RU2117066C1

RU2117066C1 - Silicon carbide based powder material

Info

Publication number: RU2117066C1
Application number: RU96123175A
Authority: RU
Inventors: Николай Филиппович Гадзыра
Original assignee: Николай Филиппович Гадзыра
Priority date: 1996-12-09
Filing date: 1996-12-09
Publication date: 1998-08-10

Abstract

FIELD: manufacture of constructional corrosion- and heat- resistant ceramics, and cutting tools. SUBSTANCE: silicon carbide based powder material consisting of cubic modification of silicon carbide and admixture of hexagonal polytype thereof comprises further comprises carbon dissolved in crystalline lattice of silicon carbide cubic modification of not higher than 1.5 wt % as well as nitride and oxynitride admixtures. Material comprises silicon oxide admixture, thus promoting more rapid thickening of material at early stages of preparation of ceramic products therefrom. EFFECT: improved properties of the powder material. 4 cl, 1 tbl

Description

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности, к порошкам карбида кремния, полученным методом синтеза, и может найти применение при изготовлении конструкционной, коррозионно-жаростойкой керамики, а также режущего инструмента. The invention relates to powder metallurgy, in particular, to silicon carbide powders obtained by the synthesis method, and may find application in the manufacture of structural, corrosion-resistant ceramics, as well as cutting tools.

Известен порошок карбида кремния, состоящий из кубической модификации и примеси гексагонального политипа. Порошок представляет собой хорошо ограненные частицы со средним размером 10 мкм. Known silicon carbide powder, consisting of cubic modifications and impurities of the hexagonal polytype. The powder is a well-faceted particle with an average size of 10 μm.

Недостатком известного порошка карбида кремния является то, что его частицы представляют собой кристаллы с совершенной структурой, что затрудняет процесс их спекания. На основе такого порошка возможно при его спекании получать поликристаллический материал с остаточной пористостью. Даже повышение степени обработки при спекании, например, методом горячего прессования до максимально возможных пределов (30-35 МПа, 1900-2100^oC) не позволяет получать плотный материал без остаточной пористости. Лишь только в присутствии активаторов (например, углерода, бора и т.п.), образующих жидкую фазу или способствующих прохождению диффузионных процессов в твердой фазе, формируется при спекании беспористая керамика. Синтезировать порошок карбида кремния с неравновесной структурой, вызванной растворением в его структуре углерода невозможно.A disadvantage of the known silicon carbide powder is that its particles are crystals with a perfect structure, which complicates the process of sintering. On the basis of such a powder, it is possible to obtain a polycrystalline material with residual porosity during sintering. Even increasing the degree of processing during sintering, for example, by hot pressing to the maximum possible limits (30-35 MPa, 1900-2100 ^o C) does not allow to obtain a dense material without residual porosity. Only in the presence of activators (for example, carbon, boron, etc.) that form the liquid phase or facilitate the passage of diffusion processes in the solid phase, porous ceramics are formed during sintering. It is impossible to synthesize silicon carbide powder with a nonequilibrium structure caused by dissolution of carbon in its structure.

В основу изобретения положена задача создать такой порошок карбида кремния, в котором путем частичного замещения кремниевых позиций растворенным углеродом в решетке кубической модификации достигается его метастабильное состояние, что позволяет получать плотную керамику с повышенными твердостью и вязкостью разрушения без введения активирующих процесс спекания добавок. The basis of the invention is the task of creating such a silicon carbide powder in which by partially replacing silicon positions with dissolved carbon in the cubic modification lattice, its metastable state is achieved, which makes it possible to obtain dense ceramics with increased hardness and fracture toughness without introducing additives that activate the sintering process.

Для решения задачи предложен такой порошковый материал на основе карбида кремния, состоящий из кубической модификации карбида кремния и примеси гексагонального его политипа, отличающийся тем, что он дополнительно содержит углерод, растворенный в кристаллической решетке кубической модификации карбида кремния не более 1,5 мас.%, а также примеси нитрида и оксинитрида кремния. Материал может содержать примесь оксида кремния, что способствует более быстрому уплотнению материала на ранних стадиях получения из него керамики. To solve the problem, such a powder material based on silicon carbide is proposed, consisting of a cubic modification of silicon carbide and an admixture of its hexagonal polytype, characterized in that it additionally contains carbon dissolved in the crystal lattice of a cubic modification of silicon carbide of not more than 1.5 wt.%, as well as impurities of silicon nitride and oxynitride. The material may contain an admixture of silicon oxide, which contributes to a more rapid compaction of the material in the early stages of obtaining ceramics from it.

Растворение углерода в решетке карбида кремния приводит к формированию пересыщенного твердого раствора замещения, характеризующегося своей нестабильностью при нагреве. Процесс его распада при нагреве сопровождается выделением из решетки карбида кремния сверхстехиометрического углерода, который выполняет роль активатора, способствующего прохождению диффузионных процессов в условиях спекания. Более того, наличие в порошке карбида кремния примеси нитрида кремния также выполняет роль активатора процесса его спекания. При нагреве нитрид кремния, находящийся как в аморфном, так и кристаллическом состояниях претерпевает существенные структурные превращения, связанные с его переходом в кристаллическое состояние и процессом сублимации. Объединение двух таких процессов как распад твердого раствора углерода в карбиде кремния и структурные перестройки примесного нитрида кремния при спекании синтезированного порошка карбида кремния приводит к формированию беспористого упрочненного материала. The dissolution of carbon in the silicon carbide lattice leads to the formation of a supersaturated substitutional solid solution, characterized by its instability upon heating. The process of its decay during heating is accompanied by the release of superstoichiometric carbon from the silicon carbide lattice, which acts as an activator that facilitates the passage of diffusion processes under sintering conditions. Moreover, the presence of silicon nitride impurities in the silicon carbide powder also acts as an activator of the sintering process. When heated, silicon nitride, which is in both amorphous and crystalline states, undergoes significant structural transformations associated with its transition to the crystalline state and the process of sublimation. The combination of two such processes as the decomposition of a solid solution of carbon in silicon carbide and structural rearrangements of impurity silicon nitride during sintering of the synthesized silicon carbide powder leads to the formation of a non-porous hardened material.

