersduringtheisostaticpressing AT čaikaév compactionpeculiaritiesfortheaggregatedceramicpowdersduringtheisostaticpressing |