Состав для изготовления керамического материала

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к составам керамических материалов, применяемых в высокотемпературных печах и химических аппаратах в качестве огнеупорных электроизоляционных химически и износостойких деталей. Состав для изготовления керамического материала содержит в мас.%: нитрид бора 10-20; карбид кремния 73,5-82; титан 3-7; кремний 0,1-1. Состав готовят путем перемешивания с последующей пластификацией органическим связующим. Из полученной пластичной массы изготавливают изделия методом горячего прессования. Изобретение позволяет улучшить следующие характеристики: прочность на изгиб, твердость, при этом теплоемкость при 25°С составляет 577-601 Дж/кг°С; теплопроводность при 400°С - 6,4-8,0 Вт/м·К; стойкость к тепловому удару 25-29 циклов нагрева до 1400°С с последующим охлаждением в воду при 20°С. 1 табл.

 

Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано в производстве керамических плит для высокотемпературных печей и химических аппаратов, фильер и различных изделий, применяющихся в качестве огнеупорных, электроизоляционных, химически стойких и износостойких деталей, используемых в металлургии, энергетике и машиностроении.

Известен состав для изготовления огнеупорного материала, содержащий компоненты, масс.%: BN 2-70; SiC 10-49; B₄C 20-49, см. A.C. SU №349664, C 04 B 35/56, опубликовано в БИ №26 от 04.09.72 г.

Керамический материал, полученный из данного состава, может быть использован для облицовки металлургических печей, химических аппаратов и различных изделий, применяющихся в качестве огнеупорных или электроизоляционных деталей. Данный материал обладает прочностью при сжатии (53-124,5) МПа. Однако керамический материал на основе BN-SiC-В₄С химически нестоек при длительной работе на воздухе с расплавами силикатных материалов, в том числе базальта, из-за сравнительно большого содержания в своем составе карбида бора, а также обладает недостаточной стойкостью к тепловому удару (количество выдерживаемых циклов нагрева до 1600°С и охлаждения водой составляет 1-14).

Известен состав для изготовления огнеупорного материала, содержащий компоненты, масс.%: BN - 31-32; SiC - 18-25; В₂О₃ - 3-6; В₄С - остальное, см. А.С. SU №461918, С 04 В 35/56, С 22 С 29/00, опубликовано в БИ №8 от 28.02.75 г. Керамический материал, полученный из данного состава, стоек к тепловому удару (количество циклов нагрева до 1500°С с последующим охлаждением в воде превышает 40). Он может быть использован при изготовлении футеровочных плит для металлургических печей, химических аппаратов и фасонных изделий, применяющихся в качестве огнеупорных и электроизоляционных деталей в различных устройствах. Недостатком данного керамического материала является его неудовлетворительная химическая стойкость при контакте с расплавами силикатных материалов, в т.ч. и базальта в воздушной среде, из-за содержания в своем составе большого количества карбида бора.

Известен состав для изготовления огнеупорного и электроизоляционного материала, содержащий компоненты, масс.%: BN - 19-27; SiC - 40-60; В - 20-35; см. А.С. SU №461084, С 04 В 35/56, опубликовано в БИ №7 от 01.04.75 г. Керамический материал, полученный из данного состава, устойчив к тепловому удару (выдерживает более 30 циклов нагрева до 1500°С и последующего охлаждения водой) и может быть использован при изготовлении огнеупоров для футеровки металлургических печей или изготовлении фасонных изделий, применяемых в качестве огнеупорных электроизоляционных деталей в различных устройствах.

Данная керамика имеет тот же недостаток, что и предыдущая, - низкую химическую стойкость при контакте с расплавами силикатных материалов, в т.ч. и базальта, в воздушной среде из-за содержания в своем составе большого количества бора.

Известен состав для изготовления керамического термостойкого огнеупорного электроизоляционного материала с высокой стойкостью против окисления, содержащий компоненты, масс.%: BN - 20; SiC - 80, см. рекламный лист “Новые высокотемпературные электроизоляционные материалы”. Институт проблем материаловедения, АН УССР, Издательство “Реклама”, Киев, 1972 г.

