Углеродсодержащая композиция для получения силицированных изделий
Изобретение относится к области производства конструкционных изделий на основе углерода или графита, в частности силицированного графита. Композиция включает углерод в виде измельченного до размеров не более 200 мкм графита в количестве 10-80 мас.%, карбид кремния в количестве 10-60 мас.% и связующее остальное. Причем углерод и карбид кремния находятся в составе в обратно пропорциональной зависимости, а общая их доля в композиции находится в пределах 60-95 мас.%. Плотность полученного материала 2,92-3,08 г/см3, предел прочности при сжатии 4550-4970 кгс/см2. Изделие имеет повышенную коррозионную стойкость. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к области производства конструкционных изделий на основе углерода или графита, в частности силицированного графита, предназначенного для использования в опорных и упорных подшипниках, подшипниках скольжения, торцовых уплотнениях насосов, перекачивающих различные жидкости, в том числе с абразивными частицами, в производстве облицовочных плит в химическом и металлургическом производствах, в производстве стеклянных и минеральных волокон и т.д.
Известна композиция для получения силицированных огнеупорных изделий, включающая графит (3-35 мас.%), кремний (3,0-12,5 мас.%), карбид кремния (1,5-40 мас.%), кокс (20-30 мас.%), фенольное связующее остальное (авторское свидетельство СССР № 1072398).
Силицированный графит, полученный с использованием указанной композиции, имеет достаточно большую долю углеродной составляющей вследствие плохой силицируемости кокса, а в связи с этим и значительную долю свободного (непрореагировавшего) кремния, что усугубляется ранним введением в исходный состав свободного кремния. Значительное количество свободного кремния в конечном материале (до 25-30 мас.%) при использовании, например, материала в качестве облицовочных плит может приводить к его выпариванию из материала вследствие высокой упругости паров кремния, т.е. к появлению пористости и снижению прочности. Подобная картина имеет место при контакте с агрессивными расплавами, например жидким стеклом или базальтом.
Наиболее близким техническим решением является углеродсодержащая композиция для силицирования, взятая за прототип (заявка Великобритании № 1437178, 1976 г.), включающая углерод, карбид кремния и связующее.
Недостатком известного технического решения является то, что полученные на основе этой композиции изделия имеют низкую прочность, а также остаточную пористость, что снижает физико-механические характеристики изделий из этой композиции.
Задачей, решаемой настоящим изобретением, является повышение плотности, прочности и эрозионной стойкости изделий на базе предлагаемой композиции.
Поставленная задача решается тем, что композиция имеет следующий состав, мас.%:
| Углерод | 10-80 |
| Карбид кремния | 10-60 |
| Связующее | остальное |
При этом совокупная доля углерода и карбида кремния в составе композиции находится в пределах 60-95 мас.%, причем количество углерода и карбида кремния в композиции находятся в обратно пропорциональной зависимости. В качестве углерода используют измельченный графит с размерами частиц не более 200 мкм.
Карбид кремния, введенный в графитовую шихту, выполняет двойную функцию: заполняет мелкие поры, недоступные проникновению жидкому кремнию в процессе жидкофазной пропитки, во-вторых, частицы карбида кремния являются центрами кристаллизации вторичного карбида кремния, образующегося в процессе высокотемпературной пропитки углеродсодержащей основы.
Таким образом, шихта, состоящая из графитовой крошки и порошка карбида кремния, способствует получению после пропитки жидким кремнием плотных, прочных изделий, представляющих собой сплошную структуру, состоящую преимущественно из карбида кремния. При этом плотность конечных изделий по всему объему изделия выше 2,7 г/см3.
Изделия производят по следующей технологии: искусственный графит (отходы, брак по трещинам и сколам) предварительно дробят на куски размером от 5-10 до 30 мм, затем измельчают в молотковой дробилке, шаровой вибромельнице до размеров частиц не более 200 мкм и проводят смешение с порошком карбида кремния, дозируемым в работающую смесительную машину, куда затем добавляют связующее - фенолформальдегидную смолу или пек. Перемешивание шихты проводят в течение 1-2 часов.
Изделия прессуют в пресс-форме, нагретой до 60-90°С, при давлении 50-120 кгс/см2. Предварительную термообработку проводят в электропечи с рабочей температурой до 300°С, не снимая давления с пресс-формы, в течение 15-30 минут, после чего пресс-форму охлаждают и заготовку или деталь выпрессовывают. Обжиг проводят при 950-1100°С в коксовой засыпке в течение 24 часов.
Пропитку образцов жидким кремнием осуществляют в высокотемпературной вакуумной печи в вакууме не хуже 10 мм рт.ст. при температуре 1950°С в течение 15 минут с последующим охлаждением и разгрузкой печи.
В таблице 1 представлены опробованные составы композиций. В качестве связующего в примерах таблицы 1 использовали связующее фенольное порошкообразное (СФП). Аналогичные результаты имеют место при использовании пека, поэтому в таблице они не приводятся.
Некоторые физико-механические свойства полученных композиций после силицирования в сравнении с прототипом приведены в таблице 2.
Коррозионную стойкость силицированных изделий оценивали в среде NaOH при 80°С в течение 1000 часов по ГОСТ 13819-68.
Из таблицы 2 следует, что введение первичного карбида кремния по примерам 1-9 во всех случаях приводит к увеличению плотности по сравнению с прототипом, прочности и коррозионной стойкости, что связано с уменьшением в материале свободного кремния, который вымывается в среде щелочи, и увеличением доли карбида кремния.
Силицированные изделия на основе углеродсодержащей композиции, кроме перечисленного, могут быть использованы в качестве форсунок для распыления воздуха с абразивными частицами, горелок в термических газовых печах, протяжек при производстве проволоки и т.д.
| Таблица 1 | |||||||||
| Фракционный состав шихты | Состав шихты по примерам №, мас.% | ||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | |
| Графит | 15 | 25 | 45 | 50 | 55 | 60 | 70 | 65 | 50 |
| Карбид кремния | 80 | 70 | 45 | 30 | 35 | 25 | 15 | 20 | 25 |
| Связующее СФП | 5 | 5 | 10 | 20 | 10 | 15 | 15 | 15 | 25 |
| Таблица 2 | |||
| Состав шихты (пример №) | Плотность материала после пропитки, г/см3 | Предел прочности при сжатии, осж, кгс/см2 | Убыль веса за 1000 часов в 40%-ном NaOH при 80°С, % |
| 1 | 3,08 | 4970 | 0,16 |
| 2 | 3,04 | 4950 | 0,17 |
| 3 | 3,00 | 4850 | 0,19 |
| 4 | 2,95 | 4620 | 0,20 |
| 5 | 2,98 | 4750 | 0,20 |
| 6 | 2,94 | 4600 | 0,21 |
| 7 | 2,92 | 4580 | 0,21 |
| 8 | 2,96 | 4650 | 0,19 |
| 9 | 2,92 | 4550 | 0,22 |
| Прототип | 2,65 | 3590 | 0,41 |
1. Углеродсодержащая композиция для получения силицированных изделий, включающая углерод, карбид кремния и связующее, отличающаяся тем, что в качестве углерода используют измельченный графит с размерами частиц не более 200 мкм при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод - 10-80
карбид кремния - 10-60
связующее - остальное,
при этом совокупная доля углерода и карбида кремния в составе композиции находится в пределах 60-95 мас.%.
2. Углеродсодержащая композиция по п.1, отличающаяся тем, что количества углерода и карбида кремния в композиции находятся в обратно пропорциональной зависимости.
