Шихта для керамічного композиційного матеріалу

Винахід відноситься до галузі вогнетривких керамічних матеріалів і може бути використаний для виготовлення керамічних композиційних матеріалів на основі графітоподібного нітриду бору з використанням способів гарячого пресування або спікання. До шляхів вирішення проблеми підвищення щільності, міцності та корозійної стійкості матеріалів на основі графітоподібного нітриду бору, що важко спікаються, відноситься створення композиційних матеріалів. До складу таких матеріалів потрібно вводити компоненти, які в процесі виготовлення беруть участь в утворенні нових фаз, що активізують процеси ущільнення та спікання. Так, відомий вогнетривкий композиційний матеріал на основі нітриду бору та оксиду алюмінію, шихта якого містить 10-50% BN та 50-90% Аl2О3 [Заявка ЕПВ, №0262687, МПК4 С04В35/10, B22D11/14, опубл. 06.04.88.]. Такий матеріал має поліпшені властивості порівняно з керамікою з нітриду бору., але чистота порошку BN суттєво впливає на властивості керамічного композиту, тому процес гарячого пресування шихти такого матеріалу необхідно проводити в вакуумі або в атмосфері інертного газу, що ускладнює процес виготовлення композиту. Крім того, міцність такого матеріалу недостатньо висока (до 60МПа) та існує висока анізотропія властивостей в залежності від напрямку гарячого пресування. Відомий керамічний матеріал на основі нітриду бору, який отримують гарячим пресуванням порошкової суміші з графітоподібного нітриду бору та 1-70% одного або декількох оксидів з групи ZrO2, MgO, AI 2O3, SiO2. Для виготовлення цього композиційного матеріалу використовують порошки BN з вмістом кисню 6-10% [Патент DE №3510111, МПК4 С04В35/58, опубл. 25.09.86.]. Але такий матеріал має недостатньо високі механічні характеристики (міцність на згин до 77МПа, модуль Юнга до 54ГПа). За прототип прийнятий керамічний матеріал на основі нітриду бору, що містить оксидну композицію AI 2O3/SiO2, та тугоплавкий нітрид Si3N4 або AlN, решта - графітоподібний нітрид бору [Заявка РСТ №90/05122, МПК5 С04В35/58, опубл. 17.05.90.]. Такий керамічний матеріал може використовуватись для виготовлення захисних трубок термопар під час вимірювання температури в розплавах та в соплах установок безперервного лиття. Недоліком таких матеріалів є низька міцність (20-60МПа). В основу винаходу "Шихта для композиційного матеріалу" поставлено задачу вдосконалення шихти керамічного композиційного матеріалу на основі графітоподібного нітриду бору, в якому, завдяки певному складу порошкових інгредієнтів та їх співвідношенню у шихті забезпечується підвищення міцності. Для вирішення задачі запропонована шихта для керамічного композиційного матеріалу на основі графітоподібного нітриду бору, що містить оксидну композицію AI2O3/SiO2, та тугоплавкий нітрид Si3 N4 або AlN, яка згідно з винаходом, додатково містить оксид бору, а складові шихти взяті в такому співвідношенні, мас%: Оксидна композиція AI 2O3/SiO2 10-50 Тугоплавкий нітрид 5-20 Оксид бору 1-5 Графітоподібний нітрид бору решта. Порошки оксидів АІ 2О3, SiO2, беруть в співвідношенні по масі АІ 2О3¸SiO2=0,5¸1,5, а як тугоплавкий нітрид використовують нітрид кремнію або алюмінію (Si3N4 або AlN). Для підвищення гомогенності структури, розмір композиційних часток шихти не перевищує 1,2¸1,5мкм. Підвищити міцність керамічного матеріалу вдається завдяки тому, що порошки оксидів АІ 2О3, SiO2 в співвідношенні по масі АІ 2О3¸SiO2=0,5¸1,5 в присутності В2О3 та тугоплавкого нітриду створюють умови протікання реакції синтезу нових фаз алюмосилікату в процесі гарячого пресування або спікання композиту. Це призводить до значного зниження температури та тиску процесу. Введений оксид бору виконує подвійну роль: домішки, яка обумовлює спікання на низькотемпературній стадії гарячого пресування та домішки, яка є модифікатором в процесі синтезу алюмосилікатів. Співвідношення компонентів шихти та вміст в ній оксидів вибрано таким чином, щоб в процесі спікання утворилася дисперсна гомогенна структура композиційного матеріалу, в якій зерна нітриду бору були б рівномірно розташовані в зв'язуючій алюмосилікатній фазі. Така структура ще більш сприяє підвищенню фізико-механічних властивостей (міцності та модуля пружності). В запропонованому матеріалі досягають також таких корисних властивостей, як висока корозійна стійкість в окислювальному середовищі, оскільки зерна нітриду бору капсульовані в алюмосилікатній фазі та підвищена можливість до дисипації енергії