Композиційний корозійно- і термостійкий електроізоляційний матеріал системи bn-b4c

Реферат: Композиційний корозійно- і термостійкий електроізоляційний матеріал системи BN-B4C містить нітрид бору BN і карбід бору В4С. Додатково містить карбід кремнію SiC, оксид кремнію SiO2 і нітрид кремнію Si3N4. UA 81192 U (12) UA 81192 U UA 81192 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Корисна модель належить до галузі порошкової металургії, а саме - до композиційних корозійно- і термостійких електроізоляційних матеріалів. Матеріал, що заявляється, може бути використаний в зварювальному виробництві, машинобудуванні, металургійній промисловості і електротехніці, тощо. Аналогом розробленому матеріалу може бути спечений матеріал на основі порошку нітриду бору BN після детонаційної обробки (Г.И. Саввакин, Т.В.Дубовик, Г.С.Олейник, А.И.Иценко, А.И.Стегний. Влияние детонационной обработки порошка графитоподобного нитрида бора на формирование керамики на его основе// Воздействие высоких давлений на материалы. Сборник научных трудов ИПМ АН Украины.-1993.-С.32-38) Пресовані заготовки порошку BN, який був активований детонаційною обробкою, були спечені в середовищі азоту при температурах в інтервалі 1200-1700 °C на протязі 1 години. Недоліком матеріалу аналогу, тобто спечених зразків нітриду бору після детонаційної обробки вихідного порошку, є низькі механічні властивості (міцність при стиску 30-42 МПа), а також недостатня термостійкість при нагріванні поверхні зразків до 2000 °C на протязі 20-40 сек. Як найближчий аналог був вибраний спечений матеріал на основі порошків нітриду бору BN і карбіду бору В4С, узятих в співвідношенні 1:1 по масі, отриманий пресуванням заготовок і їх реакційним спіканням в азоті при температурі 1800 °C. (Григорьев О.Н, Котенко В.А., Ляшенко В.И., Рогозинская А.А., Дубовик Т.В., Панашенко В.М., Черненко Л.И. Свойства спеченных керамических материалов на основе нитрида и карбида бора. // Порошковая металлургия.-2007.- №1/2.- С. 58-64). Встановлено, що в процесі реакційного спікання пресованих заготовок співвідношення вихідних компонентів BN і В4С змінюється в бік збільшення BN за рахунок азотування В4С і переходу його в нітрид бору BN і становить, мас %: нітрид бору BN 70 карбід бору В4С 30. Спечений матеріал має високе значення електроопору, діелектричних характеристик і термостійкості при охолодженні на повітрі в інтервалі від 1200 до 20 °C. Недоліком матеріалу найближчого аналогу є висока пористість (до 30 %), а також низькі значення механічної міцності і твердості. В основу корисної моделі "Композиційний корозійно- і термостійкий електроізоляційний матеріал системи BN-B4C " поставлена задача створити корозійно- і термостійкий матеріал з електроізоляційними властивостями і достатньо високими значеннями механічної міцності. Поставлена задача вирішується шляхом додавання до суміші порошків нітриду бору BN і карбіду бору В4С порошків карбіду кремнію SiC, оксиду кремнію SiO 2 і нітриду кремнію Si3N4 та дотриманням оптимального кількісного співвідношення компонентів, мас %: карбід бору В4С 9-11 карбід кремнію SiC 28-30 оксид кремнію SiO2 18-27 нітрид кремнію Si3N4 5-7 нітрид бору BN 27-38. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю суттєвих ознак корисної моделі і технічного результату є очевидним із нижченаведеного опису. Нітрид бору BN використовували як матеріал з високою корозійною і термічною стійкістю, електроізоляційними властивостями і задовільною механічною оброблюваністю. Карбід бору В4С і карбід кремнію SiC підвищують механічну міцність матеріалу, а також його корозійну стійкість. Добавки оксиду кремнію SіO2 і нітриду кремнію Sі3N4 активізують процес гарячого пресування, знижують його температуру і підвищують щільність і механічну міцність гарячепресованого матеріалу. Композиційний корозійно- і термостійкий електроізоляційний матеріал системи BN-B4C одержували методами