СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2005 года по МПК C04B35/5835 C04B35/577 

Изобретение относится к области получения новых композиционных материалов, а также сверхтвердых композиционных материалов.

Известен способ получения композиционного материала, описанный в патенте России №2036779 (кл. С 04 В 35/52). Суть способа состоит в том, что из порошка алмаза формуют заготовку материала. Сформованную заготовку помещают в высокотемпературную печь и пропитывают жидким кремнием при температуре 1420-1700°С. В ходе высокотемпературной обработки и пропитки часть алмаза вступает в химическое взаимодействие с кремнием (предположительно с предварительным частичным переходом метастабильного алмаза в графит) и образует карбид кремния. В результате этого получают сверхтвердый композиционный материал, в котором зерна алмаза связаны матрицей из карбида кремния и кремния.

Однако описанный способ имеет некоторые недостатки. Одним из них является использование алмаза как источника углерода для получения карбида кремния. Это не только удорожает получаемый продукт, но и приводит к снижению объемного содержания сверхтвердого материала (алмаза) в конечном композите по сравнению с его содержанием в заготовке.

Кроме того, активность алмазов к образованию карбида кремния меняется в широких пределах и зависит от удельной поверхности, дефектности поверхности, условий высокотемпературной обработки и пропитки, что делает процесс малоустойчивым.

Известно связующее для изготовления абразивных инструментов на основе порошков алмаза и кубического нитрида бора (Патент РФ №2166425, кл. В 24 D 3/00). Предложенное связующее состоит из волокнистого углерода 0,1-99,5 % и пироуглерода (остальное). Способ изготовления абразивного материала с этим связующим состоит в насыщении отформованных заготовок продуктами пиролиза углеродсодержащих газов твердыми углеродными осадками в процессе термоциклирования при температуре 400-1600^оС и давлении 0,0001-3000 атм.

Недостатком известного способа являются низкие механические свойства углеродного связующего, что определяет низкие механические свойства получаемых материалов. Кроме того, углеродное связующее склонно к окислению при повышенных температурах на воздухе, как правило, выше 600 ^оС, что не позволяет использовать получаемые материалы в этих условиях. Карбид кремния в этих условиях устойчив к окислению.

Задачей изобретения является разработка способа получения композиционного материала с карбидокремниевой матрицей и наполнителем на основе сверхтвердых материалов, позволяющего снизить потери сверхтвердых материалов.

Задача изобретения решена в предлагаемом способе, включающем формование заготовки из порошков кубического нитрида бора, последующие термообработку заготовки в среде углеводородов и пропитку жидким кремнием при температуре 1420-1700°С и давлении менее 1000 мм рт. ст. При этом целесообразно осуществить термообработку в среде углеводородов до увеличения массы заготовки на 3-25%.

Сущность изобретения состоит в следующем. В отличие от алмаза нитрид бора не взаимодействует с кремнием до температур ˜2000°С ни непосредственно, ни через промежуточные состояния (как в случае алмаза, который, по-видимому, сначала превращается в графит). Поэтому в ходе высокотемпературной пропитки кремнием заготовки из кубического нитрида бора, можно предполагать, не будет происходить изменения объемного содержания нитрида бора от заготовки к конечному материалу и, следовательно, удастся преодолеть потери дорогих сверхтвердых материалов при получении композиционного материала. Однако путем пропитки кремнием заготовки, сформованной из кубического нитрида бора, получить композиционный сверхтвердый материал не удается по двум причинам. Во-первых, нитрид бора практически не смачивается жидким кремнием и поэтому кремний не удается ввести в поры заготовки. Во-вторых, в заготовке отсутствует углерод, а следовательно, нет необходимого компонента для образования карбидокремниевой матрицы в порах заготовки.

Обе эти причины устранены в предлагаемом техническом решении. Это осуществлено включением в процесс получения композиционного материала еще одной стадии: термообработки заготовки в среде углеводородов. При термообработке, осуществляемой при температурах выше температуры разложения углеводородов, углеводороды способны образовывать водород и углерод (пироуглерод). Пироуглерод образуется за счет гетерогенного процесса, т.е. на внутренней поверхности пор заготовки, доступной для проникновения углеводородов. Синтез пироуглерода может быть осуществлен из различных углеводородов или их смесей. Например, может быть использован природный газ, а сама термообработка проведена при температуре 800-900°С.

Как уже отмечалось, при термообработке происходит образование пироуглерода на поверхности пор заготовки. То есть вся внутренняя поверхность заготовки покрывается тонким сплошным слоем углерода, толщина которого увеличивается с увеличением времени термообработки. Общее содержание пироуглерода в термообработанной заготовке изменяется в зависимости от температуры и времени термообработки.

После термообработки в среде углеводородов заготовка содержит в своем составе необходимое для образования карбида кремния количество углерода. Кроме того, вся поверхность пор заготовки покрыта углеродом, который хорошо смачивается кремнием.

