Состав для изготовления керамического материала



 

Использование: порошковая металлургия, изготовление особо твердых, износостойких материалов, в частности бронеэлементов. Сущность изобретения: состав содержит, мас.%: карбид бора 80 - 99 диборид титана 0,6 - 12 карбид титана 0,4 - 8 Компоненты измельчают до 3 - 10 мкм, смешивают и проводят горячее прессование. Технический результат: микротвердость 5100 - 6500 кгс/мм2; плотность после горячего прессования 2,53 - 2,82 г/см3, относительная плотность 99%; прочность на изгиб до 28 кгс/мм2. Бронеэлемент с использованием пластин толщиной 7,5 мм, приготовленный из заявляемого материала, выдерживает на прострел с расстояния 3,5 м действие стандартных боеприпасов автомата Калашникова калибра 7,62 мм, 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано для получения особо твердых и износостойких материалов, используемых в качестве элементов бронезащиты и индивидуальной защиты от стрелкового оружия, для изготовления сопл пескоструйных аппаратов, работающих в условиях интенсивного абразивного изнашивания и др.

Известен твердый термостойкий материал [1], приготовленный с использованием шихты, состоящей, например, из B4C, 90 - 99,8 мас.%, и Y2O3, 0,2 - 10 мас. %. Температура обжига шихты на основе карбида бора составляет 1800 - 2200oC.

Известен материал с высокими твердостью и прочностью [2], состоящий из карбида бора (B4C) и диборида титана (TiB2), имеющий размеры частиц, не более 0,5 мкм. Соотношение компонентов в данном материале следующее (мас.%): B4C 1 - 99; TiB2 1 - 99.

Данный материал был приготовлен авторами из более крупных порошков компонентов с размерами частиц 3 - 10 мкм. По нашим данным (см. таблицу) опыты 215, 217, 254, 269, 360, этот керамический материал имеет максимальную плотность 2,55 - 2,98 г/см3, высокую микротвердость 4700 - 5650 кгс/мм2. Данный керамический материал толщиной 8 мм в составе бронеэлемента выдерживает воздействие бронебойной пули калибра 7,62 БЗ автомата Калашникова (АКМ) с расстояния 3,5 м, но имеется случай пробития, см. опыт 254.

Существенным недостатком при изготовлении керамического материала B4C-TiB2 [2] является то, что для его изготовления необходимо использовать тонкодисперсные порошки карбида бора и диборида титана (0,5 мкм), получение которых представляет определенные технологические трудности.

Известен состав керамического материала, который качественно совпадает с заявляемым составом, имеет, см. примеры 1 - 6 [3], следующее соотношение компонентов, мас. % (в граммах из 800-граммовой массы шихты): B4C - 20,1 - 70,4 (160,8 - 563,2); TiB2 - 24,5 - 61,1 (196,0 - 488,8); TiC - 4,22 - 18,8 (33,6 - 150,4).

Этот материал [3] , приведенный в заявке EP N 0628525, C 04 B 35/56, принят нами в качестве прототипа, как наиболее близкий по технической сущности к заявляемому составу.

Недостатком прототипа является то, что для его изготовления используются мелкие порошки исходных компонент B4C и TiB2 и TiC 0,1 - 1,5 мкм, согласно табл. 1 [3]. Изготовление керамического материала производят при сравнительно высоких температурах 2100 - 2175oC. Температурный режим обработки материала длителен и составляет 5 - 7 ч, в том числе 2,5 ч при максимальной температуре 2175oC, см. пример 1, табл. 2 [3]. Полученный при таких условиях керамический материал имеет недостаточную микротвердость, 2580 - 3110 кгс/мм2, см. примеры 1 - 6, табл. 2 [3] и таблицу настоящего описания. Он также обладает большими весовыми характеристиками (имеет высокую максимальную плотность, что нежелательно, например, при изготовлении бронезащиты для человека и летательных аппаратов. Согласно примерам 1 - 6 заявки EP N 0628525, плотность керамического материала (при нулевой пористости) составляет 2,91 - 3,95 г/см3. Для сравнения, карбид бора имеет максимальную плотность 2,52 г/см3, диборид титана - 4,52 г/см3, карбид титана - 4,93 г/см3.

Настоящее изобретение решает задачу понижения максимальной плотности, повышения микротвердости и прочности керамического материала при упрощении технологии, путем использования более крупных технических (а следовательно, и дешевых) порошков карбида бора, диборида титана и карбида титана - фракций порошка, прошедших через сито с размером ячейки 63 мкм.

