Способ изготовления антифрикционных изделий из карбида кремния

Изобретение относится к производству изделий из карбида кремния методом реакционного спекания, в том числе элементов трения торцовых уплотнений насосно-компрессорного и иного оборудования. Производят помол и смешивание карбида кремния и сажи. Используют сажу с размерами частиц менее 0,1 мкм, а карбид кремния с размерами частиц 10 мкм и менее. В процессе мокрого помола и смешивания в исходные компоненты вводят поверхностно-активное вещество - изопропиловый спирт в количестве 0,5-1,0% от объема водной среды, присутствующей при помоле, и за 15-20 минут до окончания помола - водный раствор целлюлозы. В высушенную шихту добавляют парафин, растворенный в бензине, и прессуют заготовки при давлении 400-500 кгс/см². Заготовки обрабатывают в вакуумной электропечи при избыточном давлении и температурах 100, 200, 300 и 400°С последовательно, удаляя временное связующее. Реакционное спекание и пропитку заготовок расплавленным кремнием проводят в вакууме до 10^-3 мм рт.ст. при температуре 1500-1600°С. Технический результат изобретения - получение мелкозернистой структуры, равномерно распределенной по всему объему изделий. Пористость изделий не превышает 1-2%. 5 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к производству изделий из карбида кремния методом реакционного спекания, в том числе элементов трения торцовых уплотнений насосно-компрессорного и иного оборудования, работающих в абразивных и агрессивных средах.

Известен способ получения изделий из карбида кремния реакционным спеканием (Г.Г.Гнесин. Карбидокремниевые материалы. - М.: Металлургия, 1977 г.). Получение таких изделий производят смешиванием исходного карбида кремния с углеродсодержащим компонентом (нефтяным коксом, графитом, древесным углем и др.), прессованием из этой смеси с добавкой связующего (бакелита, декстрина и др.) заготовок, удалением из них связки. Пропитка заготовок кремнием проводилась в среде его расплава и паров при температурах 1850-2050°С и атмосферном давлении в среде аргона или в вакууме при температуре 1500-1600°С и механической обработкой карбидокремниевых заготовок алмазным инструментом до требуемых размеров.

В качестве углеродсодержащего компонента используют в основном нефтяной кокс, графит или древесный уголь. Сажа как углеродсодержащее сырье, несмотря на высокую химическую активность, практически не используется вследствие агрегирования ее частиц, что приводит к большому содержанию остаточного углерода в изделии в виде крупных включений, покрытых экранирующим слоем карбида кремния.

Известен также способ изготовления изделий из карбида кремния (Гаршин А.П. и др. Керамика для машиностроения. - М.: Научтехметиздат, 2003 г.). Недостатком этого способа является то, что большие размеры частиц исходных компонентов являются причиной их низкой активности. Размол кокса или графита до частиц менее 10 мкм не рекомендуется, так как смешивание мелкодисперсных исходных компонентов по известной технологии приводит к агрегированию мелкодисперсных частиц. При этом в готовом изделии будут участки не прореагировавшего углерода, что приведет к неоднородности изделия по объему.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ изготовления антифрикционных изделий из карбида кремния, раскрытый в патенте США №4019913, МПК С04В 35/56, опубл. 26.04.1977 г. (формула изобретения и 3-5 столбцы описания).

По приведенной технологии порошок карбида кремния с частицами размером 10 мкм измельчают с коллоидным графитом в водной среде. После сушки и просеивания порошок подвергают повторному дроблению в изопропиленовом спирте для устранения агрегирования. Если форма относительно проста, то заготовку прессуют непосредственно после двойного помола и далее проводят реакционное спекание в контакте с расплавленным кремнием при температуре 2000°С в инертной среде. Если заготовка имеет сложную форму, то ее прессуют в простую форму и подспекают в инертной атмосфере при 1900°С. Затем подспеченную заготовку подвергают механической обработке до нужной формы с последующим реакционным спеканием при температуре 2000°С в контакте с расплавленным кремнием.

Недостатками данной технологии являются использование коллоидного графитного порошка, который имеет более низкую активность при спекании и более крупный размер частиц по сравнению с сажей; длительность самого процесса приготовления смеси, который включает два этапа помола: в водной среде и в изопропиленовом спирте. После помола в жидких средах в процессе сушки карбида кремния и углеводородного связующего происходит разделение смеси: более тяжелый карбид кремния оседает, а легкая углеродная фракция поднимается вверх. Для формирования изделия сложной формы используют технологию подспекания изделия при высокой температуре с последующей механической обработкой, причем высокая температура пропитки (1800-2000°С) приводит к дополнительному росту зерна карбида кремния.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение прочности, износостойкости и срока службы антифрикционных карбидокремниевых изделий за счет получения мелкозернистой структуры, равномерно распределенной по всему объему изделия.

