СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТУГОПЛАВКОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 1998 года по МПК C22C29/02 

Описание патента на изобретение RU2115756C1

Изобретение относится к производству композиционных материалов и может быть использовано при получении абразивной, ударопрочной и износостойкой керамики.

Известен способ получения композиционных электрических сплавов, в котором на первой стадии получают исходные компоненты шихты путем восстановления оксидов до карбидов, на второй стадии проводят смешение карбидов, плавление смеси и кристаллизацию расплава (авт.св. СССР N 1146335, Б.И. N 1, 1985). Недостатками способа являются двухстадийность процесса, высокая энергоемкость из-за высоких температур плавления карбидов (более 2000oC), невозможность использования в композиции карбидов, разлагающихся при плавлении (например, SiC).

Известен также способ получения беспористых композитных материалов состава B4C - MeB2 - SiC путем пропитки, в котором исходная смесь зерен B4C и MeB2 прессуется до пористости 30-35%, спекается при 2200-2360oC, затем пропитывается расплавленным кремнием при 1430-1450oC, при этом кремний реагирует с избыточным углеродом, присутствующим в карбиде бора, образуя карбид кремния, который заполняет поры и связывает структуру (П.С.Кислый и др. Карбид бора. Киев: Наукова Думка, 1985, 180 с).

Недостаткамиом способа являются многостадийность, сложность технического и технологического решения процесса, высокое содержание остаточного кристаллического кремния в композиции, что значительно ухудшает прочность и коррозионную стойкость композиционного материала.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ получения карбида бора в высокочастотном электромагнитном поле [1], при котором шихта состава 3B2O3 + 7C7 нагревалась в электромагнитном поле частотой 10 МГц до 2200oC с выраженной при высокой температуре 18 мин.

К недостаткам этого способа относятся низкий выход целевого продукта при стехиометрическом содержании углерода и большие трудности при очистке продукта от остаточного углерода.

Настоящая разработка позволяет получить тугоплавкие материалы с высоким выходом целевого продукта, причем возможность получение композиций заданного состава, например, в системах B4C - SiC - MeB2 и им подобных.

Это достигается тем, что в способе получения тугоплавкого материала путем нагревания смеси углерода и соответствующих оксидов в высокочастотном электромагнитном поле, процесс ведут при 2000-2100oC, времени выдержки 10 - 30 мин, причем используют мелеодисперсный углерод со средневзвешенным диаметром частиц 0,05oC0,1 мкм.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в отличие от известных способов получения композиционных материалов (в том числе и эвтектической структуры), включающих операции плавления или жидкофазного спекания конечных химических веществ, в заявляемом способе исходную смесь оксидов со стехиометрическим количеством углерода подвергают карботермическому восстановлению при 2000 - 2100oC. За счет использования мелкодисперсного углерода шихта становится электропроводной и при помещении в электромагнитное поле она нагревается вихревыми токами до необходимых для карботермической реакции температур. Выделяющийся при реакции монооксид углерода в электромагнитном поле ионизируется, что переводит процесс из термического в плазмохимический с резким увеличением температуры газовой фазы в пористой загрузке. Образующиеся карбидные и боридные частички при соприкосновении друг с другом в силу эффекта контактного плавления на ювенильных поверхностях дают жидкую фазу. В результате образуются агрегаты жидкофазно спекшихся зерен, разделенных газовой фазой плазмы CO, что обеспечивает однородное температурное поле по всему объему загрузки. Состав агрегатов определяется гомогенностью исходной шихты, а их размер - размером частиц углерода, на которых и происходит карботермическая реакция. Кристаллизация карбидов и боридов в агрегате происходит при охлаждении от температуры реакции со скоростью 5 - 10 K/с при выходе частицы из зоны высокочастотных колебаний за счет излучения и потока газа.

Карботермическая реакция начинается при температуре несколько ниже 2000oC, но выход целевых продуктов при этом недостаточен, повышение же температуры более 2100oC приводит к разложению некоторых карбидов. Поскольку температура газа плазмохимического процесса превышает 3000oC, в данном случае фиксируется среднемассовая температура твердой фазы в реакторе. Размер частиц углерода, используемого в процессе, имеет решающее значение как для электропроводности шихты, так и для ее газопроницаемости. Граничным случаем мелкодисперсного углерода является пироуглерод, равномерно покрывающий всю поверхность реагирующих зерен. Вследствие значительного разброса массы углерода по фракциям и невозможности выделения монофракции используется понятие "средневзвешенного" размера (диаметра) частиц. Ограничение размера частиц углерода средневзвешенным диаметром 0,1 мкм вызвано уменьшением реакционной поверхности с одной стороны и увеличением электрического сопротивления шихты - с другой.

Предлагаемый способ отработан на лабораторных установках.

Пример 1. Шихтовую смесь состава, мас.%: B2O3 39,6%; TiO2 15,1%; SiO2 11,3%; С 34,0 фракции, соответствующей поверхности 50 м2/г (средневзвешенный размер зерен 0,012 мкм), смешивали в течение 30 мин в вибромельнице, затем смесь брикетировали и полученные брикеты загружали в тигель из диэлектрического материала высокочастотной установки (частота электромагнитных колебаний 5,28 МГц).

