Способ получения термостойких изделий на основе углеродного наполнителя и связующего

 

Сущность изобретения: заготовки, в качестве материала которых используют графит с радиусом пор 5-10 мкм и общей пористостью 22-34 об. %, пропитывают суспензией , содержащей металлические частицы , максимальный размер которых меньше минимального радиуса пор графита на 8- 15%, при температуре 15-25°С. Обработанные таким образом заготовки нагревают до 600-800°С в среде углеродной засыпки со скоростью 450-500°С/ч. Потеря массы полученных таким образом изделий при нагреве их до 1000°Ссоставляет0,65-0,96 мае. %. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 С 01 В 31/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4847506/26 (22) 05.07.90 (46) 15.12.92. Бюл. М 46 (71) Государственный научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита (72) Е.M.Oñòðîóìîâ, Е.А.Закревский, Н.Г.Гришин и А.Ф. Репин (56) Авторское свидетельство СССР

N 833864,,кл. С 04 В 35/54, 1979. (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕРМОСТОЙ: КИХ ИЗДЕЛИЙ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНОГО НАПОЛНИТЕЛЯ И СВЯЗУЮЩЕГО

Изобретение относится к технологии получения графитированных термостойких изделий, применяемых при производстве кварцевого стекла, футеровки химической аппаратуры и в полупроводниковой технике.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ пропитки изделий, включающий и редварител ь ную термообработку изделий до 1050-1150 С в окислительной среде, пропитку при 80-120 С, промывку водой, сушку при 80-120 С, а термообработку проводят при 1050-1150 С в среде эндогаза (распыленный керосин).

Недостатком данного способа является достаточно большая сложность ведения процесса, аппаратурного оформления и низкая эффективность, Целью изобретения является упрощение процесса получения графитовых изделий и увеличение их.стойкости к окислению при высоких температурах, „„ЯЦ „„1781170 Аl (57) Сущность изобретения: заготовки, в качестве материала которых используют .графит с радиусом пор 5-10 мкм и общей пористостью 22-34 об., пропитывают суспензией, содержащей металлические частицы, максимальный размер которых меньШе минимального радиуса пор графита на 815%, при температуре 15 — 25 С. Обработанные таким образом заготовки нагревают до

600-800 С в среде углеродной засыпки со скоростью 450-,500 С/ч. Потеря массы полученных таким образом изделий при нагреве их до 10000С составляет 0,65-0,96 мас, %.

1 з.п. ф-лы, 1 табл, Это достигается тем, что для пропитки ( используют графит с радиусом пор 5-10 мкм и общей пористостью 22-34, а максимал ьный размер металлических частиц в пропиты вающей суспензии меньше минимального радиуса пор на 8 — 15%:

Кроме того, нагрев изделий после пропитки ведут в углеродной засыпке до температуры 600 — 800 С .со скоростью

450-500 С/час, а пройитку осуществляют при 15 — 2,5 С. 4

По предложенному способу пропитке подвергают графитированные заготовки марок ГМЗ и МПГ-6 в виде пластины размера- > ми 200х120х10 мм, изготовленные на основе прокаленного и непрокаленного нефтяного кокса (ГОСТ 22898-73) и среднетемпературного каменноугольного пека (ГОСТ 10200 — 83). Заготовки пропитывают суспензиями, состоящими из эмали (ХВ745, ТУ 10-1600 — 77), металлических порошков алюминия, хрома, вольфрама и циклогексанона (ТУ 03 — 356-73), который до1781170 бавляется а суспензию для регулирования ее вязкости.

Причем соотношение ингредиентов.суспензии составляет: эмаль -26-32мас.% ., металлические порошки — 60-70 мас. % и 5 циклогексанон — 4-8 мас. %.

Суспензию после перемешивания составляющих при 20 С наносят на внешнюю поверхность пластин с помощью пульверизатора или кисти, После высыхания суспен- 10 зии на поверхности пластин их обрабатывают повторно еще 1 или 2 раза.

После высыхания пластин их нагревают(для удаления эмали и циклогексанона) до 600800 С со скоростью 450 — 500 С/ч и исполь- 15 зуют непосредственно в производстве, например, в полупроводниковой технике при максимальных температурах до 900- .

1000 С в инертной среде.