порошкової металургії. Вихідні порошки: нітрид бору BN, карбід бору В4С, карбід кремнію SiC, оксид кремнію SіO2 і нітрид кремнію Sі3N4 змішували у відповідних співвідношеннях та одночасно розмелювали у планетарному млині в середовищі ацетону 6 годин. Суміші висушували в сушильній шафі, а потім просіювали через сито, середня величина частинок не перевищувала 3-8 мкм. Зразки отримували гарячим пресуванням в графітових пресформах в температурному інтервалі 1700-1900 °C при тиску 20 МПа, часі витримки при заданій температурі 15-30 хвилин до повної усадки. Пористість гарячепресованих зразків складала 8-15 %. Досліджували п'ять складів композиційного корозійно- і термостійкого електроізоляційного матеріалу системи BN-B4C, які одержували таким чином: Приклад 1. Порошки нітриду бору BN, карбіду бору В 4С, карбіду кремнію SiC, оксиду кремнію SіO2 і нітриду кремнію Si3N4 змішували та одночасно розмелювали у планетарному млині в середовищі ацетону 6 годин у співвідношенні, мас%: нітрид бору BN-24, карбід бору В4С 1 UA 81192 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 - 8, карбід кремнію SiC-31, оксид кремнію SіO2-29, нітрид кремнію Si3N4-8. Суміші висушували в сушильній шафі, а потім просіювали через сито, середня величина частинок не перевищувала 3-8 мкм. Зразки одержували гарячим пресуванням в графітовій пресформі при температурі 1700 °C, тиску 20 МПа, часі витримки при заданій температурі 15-30 хвилин до повної усадки. Пористість гарячепресованих зразків складала 8-10 %. Приклад 2. Порошки нітриду бору BN, карбіду бору В 4С, карбіду кремнію SiC, оксиду кремнію SiO2 і нітриду кремнію Si3N4 змішували та одночасно розмелювали у планетарному млині в середовищі ацетону 6 годин у співвідношенні, мас%: нітрид бору BN-27, карбід бору В4С - 9, карбід кремнію SiC-30, оксид кремнію SіO2-27, нітрид кремнію Si3N4-7. Суміші висушували в сушильній шафі, а потім просіювали через сито, " середня величина частинок не перевищувала 3-8 мкм. Зразки одержували гарячим пресуванням в графітовій пресформі при температурі 1800 °C, тиску 20 МПа, часі витримки при заданій температурі 15-30 хвилин до повної усадки. Пористість гарячепресованих зразків складала 8-12 %. Приклад 3. Порошки нітриду бору BN, карбіду бору В 4С, карбіду кремнію SiC, оксиду кремнію SiO2 і нітриду кремнію Si3N4 змішували та одночасно розмелювали у планетарному млині в середовищі ацетону 6 годин у співвідношенні, мас%: нітрид бору BN-33, карбід бору В4С - 10, карбід кремнію SiC-29, оксид кремнію SiО2-22, нітрид кремнію Sі3N4-6. Суміші висушували в сушильній шафі, а потім просіювали через сито, середня величина частинок не перевищувала 3-8 мкм. Зразки одержували гарячим пресуванням в графітовій пресформі при температурі 1800 °C, тиску 20 МПа, часі витримки при заданій температурі 15-30 хвилин до повної усадки. Пористість гарячепресованих зразків складала 8-12 %. Приклад 4. Порошки нітриду бору BN, карбіду бору В 4С, карбіду кремнію SiC, оксиду кремнію SiО2 і нітриду кремнію Si3N4 змішували та одночасно розмелювали у планетарному млині в середовищі ацетону 6 годин у співвідношенні, мас%: нітрид бору BN-38, карбід бору В4С - 11, карбід кремнію SiC-28, оксид кремнію SіO2-18, нітрид кремнію Si3N4-5. Суміші висушували в сушильній шафі, а потім просіювали через сито, середня величина частинок не перевищувала 3-8 мкм. Зразки одержували гарячим пресуванням в графітовій пресформі при температурі 1900 °C, тиску 20 МПа, часі витримки при заданій температурі 15-30 хвилин до повної усадки. Пористість гарячепресованих зразків складала 12-14 %. Приклад 5. Порошки нітриду бору BN, карбіду бору В 4С, карбіду кремнію SiC, оксиду кремнію SiO2 і нітриду кремнію Si3N4 змішували та одночасно розмелювали у планетарному млині в середовищі ацетону 6 годин у співвідношенні, мас%: нітрид бору BN-43, карбід бору В4С - 12, карбід кремнію SiC-27, оксид кремнію SіO2-14, нітрид кремнію