Керамический материал данного состава устойчив к тепловому удару (выдерживает более 25 циклов нагрева до 1500°С и последующего охлаждения водой), предел прочности при 20°С на изгиб достигает 67 Н/мм², удельное сопротивление при 20°С составляет 3·10¹⁰ Ом·см, привес при окислении на воздухе при 1200°С в течение 6 часов не превышает 14,8 мг/см², максимальная рабочая температура достигает 2200°С. По нашим данным керамический материал имеет твердость (HRB)=78, теплоемкость при 25°С - 612 Дж/кг°С, теплопроводность при 400°С - 6,75 Вт/м·К, при контакте с расплавом базальта легко отделяется от него при остывании. Все это позволяет использовать данный материал в металлургии в качестве электроизоляционного и теплоизоляционного материала для изготовления устройств непрерывного литья, транспортировки расплавленных металлов (в частности, алюминия), расплавленных солей, а также при изготовлении фильер, футеровки печей, ванн, тиглей. Недостатком данного керамического материала является невысокая прочность при работе в воздушной среде с расплавами силикатных материалов, в т.ч. базальта и стекла.

Этот состав, как наиболее близкий по технической сущности и достигаемому техническому результату к заявляемому составу, выбран нами в качестве прототипа.

Настоящее изобретение решает задачу повышения прочности при длительной его работе на воздухе с расплавами силикатных материалов, в т.ч. с расплавами стекла и базальта, при сохранении на достаточно высоком уровне устойчивости к тепловому удару, твердости (износостойкости) и химической устойчивости огнеупорного керамического материала.

Технический результат, достигаемый с использованием заявляемого состава следующий, см. таблицу:

- получаемый методом горячего прессования шихты SiC-BN-Ti-Si керамический материал имеет однородную мелкозернистую структуру с размерами зерен, не превышающих размеры зерен исходных компонентов (<63 мкм) со сглаженной контактной межфазной границей;

- 6-6,5-часовая выдержка в воздушной среде образцов такого керамического материала в расплаве базальта при температуре (1350-1400)°С приводит к стабилизации структуры керамического материала. При этом не отмечается взаимодействия базальта с керамикой, последняя легко отделяется от базальта после остывания. Трещин и других дефектов на образцах керамики не обнаружено;

- прочность керамики на трехточечный изгиб достигает (78-105) Н/мм², для сравнения у прототипа она не превышает 67 Н/мм²;

- твердость керамики (HRB) осталась на том же уровне, что и у прототипа (60-90);

- теплоемкость керамического материала при 25°С составляет (577-601)Дж/кг°С и соизмерима с теплоемкостью прототипа - 612 Дж/кг°С;

- теплопроводность керамического материала при 400°С достигает значений (6,4-8,0)Вт/м·К и сравнима с теплопроводностью прототипа - 6,75 Вт/м·К.

Технический результат достигается тем, что известный состав, содержащий нитрид бора и карбид кремния, согласно изобретению дополнительно содержит титан и кремний при следующем соотношении компонентов, масс %: BN 10,0-20,0; SiC 73,5-82,0; Ti 3,0-7,0; Si 0,1-1,0.

Введение титана в состав шихты позволяет термоактивировать процесс спекания керамического материала и освободиться от свободного бора, имеющегося в небольших количествах в промышленном порошке нитрида бора, и малого количества свободного углерода, присутствующего в промышленном порошке карбида кремния, что приводит к снятию внутренних напряжений, залечиванию микротрещин в керамическом материале за счет повышения в целом подвижности системы BN-SiC-Ti-Si по сравнению с системой BN-SiC при горячем прессовании.

Одновременно при высокой температуре горячего прессования на поверхности контактирующих зерен исходной шихты идут не только процессы взаимодействия титана со свободными бором и углеродом, но также происходит его взаимодействие с остаточными газами воздушной среды (азотом и кислородом). Такое поверхностное взаимодействие придает керамическому материалу химическую устойчивость к дальнейшему воздействию окружающей среды. В результате введения титана в двойную композицию прототипа (SiC-BN) удается получить по сравнению с прототипом в одинаковых условиях горячего прессования менее пористый керамический материал.

Введение кремния в состав шихты позволяет повысить химическую устойчивость получаемого керамического материала к воздействию воздушной среды при высоких температурах за счет образования на поверхности тонкой защитной пленки диоксида кремния.