Технический результат, достигаемый с использованием заявляемого состава, см. таблицу, следующий: полученный керамический материал B4C-TiB2-TiC имеет высокую микротвердость 5100 - 6500 кгс/мм2; прочность на изгиб 21 - 28 кгс/мм2; относительная плотность керамического материала не менее 99 % от максимальной; минимальные весовые характеристики керамического материала (бронеэлемента), плотность керамики близка к плотности карбида бора и составляет 2,53 - 2,82 г/см3; для изготовления керамического материала используются порошки карбида бора, диборида, титана, карбида титана - фракции порошка, прошедшие через сито с размером ячейки 63 мкм пластины керамического материала B4C-TiB2-TiC толщиной 7,5 мм и более в бронеэлементе выдерживают на прострел с расстояния 3,5 м действие стандартных боеприпасов автомата Калашникова калибра 7,62 БЗ с расстояния 3,5 м, см. опыты 253, 286, 359, 361, 362, 363.

Для решения поставленной задачи в известном составе, содержащем карбид бора, диборид титана и карбид титана, согласно изобретению компоненты берутся в следующем соотношение, мас.%: B4C - 80 - 99; TiB2 - 0,6 - 12; TiC - 0,4 - 8, при этом средний размер частиц компонентов составляет 3 - 10 мкм. Максимальные размеры частиц не превышают 63 мкм.

Заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна", так как имеет отличительные признаки от прототипа, а именно новое соотношение компонентов и размера их частиц.

Данное техническое решение соответствует и критерию "изобретательский уровень", превосходит по техническому результату известные керамические материалы.

В результате правильно выбранных соотношений компонент шихты B4C-TiB2-TiC, имеющих размеры основной массы частиц 3 - 10 мкм, горячего прессования шихты получается керамический материал с однородной мелкозернистой структурой, см. фото, высокими микротвердостью 5100 - 6500 кгс/мм2, прочностью на изгиб 21 - 28 кгс/мм2, невысокой плотностью 2,53 - 2,82 г/см3, что составляет не менее 99 % от максимальной (теоретической).

На фото представлена микроструктура заявляемого керамического материала, где основная масса зерен материала имеет размеры, не превышающие 10 мкм с единичными зернами размером 40 - 60 мкм.

Для экспериментальной проверки характеристик заявляемого материала были проведены испытания бронеэлементов, изготовленных из данного материала, на пулевое воздействие с расстояния 3,5 м из автомата Калашникова (АКМ) калибра 7,62 стандартных боеприпасов, скорость пули 760 м/с. Результаты испытаний приведены в таблице.

Бронеэлементы были изготовлены на основе керамических пластин, полученных методом горячего прессования заявляемого материала. Толщина керамической пластины в бронеэлементе была 7,5 - 7,85 мм. Плотность керамики 2,53 - 2,82 г/см3, что составляло не менее 99 % от теоретически возможной (максимальной). Керамическая пластина была заключена в слоистую оболочку из высокомодульной органической ткани, пропитанной клеем на эпоксидном связующем.

При обследовании испытанных бронеэлементов установлено, что бронеэлементы не пробиты насквозь. Осколки пуль находятся внутри бронеэлемента, сердечники пуль разрушены на 70 - 95 мас.%, либо полностью, см. таблицу, опыты 253, 286, 359, 361, 362, 363. Для сравнения были также изготовлены бронеэлементы с керамической пластиной из чистого карбида см. опыты 59, 208, 119, бронеэлементы с керамической пластиной из карбида бора с диборидом титана, см. опыты 215, 217, 269, 360, 254 и бронеэлемент с керамической пластиной на основе карбида бора (50 мас.%), легированного 30 мас.% TiB2 и 20 мас.% TiC, см. опыт 364 (состав керамического материала близок к прототипу).

Бронеэлемент, изготовленный из чистого карбида бора, с размером основной массы частиц зерна 3 - 10 мкм, выдерживает на прострел с расстояния 3,5 м пулю 7,62 БЗ при толщине керамического слоя 8,05 - 9,9 мм, сам керамический материал имеет микротвердость 4800 - 4900 кгс/мм2, см. опыты 59, 208.

