Шихта для изготовления керамического материала

 

Назначение: изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано для изготовления керамических конструкционных деталей, например, истираемых вставок надроторного уплотнения рабочего колеса ГТД, пресс-форм для отливки термостойких стекол, сепараторов подшипников и т. д. Сущность изобретения: шихта керамического материала содержит нитрид кремния, нитрид бора (10 - 60 мас. % ) и оксид иттрия, вводимый в шихту в составе ультрадисперсной плазмохимической композиции (нитрид кремния - оксид иттрия) (40 - 90 мас. % ). Новым является использование в шихте, содержащей нитрид бора, ультрадисперсной порошковой композиции (нитрид кремния - оксид иттрия), обеспечивающей формирование мелкозернистой структуры взаимно переплетающихся зерен нитрида кремния гексагональной формы и тугоплавкой межзеренной фазы. Данная микроструктура определяет высокие прочностные характеристики материала и обеспечивает заданную твердость. Наблюдается отсутствие химического взаимодействия между частицами нитрида бора и матричным материалом. 1 табл.

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано для изготовления керамических конструкционных деталей, например, истираемых вставок надроторного уплотнения рабочего колеса газотурбинных двигателей, пресс-форм для отливки термостойких стекол, сепараторов подшипников и т. д. Требования, предъявляемые к подобным материалам, включают твердость не более 70 HRC для обеспечения легкой срабатываемости пером лопат и, прочность не менее 80 МПа в зависимости от условий эксплуатации конкретных изделий.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является огнеупорный материал [ 1 ] , содержащий, мол. % : Нитрид бора 10-88 Нитрид кремния 10-88 Оксид магния 1-79 Материал имеет низкую прочность при сжатии 9,2-23 кг/мм² (92 и 230 МПа), что ограничивает возможности его использования в качестве конструкционного.

Цель изобретения - повышение механической прочности материала при обеспечении заданной твердости (не более 70 HRC).

Указанная цель достигается тем, что шихта керамического материала, содержащая нитрид кремния и нитрид бора, дополнительно содержит оксид иттрия, вводимый в шихту в составе ультрадисперсной плазмохимической композиции (нитрид кремния - оксид иттрия) при следующем соотношении, мас. % : Композиция (нитрид кремния - оксид иттрия) 40-90 Нитрид бора 10-60 При этом соотношение компонентов в композиции Оксид иттрия 12-18 Нитрид кремния Остальное Введение оксида иттрия в составе ультрадисперсной композиции (нитрид кремния - оксид иттрия) обеспечивает формирование в процессе горячего прессования переплетающихся удлиненных зерен β- Si₃N₄. Длина их достигает 7-10 мкм, в поперечнике 0,2-0,7 мкм. Для данной керамики характерно по сравнению с прототипом наличие более тугоплавкой межзеренной иттрий-оксинитридной фазы, содержащей кристаллические оксинитриды 10Y203˙9SiO₂˙Si₃N₄ и др. В целом в структуре предлагаемой керамики достигается высокая степень кристаллизации межзеренной фазы и высокая прочность связи границы зерно-межзеренная фаза. Этим объясняется сохранение уровня высокотемпературной прочности керамики.

Введение в состав шихты практически в том же диапазоне соотношений, как и в прототипе, гексагонального нитрида бора, обеспечивает заданную твердость. Ворсосодержащие фазы в составах (примеры 1-3) ориентированы перпендикулярно направлению прессования, образуя свои отдельные удлиненные от нескольких до 250 мкм скопления, которые практически не связаны с основной массой. С возрастанием количества нитрида бора борсодержащие фазы распределяются равномернее. Микротвердость основной фазы и борсодержащей составляет соответственно: 13,89 ГПа и 1,37 ГПа (пример 1); 11,2 ГПа и 0,65 ГПа (пример 2), 8,78 ГПа и 0,498 ГПа (пример 3). Для составов, содержащих более 40% нитрида бора общая микротвердость 5,19 ГПа (пример 4), 0,48 ГПа (пример 5), 0,19 ГПа (пример 6). Судя по микротвердости борсодержащая фаза во всех случаях не уплотнилась.