25

Существенную роль при использовании предложенного способа выполняют два фактора: размер радиуса пор графита и раз- 55 мер частиц металлического порошка. Естественно, что при размерах радиуса порменьше размеров металлических частиц процесс пропитки происходить не будет.

Кроме того, незначительная величина обСледует отметить, что при нанесении суспензии на поверхность графита, обладающего определенным размером riop; происходит эффект капиллярной всасываемости.

В этом случае в открытые поры, поверхность которых является инициатором окислительных процессов, вместе с раствором попадает металлический порошок, который при высоких температурах (до 1000 С) превращается а окислы металлов. Данные окислы заполняют объем поры и предохраняют ее стенки от окисления (разрушения) и увеличивают стойкость графита, Как показали экспериментальные исследования, наиболее эффективным является использование алюминиевой пудры (ПАП-2, ГОСТ 5494-71), которая при темйературе 500-600 С превращается в окислы алюминия (бокситы), которые наиболее устойчивы к воздействию высоких температур

Экспериментально показано, что из обработанных предложенным способом пластин ГМЗ, которые были пропитаны суспензйей, состоящей из эмали и металлических порошков хрома, вольфрама, алюминия, а также циклогексанона, наиболее эффективным было использование алюминия, так как потеря в весе (окисление) при нагреве до 1000 С в воздушной среде со скоростью 500 С составила 1-2, а при использовании вольфрама и хрома 3 4 .

Ф

50 щей пористости уменьшает эффект влияния пропитки.

Использование графита с размером радиуса пор менее 5 мкм ухудшает процесс пропитки, так как металлические частицы не будут проникать в объем поры, а использование графита с порами более, 10 мкм не позволяет полностью заполнить объем поры. Поэтому стенки поры не защищены окислами алюминия, что интенсифицирует процесс окисления. .Кроме того, применение для процесса пропитки предложенным способом с общей пористостью менее 22% малоэффективно, так как в этом случае преобладающий размер пор (мелкодисперсный графит) не создает условия для проникновения частиц металла в объем поры, а более 34 не позволяет полностью заполнить объема поры и предохранить ее стенки от окислительных процессов.

Максимальный размер металлических частиц в пропитывающей суспензии не должен быть менее 8% минимального радиуса пор, так как небольшие агломераты окислов не заполняют полностью объема поры, что интенсифицирует процесс окисления, а более 15 может не попасть в объем поры.

При термообработке пропитанного графита до 600-800 С со скоростью менее

450 С/ч приводит к удлинению процесса, а более 500 С/ч может вызвать образование трещин из-за значительного перепада температур в объеме графита.

Пропитку необходимо осуществлять при температуре не менее 15 С, так как пропитывающая суспензия становится более вязкой, что снижает эффективность пропитки, а для более 25 С необходимо иметь электрооборудование, что создаст определенные трудности по технике безопасности.

Таким образом, пропитка графита с определенным размером радиуса пор с последующей термообработкой приводит к образованию окислов металлов, которые за счет заполнения объема пор уменьшают поверхность графита и, следовательно, снижают величину его окисления при высоких температурах.

Предложенный способ получения термостойких иэделий на основе углеродного наполнителя и связующего подтверждается следующими примерами конкретного исполнения.

Пример. По предложенному способу пропитке подвергают графитированные заготовки марок ГМЗ и МПГ-6 в виде пластин

200х120х100 мм, изготовленные на основе прокаленного и непрокаленного нефтяного

1781170 кокса (ГОСТ 22898-78), а также среднетемпературного каменноугольного пека (ГОСТ

10200 — 83), Причем для марки ГМЗ радиус пор составляет 8 мкм и общая величина пористости 27, а для марки МПГ-6 4 мкм и

18 соответственно.

Пластины пропитывают суспензией, состоящей из эмали (ХВ-745, ТУ 6-10 — 160077, 31 мас. %), алюминиевой пудры (ПАП-2, ГОСТ 5494 — 71, 65 мас. ) и циклогексанона (ТУ 03-356-73, 4 мас. ). Максимальный размер металлических частиц в пропитывающей суспензии меньше минимального радиуса пор на 10%. Размер металлических частиц определяют с помощью электронного сканирующего микроскопа. Суспензию после перемешивания ингредиентов при

20 С наносят на поверхность пластин. По. сле высыхания суспензии на поверхности пластин пропитку производят повторно.