Бронеэлемент, изготовленный из того же карбида бора, легированного диборидом титана (размер частиц зерна 10 мкм), выдерживает на прострел с расстояния 3,5 м пулю 7,62 БЗ при толщине керамического слоя 7,5 - 8,0 мм, см. опыты 215, 217, 269, 360. Однако в данном интервале толщин наблюдается случай пробития керамической пластины, см. опыт 254. Во всех опытах с керамическим материалом на основе карбида бора, легированного диборидом титана, микротвердость материала составляла 4700 - 5650 кгс/мм2.

Бронеэлемент, изготовленный из того же карбида бора, легированного 30 мас.% TiB2 и 20 мас.% TiC (материал близок к прототипу) выдерживает на прострел с расстояния 3,5 м пулю 7,62 БЗ при толщине керамического слоя 7,6 мм, см. опыт 364. Данный керамический материал имеет микротвердость 5100 кгс/мм2, близкую микротвердости керамического материала из чистого карбида бора, 4800 - 4900 кгс/мм2, имеет сравнительно высокую плотность - 3,23 г/см3, что выше, чем у чистого карбида бора - 2,52 г/см3.

Изготовление бронеэлемента с керамической пластиной заявляемого состава позволяет уменьшить толщину керамического слоя до 7,5 - 7,85 мм, см. опыты 253, 286, 359, 361, 362, 363, и случаев пробития керамики не наблюдалось. Микротвердость заявляемого материала значительно выше, чем микротвердость материалов из чистого карбида бора, карбида бора, легированного диборидом титана и карбида бора, легированного одновременно карбидом и бидоридом титана - прототипа, и составляет 5100 - 6500 кгс/мм2. Плотность заявляемого керамического материала составляет 2,53 - 2,82 г/см3, что меньше плотности материала - прототипа (2,91 - 3,95 г/см3).

Полученные результаты испытаний бронеэлементов на прострел пулей 7,62 БЗ с расстояния 3,5 м позволяют заключить, что керамический материал, приготовленный из заявляемого состава, надежен в работе и может быть использован как средство защиты от стрелкового оружия (для изготовления легких бронежилетов). Поскольку заявляемый материал обладает высокими техническими характеристиками: микротвердостью до 6500 кгс/мм2, прочностью на изгиб до 28 кгс/мм2, то его можно использовать в областях техники, где требуются твердые и износостойкие материалы.

Формула изобретения

Состав для изготовления керамического материала, содержащий карбид бора, диборид титана и карбид титана, отличающийся тем, что содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: B4C 80 - 99; TiB2 0,6 - 12; TiC 0,4 - 8, при этом средний размер частиц компонентов составляет 3 - 10 мкм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к неорганическим материалам и может быть использовано в огнеупорной промышленности, металлургии, двигателестроении, энергетике, в частности, для изделий, работающих при высоких температурах и нагрузках на воздухе или в контакте с агрессивными средами, а также при ударных нагрузках

Изобретение относится к способам получения керамических антифрикционных изделий, используемых для изготовления подшипников скольжения, способных работать на воздухе без смазки в паре со сталью или керамикой, а также втулок, толкателей, пальцев и т.д

Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано для получения особо твердых, износостойких, с высокой прочностью керамических материалов, используемых в качестве элементов бронезащиты, средств индивидуальной защиты от стрелкового оружия, для изготовления пескоструйных аппаратов, работающих в условиях интенсивного абразивного изнашивания, для защиты от нейтронного излучения в стенке атомного реактора и др
Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано для изготовления вкладышей из карбида бора для работы в качестве поглотителей нейтронов в стержнях СУЗ атомных реакторов, например в реакторах БОР-60 и БН-600

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к синтезу сверхтвердого материала на основе карбида бора, который может быть использован в металлографии, при финишной металлообработке, для производства керамической брони, а также в авиакосмической технике

Изобретение относится к области машиностроительной керамики, в частности к износостойкому высокотвердому трещиностойкому керамическому материалу на основе карбида бора с относительной плотностью не менее 98% и способу его получения, который может быть использован для изготовления керамических изделий, применяемых в качестве элементов аппаратов, работающих в условиях ударных воздействий и интенсивного абразивного изнашивания, например абразивоструйных сопел

Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано для получения особо твердых и износостойких материалов, например, для элементов бронезащиты и индивидуальной защиты от стрелкового оружия и осколков боеприпасов
Изобретение относится к нанотехнологиям и предназначено для получения высокопрочной трубчатой или комбинированной нити, пленки или ленты (разница только в ширине) нанотолщины из тройной структуры бор-углерод-кремний B-C-Si (насколько мне известно, оно не имеет названия, поэтому далее будем называть его, а точнее - наноизделия из него - «старброн»)