при термоударі, чому сприяє сітка дисперсних часток нітриду бору. Високої гомогенності структури та, як наслідок, ще більшого підвищення міцності керамічного матеріалу на основі графітоподібного нітриду бору досягають, завдяки розміру порошкових композиційних часток, одержаних в процесі приготування шихти, наприклад, механо-хімічним змішуванням шихти перед операціями спікання або гарячого пресування. Експериментально доведено, що в процесі такого змішування проходить утворення композитних часток шихти, які являють собою частки нітриду бору з рівномірно нанесеними на них частками оксидів та нітридів. Співвідношення порошкових компонентів в композиційній частці відповідає складу шихти. Таким чином передбачене співвідношення компонентів шихти практично реалізується в мікрооб'ємах на рівні композиційних порошкових часток, середній розмір яких складає 1,2¸1,5мкм. Також експериментально доведено, що в умовах механо-хімічного змішування шихти в композитних частках проходить утворення центрів фазоутворення алюмосилікатів, що сприяє активації процесів синтезу нових фаз при зниженій температурі гарячого пресування або спікання. Це дає змогу отримати композиційний матеріал з підвищеною міцністю при використанні економічних технологічних режимів. Приклади. 1. Для виготовлення композиційного матеріалу була використана шихта з вмістом 63% порошку BN, 12% Аl2О3 та 18% SiO2, 5% Si3N4 та 2% В2О3. Шихта була піддана механо-хімічному змішуванню протягом 40 хвилин. Виготовлення композиційного матеріалу було виконано методом гарячого пресування в графітовій прес-формі за температури 1700 С та тиску 20МПа. Міцність визначали при випробуванні на трьохточковий згин прямокутних зразків розмірами 4´6´35мм, відстань між опорами становила 25мм, швидкість навантаження - 0,5мм/хв. Для випробування за температури 1200°С нагрів зразків виконували у вакуумі. Результати випробувань наведено в таблиці. Модуль пружності при стисканні визначали на прямокутних зразках розмірами 10´10´30мм з використанням фольгових тензорезисторів типу КФ-5. Модуль пружності композиційних матеріалів на основі графітоподібного нітриду становив 70-80ГПа. 2. Склад шихти, яка була використана для виготовлення зразків 2-5 наведена в таблиці. Зразки композиційного матеріалу виготовляли за технологічними параметрами приклада 1. Таблиця Приклади Склад шихти, % 1 2 3 4 5 6 Заявка РСТ 90/05122 7 Заявка РСТ 90/05122 8 Заявка РСТ 90/05122 BN Аl2 О3 SiO2 Si3N4 В2О3 BN Аl2 О3 SiO2 Si3N4 В2О3 BN Аl2 О3 SiO2 Si3N4 В2О3 BN Аl2 О3 SiO2 Si3N4 В2О3 BN Аl2 О3 SiO2 Si3N4 В2О3 BN Аl2 О3 SiO2 BN SiO2 AlN 63 12 18 5 2 58 12 18 10 2 63 12 18 5 2 63 12 18 5 0,5 66 12 18 2 2 70 10 20 70 22 8 BN Si6 Al2O13 95 5 Щільність, г/см3 Міцність Міцність при при 20°С, 1200°С, МПа МПа 2,05-2,2 110-120 110-120 2,1-2,2 110-120 120-140 2,0-2,1 100-110 50-60 1,8-1,9 50-60 50-60 2,0-2,1 100-110 1,8-1,9 40-50 1,95-2,0 50-60 1,8-1,9 40-50 40-50 Як видно з таблиці, зразки 1-5 з запропонованої шихти винаходу мають вищу щільність та міцність порівняно зі зразками прототипу 6-8. Це пояснюється активацією процесів синтезу сіалону та формуванням дисперсної гомогенної структури композиту. Зразки 1, 2, з вмістом В2О3 2%, мають більш високі значення міцності, які в інтервалі температур 20-1200°С практично не змінюються. Вміст В 2О3 в складі шихти нижче 1% (зразок 4), не достатній для виконання ролі спікаючої домішки та досягнення більш високої щільності та відповідно міцності композиційного матеріалу. Підвищення вмісту В2О3 в складі шихти до 5% і вище призводить до утворення алюмоборосилікатної склофази по границям зерен та, як наслідок, до зниження високотемпературної міцності. Зниження вмісту Si3N4 в складі шихти до 2% (зразок 5) також призводить до зниження міцності керамічного матеріалу. Кількість Si3N4 нижче 5% не достатня для утворення сіалону і керамічний матеріал містить муліт. Таким чином, використання винаходу, що заявлений, - шихти для композиційного керамічного матеріалу дає можливість підвищити міцність керамічного матеріалу майже на 50% у порівнянні з прототипом. Розроблені матеріали передбачається використовувати в якості вогнетривів і високотемпературних, тепло- та електроізоляційних, корозійно-стійких матеріалів для роботи в умовах зносу в середовищі розплавів кольорових і чорних металів. А саме, в установках безперервного розливу горизонтального типу, заглибних розливних стаканів, тиглів і прес-форм для відливки термостійких сплавів та скла і т. інш.