Si3N4-4. Суміші висушували в сушильній шафі, а потім просіювали через сито, середня величина частинок не перевищувала 3-8 мкм. Зразки одержували гарячим пресуванням в графітовій пресформі при температурі 1900 °C, тиску 20 МПа, часі витримки при заданій температурі 15-30 хвилин до повної усадки. Пористість гарячепресованих зразків складала 11-15 %. На механічно оброблених (методами шліфування та полірування) гарячепресованих зразках розміром 3643 мм, 203, а також 1015 мм визначали фазовий склад, щільність, механічну міцність, твердість, термостійкість, електроопір, стійкість до окиснення і корозійну стійкість. Для проведення експлуатаційних випробувань в якості корозійностійких вставок в мідні сопла для зварювання були підготовлені гарячепресовані заготовки 4050 мм, з яких механічним оброблюванням були виготовлені фасонні зразки необхідної геометричної форми. В зв'язку з необхідністю порівняння властивостей матеріалу найближчого аналогу з тим, що заявляється, за значеннями міцності на згин, кількості теплозмін в інтервалі 1600-20 °C, стійкості до окиснення при 1100 °C на повітрі, корозійної стійкості в розплавах сталей 45, ШХ15 і Х25Т, а також працездатності в умовах експлуатації в якості вставок в мідні сопла для зварювання, автори провели додаткове дослідження. Для цього пресуванням і спіканням були отримані зразки необхідної форми за режимом, вказаним в найближчому аналозі. Дані по фізико-механічним властивостям матеріалу, який заявляється, і найближчого аналогу наведені в таблиці. Рентгенівський аналіз вихідних сумішей і гарячепресованих зразків проводили на дифрактометрі ДРОН-4 в Сока- випромінюванні. Обробку дифракційних кривих здійснювали за допомогою відповідних програм. Структуру зразків вивчали методом оптичної мікроскопії. Проведені рентгенівські і мікроскопічні дослідження фазового складу матеріалу, який заявляється, показали, що в умовах гарячого пресування при 1700-1900 °C нові фази не утворюються. Щільність вимірювали гідростатичним зважуванням. Випробування міцності на згин і стиск проводили на "Універсальній машині для механічних випробувань НДІ КІМП-12319-10". Об'ємний питомий електроопір заміряли на приладі "MOM". 2 UA 81192 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Термостійкість зразків визначали за кількістю теплозмін в інтервалі температур від 1600 до 20 °C на повітрі. Зразки вміщували в піч, нагріту до 1600 °C, витримували 20 хв. і охолоджували на повітрі до кімнатної температури. Цикли нагрівання і охолодження повторювали до появи першої тріщини на одному з 5 зразків кожного складу. Твердість за Віккерсом Нм визначали на універсальному приборі для вимірювання твердості металів і сплавів 2137 (ТУ Гб. 773.131.ПС) при навантаженні на індентор 4,5-50Н Окиснення досліджували при температурі 1100 °C на повітрі протягом 10,5 годин. Корозійні дослідження в розплавах сталей 45, ШХ15 і Х25Т проводили у вакуумі при температурі 1650-1700 °C на протязі 20 хв. Взаємодію на границі матеріал-розплав досліджували засобом растрової електронної мікроскопії в поєднанні з рентгеноспектральним мікроаналізом. Кут змочування заміряли засобом лежачої краплі. У вакуумі заміряли крайові кути змочування в системі матеріал-розплав. Встановлено, що матеріал, який заявляється, а також матеріал найближчого аналогу в контакті з розплавами сталей мають кути змочування більше 90°, а саме 115-132°, тобто цими сталями не змочуються і з ними не взаємодіють. Приведені в таблиці дані свідчать про те, що матеріал корисної моделі, який заявляється, має більш високі значення щільності, механічної міцності, термостійкості в інтервалі 1600-20 °C, твердості і стійкості до окиснення при температурі 1100 °C в порівнянні з матеріалом найближчого аналогу. При цьому корозійна стійкість в розплавах сталей, питомий електроопір і механічна оброблюваність знаходяться на однаковому рівні. Для визначення можливості використання