Пример
Одна весовая часть природного графита смешивалась с 2,5 весовыми частями кремния. Смешивание компонент осуществлялось в барабане с помощью металлических ершей. Приготовленную смесь спрессовывали в металлической пресс-форме до плотности 1,2 г/см³. Затем отпрессованный образец размещали на графитовой подставке в печи "Таммана" с графитовым нагревателем и нагревали до температуры 1300^oC в среде аргона. Синтезированный продукт содержал согласно выполненному рентгеноструктурному анализу две фазы: графит и β-SiC, а также следы фаз нитрида и оксинитрида кремния. Электрономикроскопические исследования выявили наличие примеси нитрида и оксинитрида кремния как в аморфном, так и кристаллическом состояниях. Очистку продукта от примеси графита проводили отжигом на воздухе при 700^oC. Затем выполнялась операция очистки порошкового материала на основе карбида кремния от примеси SiO₂, привнесенной отжигом, раствором 20% плавиковой кислоты (HF). После такой химической очистки порошковый материал отмывали дистиллированной водой и сушили в шкафу при 80^oC. Синтезированный таким способом порошковый материал на основе карбида кремния имеет средний размер зерен 0,1-0,3 мкм и удельную поверхность 13-15 м²/г. Растворенный углерод в решетке карбида кремния составляет 0,8 мас.%. Общее содержание примесей нитрида и оксинитрида кремния не превышает более 1,5%.Example
One part by weight of natural graphite was mixed with 2.5 parts by weight of silicon. The components were mixed in a drum using metal ruffles. The prepared mixture was pressed in a metal mold to a density of 1.2 g / cm ³ . Then, the pressed sample was placed on a graphite support in a Tamman furnace with a graphite heater and heated to a temperature of 1300 ^o C in argon. The synthesized product contained, according to the performed X-ray diffraction analysis, two phases: graphite and β-SiC, as well as traces of phases of silicon nitride and oxynitride. Electron microscopy studies revealed the presence of an impurity of silicon nitride and oxynitride in both amorphous and crystalline states. The product was cleaned of graphite impurities by annealing in air at 700 ^° C. Then, an operation was performed to purify silicon carbide-based powder material from SiO ₂ impurities introduced by annealing with a solution of 20% hydrofluoric acid (HF). After such chemical cleaning, the powder material was washed with distilled water and dried in a cabinet at 80 ^° C. The silicon carbide-based powder material synthesized in this way has an average grain size of 0.1-0.3 μm and a specific surface area of 13-15 m ² / g. The dissolved carbon in the silicon carbide lattice is 0.8 wt.%. The total content of impurities of nitride and silicon oxynitride does not exceed more than 1.5%.

Полученный порошок спекался в аппарате высокого давления (АВД) без использования каких-либо активирующих процесс спекания добавок. Для сравнения был изготовлен и испытан порошок карбида кремния по прототипу. Данные занесены в таблицу. The resulting powder was sintered in a high-pressure apparatus (AED) without the use of any additives that activate the sintering process. For comparison, a prototype silicon carbide powder was manufactured and tested. The data are listed in the table.

Таблица сравнительных характеристик материала, полученного спеканием в АВД из синтезированного заявителем порошкового материала на основе карбида кремния и прототипа. A table of comparative characteristics of a material obtained by sintering in an AED from a silicon carbide-based powder material and a prototype synthesized by the applicant.

Как показали испытания, (см. таблицу) спекание в АВД порошкового материала на основе карбида кремния приводит к формированию плотного беспористого материала с максимальными твердостью и вязкостью разрушения при содержании 0,7-0,9 мас.% растворенного углерода в решетке карбида кремния и общем содержании примесей нитрида и оксинитрида кремния 1,5%. Спекание порошка прототипа в АВД при том же режиме приводит к формированию поликристаллического материала с остаточной пористостью и значительно более низкими значениями твердости и вязкости разрушения. As tests have shown, (see table), sintering in silicon carbide powder material based on silicon carbide leads to the formation of a dense non-porous material with maximum hardness and fracture toughness with a content of 0.7-0.9 wt.% Dissolved carbon in the silicon carbide lattice and the total the content of impurities of nitride and silicon oxynitride of 1.5%. Sintering of the prototype powder in the AED under the same mode leads to the formation of a polycrystalline material with residual porosity and significantly lower values of hardness and fracture toughness.

Claims

1. Порошковый материал на основе карбида кремния, состоящий из кубической модификации карбида кремния и примеси его гексагонального политипа, отличающийся тем, что он дополнительно содержит углерод, растворенный в кристаллической решетке кубической модификации карбида кремния не более 1,5 мас.%, а также примеси нитрида и оксинитрида кремния. 1. A powder material based on silicon carbide, consisting of a cubic modification of silicon carbide and an impurity of its hexagonal polytype, characterized in that it additionally contains carbon dissolved in the crystal lattice of a cubic modification of silicon carbide of not more than 1.5 wt.%, As well as impurities silicon nitride and oxynitride.

2. Материал по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит примесь оксида кремния. 2. The material according to p. 1, characterized in that it further comprises an admixture of silicon oxide.