Заметим, что образованный на поверхности пор слой пироуглерода не перекрывает устья пор и все поры заготовки остаются при этом открытыми, что очень важно для последующей пропитки жидким кремнием.

Пропитку кремнием осуществляют при давлениях ниже 1000 мм рт. ст. в инертных или восстановительных газах или вакууме. Жидкий кремний хорошо смачивает поверхность заготовки, проникает по порам в объем заготовки и взаимодействует с углеродом с образованием карбида кремния. Пропитку осуществляют при температурах 1420-1700°С.

Заметим, что увеличение массы заготовки в ходе термообработки за счет пироуглерода, образовавшегося внутри пор, должно лежать в пределах 3-25%. Меньшее содержание пироуглерода не обеспечивает необходимое содержание карбида кремния в получаемом материале. При содержании пироуглерода более 25% возникают значительные трудности при пропитке заготовок жидким кремнием, а получаемые материалы могут содержать углерод, что нежелательно.

Следующие примеры поясняют сущность изобретения.

Пример 1. Порошок кубического нитрида бора с размером частиц 20-28 мкм смешивают с временным связующим (раствором смолы) и формуют заготовку в виде диска d=20 мм h=2 мм. Объемная доля кубического нитрида бора в заготовке составляет 0,53. После отверждения временного связующего заготовку помещают в проточный реактор синтеза пироуглерода, где осуществляют термообработку заготовки. Термообработку проводят в среде природного газа при температуре 840°С в течение 20 часов. После термообработки масса заготовки увеличивается на 16%. Затем заготовку помещают в высокотемпературную печь и пропитывают жидким кремнием. Жидкий кремний получают плавлением "металлического" кремния непосредственно на поверхности пропитываемой заготовки. Пропитку осуществляют при температуре 1500°С в вакууме с остаточным давлением 15 Па. После пропитки и остывания печи из нее извлекают готовый композиционный материал. Он имеет те же размеры и форму, что и заготовка, и плотность 3,02 г/см³. Рентгенофазовый анализ показал наличие в структуре материала кубического нитрида бора, карбида кремния и кремния. Наличие каких-либо других фаз, указывающих на взаимодействие кубического нитрида бора с кремнием, обнаружено не было. Тем самым можно считать, что объемное содержание кубического нитрида бора в конечном материале и заготовке совпадают. Материал имеет прочность при изгибе 210 МПа.

Пример 2. Пример осуществляют аналогично примеру 1, но в качестве исходных материалов берут порошки нитрида бора размером 7-14 мкм. Термообработку осуществляют при 840°С в течение 10 часов. Масса заготовки при этом увеличилась на 14%.

В процессе образования конечного материала после стадии пропитки кремнием заготовка также не изменила своих размеров. Плотность материала 3,13 г/см³. Рентгенофазовый анализ обнаруживает фазы нитрида бора, карбида кремния и кремния. Материал обладает прочностью на изгиб 180 МПа.

Таким образом, реализация предлагаемого способа по сравнению с известными:

- обеспечивает получение новых композиционных материалов, в которых зерна кубического нитрида бора связаны карбидо-кремниевой матрицей. Наличие в материалах кубического нитрида бора (вместо алмаза в известных решениях) предпочтительно за счет его термостабильности и способности сохранять свойства композиционого материала при высоких температурах, в том числе при контакте со сплавами на основе железа, никеля, кобальта;

- позволяет исключить потери сверхтвердых материалов, которые происходят при образовании карбида кремния за счет алмаза в известных технических решениях;

- делает технологию получения и свойства материалов более контролируемыми. Так, содержание нитрида бора определяется его содержанием в исходной заготовке; содержание карбида кремния задается содержанием пироуглерода в термообработанной заготовке, а содержание поступающего в реакцию кремния определяется пористостью исходной заготовки.

Изобретение относится к области получения новых композиционных материалов, а также сверхтвердых композиционных материалов. Способ включает формование заготовки из порошков кубического нитрида бора, последующих термообработки заготовки в среде углеводородов и пропитки жидким кремнием при температуре 1420-1700°С и давлении менее 1000 мм рт. ст. Термообработку осуществляют в среде углеводородов до увеличения массы заготовки на 3-25%. Реализация предлагаемого способа по сравнению с известными: обеспечивает получение новых композиционных материалов, в которых зерна кубического нитрида бора связаны карбидо-кремниевой матрицей; позволяет исключить потери сверхтвердых материалов, которые происходят при образовании карбида кремния за счет алмаза в известных технических решениях; делает технологию получения и свойства материалов более контролируемыми.

Способ изготовления композиционного материала на основе кубического нитрида бора, включающий формование заготовки из порошка кубического нитрида бора и термообработку в среде углеводородов при температуре, превышающей температуру их разложения с образованием углерода, отличающийся тем, что термообработку осуществляют до увеличения массы заготовки на 3-25%, а после термообработки заготовку пропитывают жидким кремнием.