матеріалу, який заявляється, в якості робочої частини мідних сопел зварювальних напівавтоматів, які працюють в середовищі вуглекислого газу, в порівнянні з матеріалом найближчого аналогу, були проведені експлуатаційні випробування у виробничих умовах. Оцінку несприйнятливості матеріалу робочої частини сопла до металу, який наплавляється, визначали по кількості налиплих бризків при витраті 1 кг металу в процесі зварювання. У цих умовах на мідне сопло налипає 5,2 г металу. У зв'язку з цим, через кожні 4-8 кг наплавленого металу мідне сопло вимагає зачищення від бризків. Випробування в цих же умовах сопла, в яке вставлена втулка з матеріалу, який заявляється (робоча частина сопла), показали повну несприйнятливість матеріалу до бризків наплавленого металу. Навіть через більше ніж 20 кг наплавленого металу внутрішня частина сопел залишалася чистою, що забезпечувало вільний доступ вуглекислого газу в зону зварювання, стабільність роботи і високу якість зварного шва. В тих же умовах були опробувані вставні втулки з матеріалу найближчого аналогу, отриманого пресуванням і спіканням. Виявилось, що внаслідок високої пористості і низької механічної міцності ці втулки розтріскувалися в процесі монтажу, або роботи через 2-4 кг наплавленого металу. Таким чином, в результаті проведених експлуатаційних досліджень було встановлено, що матеріал, що заявляється як корисна модель, є перспективним для використання в якості робочої частини мідних сопел зварювальних напівавтоматів, які працюють в середовищі вуглекислого газу. Також матеріал, який заявляється, був опробуваний в якості високотемпературних ізоляторів в електронних пушках для електронно-променевого зварювання. Було встановлено, що ізолятори з цього матеріалу витримали пробивну напругу 60 кВ без розтріскування при збереженні точної фокусировки і електроізоляційних властивостей на протязі десятків годин. Найбільш ефективні властивості матеріалу, який заявляється як корисна модель, виявляються в складах № 2-4 (таблиця) в інтервалі концентрацій компонентів, мас %: нітрид бору BN-27-38, карбід бору В4С -9-11, карбід кремнію SiC-28-30, оксид кремнію SiO2-18-27, нітрид кремнію Si3N4-5-7. Матеріал, що заявляється, може бути використаний в зварювальному виробництві в якості робочої частини мідних сопел зварювальних напівавтоматів і високотемпературних ізоляторів в електронних пушках для електронно-променевого зварювання, машинобудуванні, металургійній промисловості і електротехніці, як корозійно- і термостійкий електроізоляційний матеріал. 3 UA 81192 U Таблиця Склад та фізико-механічні і експлуатаційні властивості композиційного корозійно- і термостійкого електроізоляційного матеріалу системи BN-B4C в порівнянні з матеріалом найближчого аналогу Твердість, Окисненн HV, ГПа, при я Теплозмін Питом, навантажен (1100 °C, №№ Пористість и, 1600- електроопі ні, Н: 10,5 складі ,% 20 °C, р, Ом* см, годин, в повітря 20-1000 °C повітря), BN В4С SiC SiO2 Si3N4 згину стиску 4,5 50 Δр/S, 2 г/см 11 1 24 8 31 29 8 146 176 8-10 128 2,1*10 1,4 1,3 +0,0300 11 2 27 9 зо 27 7 161 180 8-12 132 2,3*10 1,4 1,3 +0,0310 11 3 33 10 29 22 6 161 180 10-13 137 2,7*10 1,35 1,3 +0,0300 11 4 38 11 28 18 5 152 172 12-14 140 3,2*10 1,3 1,2 +0,0340 11 5 43 12 27 14 4 134 164 11-15 136 3,2*10 1,3 1,15 +0,0385 Найближчий аналог 0,085 12 70 30 28 89 25-30 124 >10 +0,0750 (НМ) Склад матеріалу, мас% Міцність, МПа ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 Композиційний корозійно- і термостійкий електроізоляційний матеріал системи BN-B4C, що містить нітрид бору BN і карбід бору В4С, який відрізняється тим, що додатково містить карбід кремнію SiC, оксид кремнію SiO2 і нітрид кремнію Si3N4 при такому співвідношенні компонентів, мас. %: карбід бору В4С 9-11 карбід кремнію SiC 28-30 оксид кремнію SiO2 18-27 нітрид кремнію Si3N4 5-7 нітрид бору BN 27-38. Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4