Температура процесса по данным измерений вольфрам-рениевой термопарой составляла 2000±50oC, выдержка брикетов при этой температуре 20 мин. После прекращения нагрева образец охлаждался за счет излучения и естественной конвекции со скоростью 5 К/с. Полученный спек размалывали, классифицировали и анализировали. Основная фаза на 97,5 мас. % состояла из агрегатов зерен состава TiB2 + SiC + B4C (28,2; 26,3; 45,5 мас.% соответственно). Остальное - непрореагировавшая шихта и углерод.

Пример 2. Шихтовую смесь состава, мас.%: B2O3 60; TiO2 23; O2 17 загружали в трубчатый реактор и насыщали пироуглеродом до стехиометрического содержания пропусканием углеродистых газов при 800 - 1000oC. Далее смесь обрабатывалась аналогично примеру 1. Полученный спек содержал: основная фаза (смесь TiB2, B4C и SiC) - 99,6% мас., остаточный углерод 0,05% мас., примеси - 0,35% мас.

В таблице представлены свойства тугоплавких композиционных материалов в сравнении с прототипом.

Как видно в примерах 2, 3, 1, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 поставленная цель достигается, но в примере 5 подъем температуры выше 2100oC приводит к частичному разложению SiC и уменьшению его содержания в полученном продукте, в примере 10 увеличение выдержки не дает положительного эффекта.

В примере 3 низкая температура не обеспечивает полного протекания реакции, в примере 6 поставленная цель не достигается за счет малого времени выдержки в изотермических условиях, в примере 13 за счет присутствия крупнофракционного углерода резко увеличилось улетучивание оксида бора, спек обеднен TiB2.

Использование изобретения позволяет получить композиции из тугоплавких соединений практически любого состава в одностадийном процессе.

Похожие патенты RU2115756C1

название год авторы номер документа
Способ получения смесей высокодисперсных гетерофазных порошков на основе карбида бора 2018
  • Коцарь Татьяна Викторовна
  • Данилович Дмитрий Петрович
  • Зайцев Геннадий Петрович
  • Орданьян Сукяс Семенович
RU2683107C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ КАРБИДА БОРА 1997
  • Малышев А.Я.
  • Вичканский И.Е.
  • Леваков Е.В.
  • Малинов В.И.
  • Белова В.П.
  • Савкин Г.Г.
RU2143411C1
ОГНЕУПОРНАЯ ШИХТА И МНОГОКОМПОНЕНТНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ПОКРЫТИЙ, ПОЛУЧЕННЫЙ ИЗ НЕЕ 2001
  • Суворов С.А.
  • Шевчик А.П.
RU2191758C2
СОСТАВ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОГНЕУПОРНЫХ ИЗДЕЛИЙ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОГНЕУПОРНЫХ ИЗДЕЛИЙ 1993
  • Туркин И.А.
RU2090536C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КАРБИДА ТИТАНА, ЛЕГИРОВАННОГО НИКЕЛЕМ 2001
  • Александровский С.В.
  • Сизяков В.М.
  • Ли Д.В.
RU2204528C1
Способ получения композиционного материала WB -WC-AlO из шеелитового концентрата ДВ-региона 2020
  • Ри Эрнст Хосенович
  • Ри Хо Сен
  • Ким Евгений Давидович
  • Ермаков Михаил Александрович
RU2758654C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИТНОГО УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩЕГО МАТЕРИАЛА 2022
  • Поляков Андрей Александрович
  • Горланов Евгений Сергеевич
  • Пягай Игорь Николаевич
  • Рудко Вячеслав Алексеевич
  • Мушихин Евгений Александрович
RU2793027C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА 1997
  • Александровский С.В.
RU2120490C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БЛОЧНОГО ПЕНОСТЕКЛА 2000
  • Суворов С.А.
  • Шевчик А.П.
  • Можегов В.С.
  • Ли Чы-Тай
RU2187473C2
Способ получения литых композиционных алюмоматричных сплавов 2020
  • Химухин Сергей Николаевич
  • Ри Хо Сен
  • Ри Эрнст Хосенович
  • Ким Евгений Давидович
RU2729267C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 115 756 C1

Реферат патента 1998 года СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТУГОПЛАВКОГО МАТЕРИАЛА

Использование: в производстве композиционных материалов при получении абразивной, ударопрочной и износостойкой керамики. Сущность изобретения: процесс проводят путем карботермического восстановления смеси оксидов в высокочастотном электромагнитном поле при 2000-2100oC и выдержке 10-30 мин, причем используют мелкодисперсный углерод со средневзвешенным диаметром частиц менее 0,1 мкм. 1 табл.

Формула изобретения RU 2 115 756 C1

Способ получения тугоплавкого материала путем термовосстановления углеродом соответствующих оксидов в высокочастотном электромагнитном поле, отличающийся тем, что процесс ведут при температуре 2000 - 2100oC, времени выдержки 10 - 30 мин, причем используют мелкодисперсный углерод со средневзвешенным диаметром частиц 0,05 - 0,1 мкм.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 1998 года RU2115756C1

Tumanov I.N
The sinthesis of boron carbide in hight breguency electromagnetic fields
- Y.Lest
Common Metals, 1979, N 67, p
Колосниковая решетка для генераторов 1918
  • Грум-Гржимайло В.Е.
SU521A1

RU 2 115 756 C1

Авторы

Удалов Ю.П.

Орданьян С.С.

Лысанов В.С.

Лавров Б.А.

Даты

1998-07-20Публикация

1996-02-14Подача