ГРАФИТСОДЕРЖАЩАЯ КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СИЛИЦИРОВАННЫХ ГРАФИТСОДЕРЖАЩИХ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 2001 года по МПК C01B31/04 C01B31/36 

Изобретение относится к области производства конструкционных изделий на основе графита, в частности силицированного графита, предназначенного для использования в народном хозяйстве в опорных и упорных подшипниках, подшипниках скольжения, торцовых уплотнениях насосов, перекачивающих различные жидкости, в том числе с абразивными частицами, в производстве облицовочных плит в химическом и металлургическом производствах, в производстве стеклянных и минеральных волокон и т.д.

Известна композиция для получения силицированных огнеупорных изделий, включающая графит (3-35% мас. ), кремний (3,0-12,5% мас.), карбид кремния (1,5-40% мас. ), кокс (20-30% мас. ), фенольное связующее - остальное (авторское свидетельство СССР N 1072398). Силицированный графит, полученный с использованием указанной композиции, имеет достаточно большую долю углеродной составляющей, вследствие плохой силицируемости кокса, а в связи с этим и значительную долю свободного (непрореагировавшего) кремния, что усугубляется ранним введением в исходный состав свободного кремния. Значительное количество свободного кремния в конечном материале (до 25-30% мас.) при использовании, например материала в качестве облицовочных плит, может приводить к его выпариванию из материала, вследствие высокой упругости паров кремния, т.е. к появлению пористости и снижению прочности. Подобная картина имеет место при контакте с агрессивными расплавами, например жидким стеклом или базальтом.

Наиболее близким техническим решением является углеродсодержащая композиция для силицирования, взятая за прототип (заявка Великобритании N 1437178, 1976 г.), включающая углерод, карбид кремния и связующее.

Недостатком известного технического решения является то, что, полученные на основе этой композиции изделия имеют низкую прочность, а также остаточную пористость, что снижает физико-механические характеристики изделий из этой композиции.

Задачей, решаемой настоящим изобретением, служит повышение плотности, прочности и эрозионной стойкости изделий на базе предлагаемой композиции.

Поставленная задача решается тем, что в качестве углерода используют графит, а также тем, что композиция имеет следующий состав; мас.%
Графит - 20-70
Связующее - 10-30
Карбид кремния - Остальное
при этом карбид кремния вводится в виде порошка фракций: 250-91 мкм 50-70 мас.%; менее 90 мкм 30-50 мас.%.

При этом в качестве связующего может использоваться фенолформальдегидная смола либо пек, взятый в тех же количественных пределах. Пек предпочтительней по сравнению с фенолформальдегидной смолой, так как в значительно меньшем количестве выделяет вредные соединения, в частности канцерогенные фенолы при технологических переделах для получения компактных заготовок.

Карбид кремния, введенный в графитовую шихту, выполняет двойную функцию: заполняет мелкие поры, недоступные проникновению жидкому кремнию в процессе жидкофазной пропитки, во-вторых, частицы карбида кремния являются центрами кристаллизации вторичного карбида кремния, образующегося в процессе высокотемпературной пропитки углеродсодержащей основы.

Таким образом, шихта, состоящая из графитовой крошки и порошка карбида кремния, способствует получению после пропитки жидким кремнием плотных, прочных изделий, представляющих собой сплошную структуру, состоящую преимущественно из карбида кремния. При этом плотность конечных изделий по всему объему изделия выше 2,7 г/см³.

Изделия производят по следующей технологии: искусственный графит (отходы, брак по трещинам и сколам) предварительно дробят на куски размером от 5-10 до 30 мм, затем измельчают в молотковой дробилке, шаровой вибромельнице до размеров частиц 800-1000 мкм, производят рассев на фракции и осуществляют дозирование графитовой шихты в требуемых долях по фракциям, проводят смешение с порошком карбида кремния дозируемым в работающую смесительную машину, куда затем добавляют связующее: фенолформальдегидная смола или пек. Перемешивание шихты проводят в течение 1-2 часов.

Изделия прессуют в пресс-форме нагретой до 60-90^oC при давлении 50-120 кгс/см². Предварительную термообработку проводят в электропечи с рабочей температурой до 300^oC, не снимая давления с пресс-формы, в течение 15-30 минут, после чего пресс-форму охлаждают и заготовку или деталь выпрессовывают. Обжиг проводят при 950-1100^oC в коксовой засыпке в течение 24 часов.

Пропитку образцов жидким кремнием осуществляют в высокотемпературной вакуумной печи в вакууме не хуже 10^-1 мм рт. ст. при температуре 1950^oC в течение 15 минут с последующим охлаждением и разгрузкой печи.

В таблице 1 представлены опробованные составы композиций. В качестве связующего в примерах таблицы 1 использовали связующее фенольное порошкообразное (СФП). Аналогичные результаты имеют место при использовании пека, поэтому в таблице они не приводятся.

Некоторые физико-механические свойства полученных композиций после силицирования в сравнении с прототипом приведены в таблице 2.

Коррозионную стойкость силицированных изделий оценивали в среде NaOH при 80^oC в течение 1000 часов по ГОСТ 13819-68.

Из таблицы 2 следует, что введение первичного карбида кремния по примерам 1-9 во всех случаях приводит к увеличению плотности по сравнению с прототипом, прочности и коррозионной стойкости, что связано с уменьшением в материале свободного кремния, который вымывается в среде щелочи, и увеличении доли карбида кремния.

Силицированные изделия на основе графитсодержащей композиции, кроме перечисленного, могут быть использованы в качестве форсунок для распыления воздуха с абразивными частицами, горелок в термических газовых печах, протяжек при производстве проволоки и т.д.

Изобретение предназначено для химической промышленности и может быть использовано при получении подшипников, уплотнений насосов, облицовочных плит, волокон. Графитсодержащая композиция содержит, мас.%: графит 2-70; связующее 10-30; карбид кремния остальное. Карбид кремния содержит порошок следующих фракций, мас.%: 250-91 мкм 50-70; менее 90 мкм 30-50. Из этой массы прессуют изделие при давлении 50-120 кгс/см² в нагретой до 60-90^oC пресс-форме. Спрессованное изделие подвергают предварительной термообработке при 300^oC, не снимая давления, 15-30 мин. Окончательный обжиг изделий проводят при 950-1100^oC в коксовой засыпке 24 ч. Плотность полученного материала 2,82-3,06 г/см³, предел прочности при сжатии 4150-4950 кгс/см². Изделие имеет повышенную коррозионную стойкость. 1 з.п.ф-лы, 2 табл.

1. Графитсодержащая композиция для получения силицированных изделий, включающая углерод, карбид кремния и связующее, отличающаяся тем, что в качестве углерода используют графит при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Графит - 20-70
Связующее - 10-30
Карбид кремния - Остальное
2. Графитсодержащая композиция по п.1, отличающаяся тем, что карбид кремния имеет вид порошка со следующим соотношением фракций: 250-91 мкм - 50-70 мас%; менее 90 мкм - 30-50 мас%.