Изобретение относится к композиционному материалу, содержащему частицы алмаза карбида бора и карбида кремния, и может быть использовано в качестве брони, инструментов для резки, сверления и механической обработки, а также в применениях, где происходит абразивный износ. Композиционный материал обладает пористостью, равной менее 2 об.%. Средний размер частиц алмаза отличается не более чем на 50 мкм от среднего размера частиц карбида бора. Способ изготовления таких материалов включает нанесение на множество частиц алмаза покрытия из карбида бора, объединение множества частиц алмаза с образованием сырца и нагревание сырца в контакте с расплавом кремния до температуры в диапазоне от примерно 1200 до примерно 2000°С при воздействии давления или вакуума, не превышающего примерно 2000 МПа. Технический результат изобретения - улучшение прочности, твёрдости, ударной вязкости материала и его стойкости к истирающему воздействию. 4 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 пр., 4 ил.

Изобретение относится к области керамического материаловедения, в частности к технологии получения нанокерамики. Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение энергозатрат, исключение применения различных активаторов спекания, повышение физико-механических свойств получаемого материала. Способ получения керамических материалов включает размол и высокоэнергетическое перемешивание исходных реагентов в высокоэнергетической шаровой планетарной мельнице мелющими шарами в атмосфере аргона и последующий одновременный синтез-спекание реакционной смеси Si/C, или B/C или Si/B/C. Размол и перемешивание проводят при соотношении массы шаров и исходных порошков (20:1)-(40:1), при скорости вращения шаровой мельницы 694-900 об/мин и продолжительности обработки до 15 минут, а процесс совмещения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и искрового плазменного спекания (СВС+ИПС), т.е. одновременный синтез-спекание реакционной смеси, осуществляют на установке искрового плазменного спекания, для этого реакционную смесь помещают в графитовую цилиндрическую пресс-форму, фиксируют ее между электродами, являющимися одновременно пуансонами пресса, помещают пресс-форму в камеру, в камере создают вакуум или атмосферу инертного газа и через спекаемый образец пропускают импульсный электрический ток 1000-5000 А под нагрузкой до 50-90 МПа. Продолжительность процесса 5-10 минут. 4 пр., 2 ил.

Изобретение относится к области технической керамики, в частности к наноструктурированному композиционному материалу на основе реакционноспеченного карбида бора (В4С), имеющему высокие параметры прочности, твердости, модуля упругости и удельной жесткости в сочетании с низким значением плотности, предназначенному для создания легких керамических бронеэлементов в составе конструкций брони с высокой степенью защиты, а также для изготовления износостойких изделий. Предложен наноструктурированный композиционный материал, включающий матрицу, состоящую из равномерно распределенных фаз карбида кремния, кремния и твердого раствора бора и углерода в кремнии, и не менее 65 об.% упрочняющего наполнителя из зерен карбида бора, поверхности которых практически полностью окружены матрицей и не подвергались воздействию расплава кремния в процессе пропитки, в котором фаза карбида кремния представлена зернами, более 90 % которых является субмикронными и наноразмерными. Способ получения указанного материала включает стадии смешивания исходных порошков карбида бора двух или более фракций со средним размером зерна самой крупнозернистой фракции, не превышающим 120 мкм, и источника углерода в виде органического временного связующего и наноразмерного технического углерода с удельной поверхностью не менее 100 м2/г и зольностью не более 0,05 мас.%; формования полученной смеси; карбонизации органического связующего и пропитки пористой заготовки расплавом кремния, содержащим дополнительно элементы бор и, возможно, углерод. Процесс пропитки заготовок расплавом кремния осуществляют в диапазоне температур 1450-1500°C. Соотношение средних размеров исходных зерен карбида бора трех фракций составляет 14:6:1, при соотношении их объемных содержаний, соответственно, не менее 3,5:1,0:1,5. Указанный материал имеет модуль упругости не менее 400 ГПа, прочность не менее 280 МПа, удельную жесткость не менее 15,1×106 м. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 7 пр., 1 табл., 2 ил.
© Патентный поиск, поиск патентов на изобретения - FindPatent.RU 2012-2024
Политика конфиденциальности 2013-03-20T03:18:48
Наверх