ШИХТА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 1998 года по МПК C04B35/58 C04B35/583 C04B35/596 

Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано для изготовления керамических конструкционных деталей, в том числе и крупногабаритных, например, истираемых вставок и монолитных ободов надроторного уплотнения рабочего колеса газотурбинных двигателей, формовой оснастки для отливки термостойких стекол, сепараторов подшипников и т.д. Требования, предъявляемые к подобным материалам, включают умеренную твердость (не более 70 HRC) для обеспечения легкой срабатываемости пером лопатки, высокую термостойкость (более 1200^oC), прочность не менее 80 МПа в зависимости от условий эксплуатации конкретных изделий.

Известен керамический высокотемпературный материал на основе нитрида бора [1], обладающий низкой твердостью. Однако изделия из этих материалов имеют невысокую механическую прочность, что уменьшает возможность их использования в качестве конструкционных. Так, материал, указанный в аналоге 1, имеет прочность 140 - 160 МПа при температуре 1500^oC. Кроме того, указанная в аналоге 1 температура начала окисления 1400^oC соответствует кратковременному не изотермическому режиму окисления, тогда как в условиях работы газотурбинных двигателей (ресурс до 1000 ч и более) материал начинает окисляться гораздо раньше (T = 900^oC).

Огнеупорный материал, указанный в аналоге 2 на основе механической смеси нитридов бора и кремния и оксида магния [2], имеет низкую прочность при сжатии 92 - 230 МПа. Это ограничивает возможности его применения в качестве конструкционного.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является шихта керамического материала [3] - прототип, содержащая масс,%:
Композицию нитрид кремния - оксид иттрия - 40 - 90
Нитрид бора - 10 - 60
При этом соотношение компонентов в композиции, мас.%:
Оксида иттрия - 12 - 18
Нитрида кремния - Остальное
Однако при изготовлении изделий из данной шихты встает ряд проблем, ограничивающих ее широкое применение. Во-первых, данная шихта в своем составе содержит дорогой и дефицитный компонент оксид иттрия; во-вторых, температура спекания материала (1700^oC), практически совпадает с температурой начала разложения нитрида кремния, что осложняет ведение технологического режима; в-третьих, удельное давление прессования шихты данного состава для получения максимальной плотности более 20 МПа, что ограничивает возможность получения крупногабаритных изделий на имеющемся оборудовании (диаметр не более 160 мм).

Цель изобретения - получение крупногабаритных изделий (диаметром более 160 мм), удешевление технологии путем снижения энергозатрат и стоимости исходного сырья при сохранении высокой прочности и термостойкости умеренной твердости.

Указанная цель достигается тем, что для изготовления керамического материала используется шихта, включающая 10 - 60 мас.% нитрида бора и 40 - 90 мас. % ультрадисперсной плазмохимической композиции на основе нитрида кремния, отличающаяся тем, что в состав композиции входят следующие ингредиенты, мас.%:
Оксид магния - 2 - 5
Нитрид кремния - 95 - 98
Введение оксида магния в состав шихты обеспечивает формирование плотной структуры в процессе горячего прессования при более мягких условиях (T = 1550 - 1600^oC и P_уд = 10 - 15 МПа) по сравнению с режимом спекания композиции нитрид кремния - оксид иттрия за счет присутствия менее вязкой межзеренной фазы, содержащей силикаты магния Mg₂SiO₄ и MgSiO₃.

Введение оксида магния в виде ультрадисперсной композиции [нитрид кремния - оксид магния], так же, как и в случае прототипа, обеспечивает формирование в процессе горячего прессования переплетающихся удлиненных зерен β-Si₃N₄. . В структуре достигается высокая степень кристаллизации межзеренной фазы и высокая прочность связи границы зерно - межзеренная фаза. Этим объясняется сохранение уровня высокотемпературной прочности караимки.

Введение в состав шихты в том же диапазоне соотношений, как и в прототипе, гексагонального нитрида бора обеспечивает заданную твердость. Борсодержащие фазы в составах с небольшим содержанием BN (10 - 30 мас.%) ориентированы перпендикулярно направлению прессования, образуя свои отдельные удлиненные от нескольких до 250 мкм скопления, которые практически не связаны с основной массой. С возрастанием количества нитрида бора (40 - 60 мас.%) борсодержащие фазы распределяются равномернее.

При введении в состав шихты нитрида бора в количестве менее 10 мас.% материал имеет твердость 80 - 90 HRC, что превышает требования (пример 7).

При введении в состав шихты нитрида бора в количестве более 60 мас.% затруднен процесс спекания материала. Плотность при этом достигает только 60% от теоретической, что снижает механическую прочность материала (пример 8).

При содержании спекающей добавки в исходной композиции менее 2 мас.% не удается обеспечить получение изделий с плотностью, близкой к теоретической (пример 3).

При содержании оксида магния более 5 мас.% фазовый и химический состав порошка становится неудовлетворительным, что сказывается на снижении высокотемпературных свойств композиционного материала (пример 40).

Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "новизна". Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежной областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию "существенные отличия".

Изделия из предложенного керамического материала получают следующим образом.

Порошок нитрида бора и композиции нитрид кремния - оксид магния, взятые в необходимых количествах, смешивают в шаровой мельнице в бензине в течение 80 - 100 ч. Высушенную смесь протирают через сито и прессуют в металлической пресс-форме. Полученные брикеты различной конфигурации подвергают горячему прессованию в графитовой пресс-форме при температуре 1550 - 1600^oC и давлении 10 - 15 МПа в течение 2 - 3 ч в защитной среде азота, в отличие от прототипа, где процесс прессования идет в более жестких условиях T = 1700^oC, P_уд = 20 МПа).

Пример.

Готовят шихту следующего состава, мас.%:
Композиция нитрид кремния - оксид магния - 80
Нитрид бора - 20
При этом соотношение компонентов в композиции, мас.%:
Оксид магния - 2
Нитрид кремния - Остальное
Смешение и измельчение проводят в шаровой мельнице в течение 100 ч. Высушенную смесь протирают через сито N 063, измеряют насыпную массу, отвешивают необходимое количество и проводят предварительное прессование в металлической пресс-форме. Полученный брикет подвергается горячему прессованию в графитовой пресс-форме при температуре 1600^oC и давлении 15 МПа в течение 2 ч.

В таблице керамический материал достигает теоретической плотности, имеет прочность при поперечном изгибе при комнатной температуре 36 кгс/мм² (360 МПа) и при 1300^oC - 27 кгс/мм² (270 МПа) твердость - 28 HRC.

В таблице представлены данные по прочности, твердости и технологичности материалов, полученных из известных и предлагаемых составов.

Как видно из таблицы, предложенный состав материала при любом соотношении компонентов обеспечивает свойства: заданную твердость - не более 63 HRC, прочность при поперечном изгибе на уровне материала прототипа. В то же время технология изготовления материала обеспечивает получение высокоплотных изделий при удельном давлении прессования 10 - 15 МПа и температуре 1550 - 1600^oC против более жестких параметров при получении прототипа (T = 1700^oC, P_уд = 20 МПа). Стоимость исходного сырья в 1,5 раза выше, чем у прототипа.

Для материала различного состава характерно изменение в широких пределах таких свойств, как твердость (от 10 до 65 HRC), прочность (от 10 до 60 кгс/мм²). Это позволяет обеспечить широкий спектр применения материала: в надроторных уплотнениях - составы, описанные в примерах 1,5; в пресс-формах для отливки термостойких стекол - в примере 6 и т.д.

Изобретение может быть использовано для изготовления огнеупорных конструкционных деталей, в том числе и крупногабаритных, применяемых в авиационной, стекольной промышленности, машиностроении и т.д.

Использование: изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано для изготовления керамических конструкционных деталей, в том числе и крупногабаритных, например, истираемых вставок и монолитных колец надроторного уплот-нения рабочего колеса ГТД, формовой оснастки для отливки термостойких стекол, сепараторов подшипников и т.д. Цель изобретения: получение крупногабаритных изделий (диаметром более 150 мм), удешевление технологии путем снижения энергозатрат и стоимости исходного сырья при сохранении высокой прочности и термостойкости, умеренной твердости. Сущность изобретения: указанная цель достигается тем, что для изготовления керамического материала используется шихта, включающая 10 - 60 мас.% нитрида бора и 40 - 90 мас.% ультрадисперсной плазмохимической композиции на основе нитрида кремния, отличающаяся тем, что в состав композиции входят следующие ингредиенты, мас. %: оксид магния 2 - 5; нитрид кремния 95 - 98. Новым является использование в шихте, содержащей нитрид бора, ультрадисперсной порошковой композиции нитрид кремния - оксид магния, обеспечивающей формирование плотной мелкозернистой матричной структуры из взаимно переплетающихся зерен β-Si₃N₄ гексагональной формы и менее вязкой, тугоплавкой межзеренной фазы в виде силикатов магния. Данная микроструктура определяет высокие прочностные характеристики материала и обеспечивает заданную твердость. Введение оксида магния в состав шихты обеспечивает формирование плотной структуры в процессе горячего прессования при более мягких условиях (Т=1550 - 1600^oС и Руд = 10 - 15 МПа) по сравнению с режимом спекания композиции нитрид кремния оксид иттрия. 1 табл.

Шихта для изготовления керамического материала, включающая 10 - 60 мас.% нитрида бора и 40 - 90 мас.% ультрадисперсной плазмохимической композиции на основе нитрида кремния, отличающаяся тем, что ультрадисперсная плазмохимическая композиция дополнительно содержит оксид магния при следующем соотношении ингредиентов композиции, мас.%:
Нитрид кремния - 95 - 98
Оксид магния - 2 - 53