Для удаления эмали и циклогексана пластины помещают в металлический цилиндр, изолировав их предварительно друг от друга углеродной засыпкой (фракция 1-4 мм).

Термообработку осуществляют в электрической печи типа СШ ОЛ при скорости подъема температуры 475ОС/ч до 650 С. Термообработанные таким образом пластины нагревают в.электропечи типа СШОЛ в воздушной среде до температуры 1000 С со скоростью

500 С/ч для определения потери в весе (величина окисления).

Остальные примеры выполнены в соответствии с примером 1 и отличаются радиусом пор графита, величиной пористости, металлическими частицами и их размерами и т,д. Результаты представлены в таблице.

В настоящее время из графита марки

ГМЗ изготовлены трафареты (ТУ ГеТ01125 — 00-01), которые после пропитки и последующей термообработки прошли успешные испытания в полупроводниковой технике в промышленных условиях. При промышленной эксплуатации трафаретов до температур 1000"С в среде азота их потеря в весе (окисление) оказалась на 3040о меньше, чем у идентичных изделий марки графита ГМЗ, но не пропитанных.

5 Из данных, приведенных в таблице следует, что наилучшие результаты получены в примере 1, так как потеря в весе (величина окисления) термообработанных пластин намного меньше, чем в примерах.

10 По сравнению с прототипом, в примере

1 величина окисления графита марки ГМЗ на 4,5 меньше. Кроме того произошло упрощение процесса пропитки за счет исключения из технологического процесса

15 предварительной термообработки, промывки водой, сушки и т.д, Таким образом, увеличение стойкости графита к окислению при высоких температурах, упрощение процесса пропитки пред20 определяет реальный зкономический эффект при внедрении предложенного способа в промышленности..

Формула изобретения

1, Способ получения термостойких из25 делий на основе углеродного наполнителя и связующего, включающий пропитку графитированной заготовки и последующий ее нагрев, отличающийся тем, что, с целью упрощения процесса и повышения

30 стойкости к окислению при высоких температурах получаемых изделий, в качестве материала заготовки используют графит с радиусом пор 5 — 10 мкм и сбщей пористостью 22 — 34 об., а пропитку осуществляют

35 суспензией, содержащей металлические частицы, максимальный размер которых меньше минимального радиуса пор графита на

8-15 .

2. Способ по и. 1, отличающийся

40 тем, что заготовку нагревают до 600 — 800 С а среде углеродной засыпки со скоростью

450 — 500 С/ч, а пропитку ведут при 15 — 25ОС, 1781170

Температура леропитки, С

Разность максимального размера частиц от минимального радиуса пор, Ф

Потери масси, мас.2

Обцзк пористость, об.2

Вил металtttt

Нарка графита

Радиус пор, мкн

Скорость териообработки после пропитки, еС

Л1

II

Il

tl

10 .

3d

20 и

11 тт

Хром

А1

1О AO

11 AO. л1 475 20

475 20

81

Л1

12 Nl""6 10

13 НПГ-6 6,2

Г4 НПГ-6

ГНЗ 5

15 ГНЗ (прототип) 1О

1100

34

22 .17

22

100

Составитель Е.Остроумов

Техред М.Моргентал Корректор Т.Палий

Редактор

Заказ 4249 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.гагарина, 101

НПГ-6

ГНЗ

2 ГНЗ

НПГ-6

3 А18

НПГ-6

4 ГНЗ

НПГ 6

5 ГНЗ

НПГ 6

6 AO

7 ГНЗ

8 AO

9 ГНЗ

4 0

8,0

5 0

1,0

10i0

5 0

3,0

0,5

14

5,5

"8

8

18

27

22

34

17

18

36

19

27

27

27

475

1,2 1О

0,65- . 1О

0,9 8

1,35 - 8

0 ° 8 10

1,22 10

1,05 6

1,36 12

0,96 18

1,24 16

4 0

1,2 10

1,2 10

0,65 10 температура термообработки 600 С

О ° 68 10 теипература tepнообработки 800 С

0,65 Нимииальммд размер, мкм радиус пор i 5 частиц е9,2

1,64 8

1,45 8

1,02 15

0,78 15

5>2 .1