Способ получения шихты для изготовления композиционной керамики карбид бора - диборид хрома Российский патент 2023 года по МПК C04B35/563 

Предлагаемое изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к изготовлению композиционной керамики карбид бора - диборид хрома, и может быть использовано для изготовления чехлов высокотемпературных термопар, испарителей и лодочек для вакуумной металлизации, труб для перекачивания расплавленных металлов, сопел пескоструйных аппаратов, легковесной керамической брони, антифрикционных изделий.

Известен способ получения шихты для изготовления композиционной керамики карбид бора - диборид хрома смешиванием порошков карбида бора и диборида хрома в шаровой планетарной мельнице в среде метилового спирта с последующим испарением метилового спирта во вращающемся вакуумной испарителе в течение одного часа и далее сушкой при температуре 115°С в течение 24 часов. После этого шихта подвергалась прессованию при давлении 200 МПа и спеканию полученных образцов при температурах 1850…2030°С в среде аргона [Densification behavior and mechanical properties of pressureless-sintered B₄C-CrB₂ ceramics / S. Yamada, K. Hirao, Y. Yamauchi, S. Kanzaki // Journal of Materials Science. - 2002. - Vol. 7. - P. 5007-5012].

Однако указанный способ имеет следующие недостатки. Это многостадийность и длительность процесса подготовки шихты, а также высокое давление прессования.

Кроме того, известен способ получения шихты для изготовления композиционной керамики карбид бора - диборид хрома [Mechanical and electrical properties of B₄C-CrB₂ ceramics fabricated by liquid phase sintering / Syzuya Yamada, Kiyoshi Hirao, Yukihiko Yamauchi, Shuzo Kanzaki // Ceramics International. -2003. - Vol. 29. - pp. 299-305], являющийся прототипом предлагаемого изобретения и заключающийся в изготовлении шихты из смеси готовых порошков карбида бора и диборида хрома смешиванием в шаровой планетарной мельнице с использованием метанола в течение 30 мин. Для удаления метанола полученную суспензию на 1 ч помещали в ротационный испаритель, а затем сушили при температуре 115 ^оС в течение 24 ч. Полученную сухую смесь просеивали через сито 250 мкм. Шихта, содержащая 77,5 мол.% карбида бора (диборид хрома – остальное) после смешивания подвергалась горячему прессованию при температуре 2050 ^оС и давлении 5 МПа в течение 0,5 часа. Полученная композиционная керамика карбид бора – диборид хрома имела относительную плотность 98,0 % и значение трещиностойкости 3,2 МПа·м^1/2.

Однако указанный способ имеет недостаток. Это длительный процесс подготовки шихты и невысокое значение трещиностойкости получаемого материала.

Задачей предлагаемого изобретения является ускорение технологического процесса получения шихты карбид бора – диборид хрома с равномерным распределением частиц для получения керамики с повышенной относительной плотностью и трещиностойкостью.

Поставленная задача достигается в способе получения шихты для изготовления композиционной керамики карбид бора – диборид хрома, заключающейся в том, что исходные компоненты: оксид хрома, карбид бора и нановолокнистый углерод смешивают при следующем соотношении в молях: оксид хрома – 1,13; карбид бора – 8,88; нановолокнистый углерод - 2,25, просеивают через сито 100 мкм и загружают в продуваемый аргоном кварцевый реактор, который размещают в индукционной печи, при этом процесс осуществляют в течение 10–15 минут при температуре 1600–1700 ^оС.

Процесс синтеза шихты протекает в соответствии с реакцией:

0,5nCr₂O₃ +(1―0,5n) B₄C+ xC = (1―n)B₄C + nCrB₂ + 1,5nCO

с последующим изготовлением керамики горячим прессованием (n – мольная доля диборида хрома).

Способ осуществляется следующим образом. Порошки оксида хрома, карбида бора и высокодисперсного углеродного материала (измельченного нановолокнистого углерода) просеиваются через сито с размером ячейки, например, 100 мкм. При просеивании происходит перемешивание этих трех компонентов с получением смеси. Далее смесь загружается в тигель из стеклоуглерода. Тигель из стеклоуглерода закрывается графитовой крышкой и помещается в кварцевый реактор, который в свою очередь вставляется в индуктор индукционной печи. Для предотвращения азотирования карбида бора кварцевый реактор продувается аргоном. Нагрев смеси производят при температуре 1600–1700 ^оС в течение 10–15 минут.

Температура в реакторе контролируется оптическим пирометром. После остывания реактора прекращается подача аргона, из реактора извлекается тигель, из тигля извлекается продукт реакции (композиционная шихта карбид бора – диборид хрома).

При температурах ниже 1600 °С диборид хрома не образуется, о чем свидетельствует отсутствие его рефлексов на дифрактограммах. При температурах, превышающих 1700 °С, имеют место непроизводительные энергозатраты. При времени процесса менее 10 минут диборид хрома не образуется, о чем свидетельствует отсутствие его рефлексов на дифрактограммах. При времени процесса более 15 минут имеют место непроизводительные энергозатраты.

Таким образом, при температуре процесса ниже 1600 °С и времени процесса ниже 10 минут получение композиционной шихты карбид бора – диборид хрома невозможно, то есть поставленная задача не достигается.

Примеры реализации способа

Пример 1. Порошки оксида хрома, карбида бора и измельченного нановолокнистого углерода взятые в соотношении 1,13 моль, 8,88 моль и 2,25 моль, соответственно, для получения композиционного порошка карбид бора – диборид хрома, содержащего в соответствии с реакцией 22,5 мол.% диборида хрома совместно просеиваются через сито с размером ячейки 100 мкм. Далее полученная смесь засыпается в тигель из стеклоуглерода. Тигель закрывается графитовой крышкой и помещается в кварцевый реактор, который в свою очередь вставляется в индуктор индукционной печи. Кварцевый реактор продувается аргоном. Температура процесса 1650 °С, время выдержки при этой температуре 12 минут. Рентгенофазовым анализом установлено наличие в продуктах реакции обеих фаз: карбида бора и диборида хрома.