Поставленная задача достигается тем, что производят смешивание исходных компонентов, формирование из полученной шихты заготовок, их сушку, обжиг, пропитку кремнием и механическую обработку полученных карбидокремниевых заготовок. Для реализации способа используют шихту, включающую карбид кремния, углеродсодержащий компонент и связующее. Предлагаемый способ отличается от известного тем, что для достижения поставленной задачи в качестве углеродсодержащего компонента используют сажу с размерами частиц менее 0,1 мкм, а карбид кремния с размерами частиц 10 мкм и менее. В процессе мокрого помола и смешивания в исходные компоненты вводят поверхностно-активное вещество (ПАВ) - изопропиловый спирт в количестве 0,5-1,0% от объема водной среды, присутствующей при помоле, и стабилизатор. В качестве стабилизатора используют 10-20-процентный водный раствор целлюлозы, которую вводят за 15-20 минут до окончания помола в количестве 8-10% от объема жидкости при помоле. В высушенную после помола шихту добавляют временное связующее, например парафин, растворенный в бензине, в количестве 8-10% от массы шихты и прессуют из нее заготовки при давлении 400-500 кгс/см² с выдержкой не менее 1 мин. После этого заготовки обрабатывают в вакуумной электропечи при избыточном давлении и температурах 100, 200, 300 и 400°С последовательно, удаляя временное связующее. Реакционное спекание и пропитку заготовок расплавленным кремнием проводят в вакууме до 10^-3 мм рт.ст. при температуре 1500-1600°С.

Пример осуществления способа.

При осуществлении способа использовали карбид кремния марки М10 по ГОСТ 3647-71, а в качестве углеродсодержащего компонента использовали высокоактивную сажу (углерод технический по ГОСТ 7885-86 марок П245, П234 или П324 с высокими показателями дисперсности).

Помол и смешивание компонентов шихты производили в вибромельнице в течение 1 часа в водной среде с добавлением изопропилового спирта 0,5-1% от объема воды, который выполняет роль поверхностно-активного вещества (ПАВ), что позволяет устранить агрегирование мелкодисперсных частиц сажи и карбида кремния. За 20 мин до окончания помола и смешивания в вибромельницу (без ее остановки) вводили 10-20-процентный водный раствор целлюлозы в количестве 8-10% от объема присутствующей при помоле жидкости. Целлюлоза служит стабилизатором и предотвращает расслоение полученной суспензии в процессе ее сушки после выгрузки из вибромельницы. Сушка длится 5-6 часов при температуре 200-250°С. После сушки шихту протирают через сито. В гранулированную шихту вводят с перемешиванием временную связку - парафин, растворенный в бензине, в количестве 8-10% от общей ее массы. После введения в шихту парафина производят ее сушку при 100°С для удаления бензина и протирают через сито для получения гранулированного пресс-порошка.

Полученный пресс-порошок загружают в стальные пресс-формы и прессуют заготовки требуемых размеров и формы на гидравлических прессах с давлением 400-500 кгс/см² и с выдержкой 1-2 мин.

Заготовки с парафиновой связкой обладают достаточной прочностью и при необходимости их можно механически обработать на токарном и фрезерном станках. После этого из заготовок выжигают связку в вакуумной электропечи при избыточном давлении аргона, равном 0,3-0,5 кгс/см² и выдерживают по 2-4 ч (в зависимости от размеров изделия) при температурах 100, 200, 300 и 400°С последовательно. Заготовки приобретают равномерную по всему объему пористость.

Реакционное спекание заготовок проводят в вакуумной электропечи при 1500-1600°С в вакууме до 10^-3 мм рт.ст. с пропиткой расплавленным кремнием марки Кр0 в графитовом контейнере в течение 5-15 мин. За счет взаимодействия углерода сажи с кремнием по всему объему пористых заготовок образуется вторичный карбид кремния, цементирующий зерна первичного карбида кремния и заполняющий поры заготовок. Затем заготовки охлаждают вместе с печью до 700°С и выгружают. Готовые изделия получают путем шлифования заготовок алмазными кругами.

Карбидокремниевые изделия, изготовленные таким образом, имеют мелкозернистую структуру. Зерна карбида кремния равномерно расположены по всему объему изделий. Величина зерен в готовых изделиях не превышает их размеров в исходных материалах. Пористость изделий не превышает 1-2%.

1. Способ изготовления антифрикционных изделий из карбида кремния, включающий мокрый помол и смешивание карбида кремния с размером частиц менее 10 мкм и мелкодисперсного углеродсодержащего компонента, сушку, смешение с временным связующим, прессование заготовок и реакционное спекание в электрической печи с пропиткой кремнием, отличающийся тем, что в качестве мелкодисперсного углеродсодержащего компонента используют сажу с размерами частиц менее 0,1 мкм, в процессе мокрого помола вводят ПАВ и стабилизатор, в качестве временного связующего используют парафин, растворенный в бензине, заготовки прессуют при давлении 400-500 кгс/см² с выдержкой не менее 1 мин, а реакционное спекание заготовок осуществляют в вакууме до 10^-3 мм рт.ст. при температуре 1500-1600°С с пропиткой расплавленным кремнием.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве ПАВ используют изопропиловый спирт в количестве 0,5-1,0% от объема водной среды, присутствующей при помоле.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве стабилизатора добавляют 10-20%-ный водный раствор целлюлозы.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что 10-20%-ный раствор целлюлозы вводят за 15-20 мин до окончания помола - смешения шихты в количестве 8-10% от объема жидкости при помоле.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что связующее добавляют в количестве 8-10% от массы шихты.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что удаление временной связки производят в вакуумной электропечи при избыточном давлении, при температурах 100, 200, 300 и 400°С последовательно.