При введении в состав шихты нитрида бора в количестве менее 10 мас. % материал имеет твердость 90-80 HRC, что превышает требования (пример 7).

При введении в состав шихты нитрида бора в количестве более 60 мас. % затруднен процесс спекания материала. Плотность при этом достигает 60% от теоретической, что снижает механическую прочность материала (пример 8).

При содержании спекающей добавки в исходный композиции меньше 12 мас. % структура материала мелкозернистая с нечеткими, округлой формы сглаженными границами зерен. Структура в целом гранулометрически неоднородна. Имеются отдельные крупнокристаллические области размером 10-15 мкм, которые оказываются разрушающими дефектами и значительно уменьшают прочность.

При содержании оксида иттрия более 18 мас. % фазовый и химический состав композиционного порошка становится неудовлетворительным: появляется фазы оксида иттрия в кубической и моноклинной форме, значительно повышается содержание свободного кремния, снижается содержание азота.

Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "Новизна". Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежной областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию "Существенные отличия".

Изделия из предложенного керамического материала получают следующим образом.

Порошки нитрида бора и композиции (нитрид кремния - оксид иттрия), взятые в необходимых количествах, смешивают в шаровой мельнице в бензине в течение 80-100 ч. Высушенную смесь протирают через сито и прессуют в металлической пресс-форме. Полученные брикеты подвергают горячему прессованию в графитовой пресс-форме при 1600-1700^оС в течение 2 ч в защитной среде азота, в отличие от прототипа, где процесс прессования идет без защитной газовой среды.

П р и м е р. Готовят шихту следующего состава, мас. % : композиция (нитрид кремния - оксид иттрия) 60; нитрид бора 40.

Смешение и измельчение проводят в шаровой мельнице в течение 100 ч. Высушенную смесь протирают через сито 063, измеряют насыпную массу, отвешивают необходимое количество и проводят предварительное прессование в металлической пресс-форме. Полученный брикет подвергается горячему прессованию в графитовой пресс-форме при 1700^оС в течение 2 ч. Готовый керамический материал имеет прочность при поперечном изгибе при комнатной температуре 23 кгс/мм² (230 МПа) и при 1400^оС 20 кгс/мм² (200 МПа), прочность при сжатии 25 кгс/мм² (250 МПа), твердость 10 HRC и изменение массы при окислении на воздухе при 1300^оС за 50 ч не более (-0,284% ). Толщина окисленного слоя при этом не превышает 5 мкм.

В таблице представлены данные по прочности, твердости и окисляемости материалов, полученных из известных и предлагаемых составов. Причем для последних приводятся значения прочности на сжатие и на изгиб. Как видно из таблицы, предложенный состав материала при любом соотношении компонентов обеспечивает заданную твердость не более 65 HRC, имеет прочность на сжатие в 2,5-5 раз больше, чем материал прототипа.

Для материала различного состава характерно изменение в широких пределах таких свойств как твердость (от 10 до 65 HRC), прочность (от 10 до 60 кгс/мм²). Это позволяет обеспечить широкий спектр, применения материала: для надроторных уплотнений - составы, описанные в примерах 5,6; для сепараторов подшипников - в примерах 2,3; для пресс-форм для отливки термостойкого стекла - составы в примерах 1,4 и т. д.

Предлагаемое изобретение может быть использовано для изготовления огнеупорных конструкционных деталей, применяемых в авиационной, стекольной промыш- ленности, машиностроении и т. д.

(56) Авторское свидетельство СССР N 375274, кл. С 04 В 35/38, 1973.

Формула изобретения

ШИХТА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА, включающая нитрид бора и нитрид кремния, отличающаяся тем, что, с целью повышения механической прочности при обеспечении заданной твердости, она содержит дополнительно оксид иттрия в виде ультрадисперсной плазмохимической композиции с нитридом кремния при следующем соотношении, мас. % : Нитрид бора 10 - 60 Указанная композиция 40 - 90 при этом композиция имеет состав, мас. % :
Оксид иттрия 12 - 18
Нитрид кремния 82 - 88

РИСУНКИ

Рисунок 1

NF4A Восстановление действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение

Дата, с которой действие патента восстановлено: 20.04.2008

Извещение опубликовано: 20.04.2008        БИ: 11/2008

---