Получение композиционной керамики карбид бора – диборид хрома из полученной шихты проводилось горячим прессованием при давлении 5 МПа. Относительная плотность композиционной керамики составила 99,0%, а значение трещиностойкости 3,8 МПа·м^1/2.

Пример 2. Порошки оксида хрома, карбида бора и измельченного нановолокнистого углерода взятые в соотношении 1,13 моль, 8,88 моль и 2,25 моль, соответственно, для получения композиционного порошка карбид бора – диборид хрома, содержащего в соответствии с реакцией 22,5 мол. % диборида хрома, совместно просеиваются через сито с размером ячейки 100 мкм. Далее полученная смесь засыпается в тигель из стеклоуглерода. Тигель закрывается графитовой крышкой и помещается в кварцевый реактор, который в свою очередь вставляется в индуктор индукционной печи. Кварцевый реактор продувается аргоном. Температура процесса 1600 °С, время выдержки при этой температуре 10 минут. Рентгенофазовым анализом установлено наличие в продуктах реакции обеих фаз: карбида бора и диборида хрома.

Получение композиционной керамики карбид бора – диборид хрома из полученной шихты проводилось горячим прессованием при давлении 5 МПа. Относительная плотность композиционной керамики составила 98,9 %, а значение трещиностойкости 3,7 МПа·м^1/2.

Пример 3. Порошки оксида хрома, карбида бора и измельченного нановолокнистого углерода взятые в соотношении 1,13 моль, 8,88 моль и 2,25 моль, соответственно, для получения композиционного порошка карбид бора – диборид хрома, содержащего в соответствии с реакцией 22,5 мол.% диборида хрома, совместно просеиваются через сито с размером ячейки 100 мкм. Далее полученная смесь засыпается в тигель из стеклоуглерода. Тигель закрывается графитовой крышкой и помещается в кварцевый реактор, который в свою очередь вставляется в индуктор индукционной печи. Кварцевый реактор продувается аргоном. Температура процесса 1700 °С, время выдержки при этой температуре 15 минут. Рентгенофазовым анализом установлено наличие в продуктах реакции обеих фаз: карбида бора и диборида хрома.

Получение композиционной керамики карбид бора – диборид хрома из полученной шихты проводилось горячим прессованием при давлении 5 МПа. Относительная плотность композиционной керамики составила 99,2%, а значение трещиностойкости 3,9 МПа·м^1/2.

Пример 4. Порошки оксида хрома, карбида бора и измельченного нановолокнистого углерода взятые в соотношении 1,13 моль, 8,88 моль и 2,25 моль, соответственно, для получения композиционного порошка карбид бора – диборид хрома, содержащего в соответствии с реакцией 22,5 мол.% диборида хрома, совместно просеиваются через сито с размером ячейки 100 мкм. Далее полученная смесь засыпается в тигель из стеклоуглерода. Тигель закрывается графитовой крышкой и помещается в кварцевый реактор, который в свою очередь вставляется в индуктор индукционной печи. Кварцевый реактор продувается аргоном. Температура процесса 1500 °С, время выдержки при этой температуре 8 минут. Рентгенофазовым анализом установлено наличие в продуктах реакции карбида бора, оксида хрома и углерода. Таким образом, при выходе из указанных пределов по температуре и времени термообработки диборид хрома не образуется, то есть поставленная цель не достигается. Полученный порошок горячему прессованию не подвергался.

Данный состав был выбран в соответствии с составом прототипа. Схожие результаты наблюдаются и для других составов.

Таким образом, использование композиционной шихты карбид бора – диборид хрома, приготовленной по реакции карбидоборного восстановления диоксида хрома с избытком карбида бора, с указанными параметрами по температуре и времени позволило получить шихту карбид бора – диборид хрома с равномерным распределением частиц для получения керамики с повышенной относительной плотностью и трещиностойкостью.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к изготовлению композиционной керамики карбид бора - диборид хрома, и может быть использовано для изготовления чехлов высокотемпературных термопар, испарителей и лодочек для вакуумной металлизации, труб для перекачивания расплавленных металлов, сопел пескоструйных аппаратов, легковесной керамической брони, антифрикционных изделий. Способ приготовления шихты для композиционной керамики карбид бора – диборид хрома характеризуется тем, что исходные компоненты: оксид хрома, карбид бора и нановолокнистый углерод смешивают при следующем соотношении в молях: оксид хрома 1,13; карбид бора 8,88; нановолокнистый углерод 2,25, просеивают через сито 100 мкм и загружают в продуваемый аргоном кварцевый реактор, который размещают в индукционной печи, при этом процесс осуществляют в течение 10–15 минут при температуре 1600-1700 °С. Предложенный способ направлен на ускорение технологического процесса получения шихты карбид бора - диборид хрома с равномерным распределением частиц для получения керамики с повышенной относительной плотностью и трещиностойкостью. 4 пр.

Способ приготовления шихты для композиционной керамики карбид бора - диборид хрома, характеризующийся тем, что исходные компоненты: оксид хрома, карбид бора и нановолокнистый углерод смешивают при следующем соотношении в молях: оксид хрома 1,13; карбид бора 8,88; нановолокнистый углерод 2,25, просеивают через сито 100 мкм и загружают в продуваемый аргоном кварцевый реактор, который размещают в индукционной печи, при этом процесс осуществляют в течение 10-15 минут при температуре 1600-1700 °С.