Все это в совокупности: добавление к составу - прототипу титана и кремния и выбранное соотношение компонентов позволило повысить прочность, сохранить химическую стойкость и износостойкость керамического материала при длительной работе с расплавами силикатных материалов, в т.ч. с расплавами базальта и стекла в воздушной среде.

Заявляемое техническое решение соответствует критерию “Новизна”, так как имеет отличительные признаки от прототипа, а именно: новые компоненты титан и кремний и новое соотношение инградиентов.

При проверке на соответствие критерию “Изобретательский уровень” не найдены составы, которые содержат отличительные признаки заявляемого изобретения: титан и кремний в указанных количествах, поэтому данное техническое решение соответствует критерию “Изобретательский уровень”.

Заявляемый состав изготавливают путем перемешивания в смесителе промышленных порошков требуемой гранулометрии и взятых в необходимом соотношении. После перемешивания получают шихту с равномерным распределением компонентов по ее объему. Такую шихту пластифицируют с помощью органического связующего и органического растворителя, получают пластичную полосу.

Полученная пластичная полоса закладывается в графитовую пресс-форму и осуществляется режим горячего прессования. По завершении горячего прессования пресс-форма охлаждается и разбирается, при этом извлекается готовый керамический материал.

Для подтверждения критерия "Промышленная применимость" из полученного таким способом керамического материала были изготовлены образцы для испытаний на прочность (прочность на трехточечный изгиб), стойкость к тепловому удару (количество циклов нагрева до 1400°С и последующего охлаждения в воде при 20°С), для изучения теплоемкости, теплопроводности, определения твердости (HRB) и для оценки в воздушной среде влияния на качество керамики времени ее пребывания в расплаве базальта при температуре (1350-1400)°С.

Пористость материала рассчитывали исходя из фактической плотности полученной керамики.

Экспериментальные данные приведены в таблице. Из приведенных данных (см. таблицу) видно, что по сравнению с прототипом прочность керамики на изгиб при одинаковой пористости по нашим данным увеличилась в 1,5 раза и составляет (78-105) Н/мм² (у прототипа - 67 Н/мм²), твердость (HRB) осталась на том же уровне и составляет 60-90 единиц, теплоемкость при 25°С достигла значений (577-601) Дж/кг°С, что сравнима с прототипом - 612 Дж/кг°С, теплопроводность при 400°С составляет (6,4-8,0) Вт/м·К и сравнима с теплопроводностью прототипа - 6,75 Вт/м·К, стойкость к тепловому удару осталась на том же уровне, что и прототипа (выдерживает 25-29 циклов нагрева до 1400°С и последующего охлаждения водой при 20°С).

Применение керамического материала, полученного из предложенного в заявке состава, позволяет значительно расширить области его использования в промышленности и прежде всего при производстве базальтовых и стеклянных нитей и волокон, а также изделий, работающих при высоких температурах в химических агрессивных средах.

Таблица Характеристики керамического материала
Керамика	Состав керамики. масс.%	Прочность на изгиб Н/мм2	Пористость, %	Твердость (HRB)	Термостойкость, циклы 1400°С - вода при 20°С	Теплоемкость, Дж/кг°С, при 25°С	Теплопроводность - Вт/м·К. при 400°С	Характеристика керамики после 6,5 часового пребывания в расплаве базальта при (1350-1400)°С на воздухе
SiC	BN	Ti	Si
Прототип	80	20	-	-	67	-	78	25	612	6,75	Отсутствие трещин, дефектов; легко отделяется от базальта
Заявляемая	73,9	19	7	0,1	78	18,1	-	26	-	-	Отсутствие трещин, дефектов: легко отделяется от базальта
Заявляемая	76	20	3	1	92	14,2	80	25	601	6,40	Отсутствие трещин, дефектов: легко отделяется от базальта
Заявляемая	73,5	19	7	0,5	101	12,5	60	29	577	8,00	Отсутствие трещин, дефектов; легко отделяется от базальта
Заявляемая	82	10	7	1	105	12,5	90	27	-	-	Отсутствие трещин, дефектов; легко отделяется от базальта

Состав для изготовления керамического материала, содержащий нитрид бора и карбид кремния, отличающийся тем, что он дополнительно содержит титан и кремний при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Нитрид бора 10,0-20,0

Карбид кремния 73,5-82,0

Титан 3,0-7,0

Кремний 0,1-1,0