RU2151126C1 - Constructional material - Google Patents

Abstract

FIELD: building materials industry, composite materials, more specifically diamond- containing composite materials in structures for various purpose where combination of high modulus of elasticity, heat conduction, low density and other physico-mechanical properties is required. SUBSTANCE: invention makes it possible to prepare material composed of 20-60 wt % of diamond crystals located in matrix comprising 3-7 wt % of silicon carbide and 1-40 vol % of silicon having high physico-mechanical and heat physical properties. Said material is cheaper than well known materials and is more technologically effective. Material has elasticity modulus E=500-700 GPa, heat conduction coefficient λ=180-250 W/mK, specific rigidity H=15-20•10⁶ m, density d=3200-3400 kg/cubic m. EFFECT: improved properties of the constructional material. 1 tbl

Description

Изобретение относится к композиционным материалам, а точнее к алмазосодержащим композитам, и может быть использовано в конструкциях различного назначения, где необходимо сочетание высокого модуля упругости, теплопроводности, малой плотности и других физико-химических и физико-механических свойств. The invention relates to composite materials, and more specifically to diamond-containing composites, and can be used in structures for various purposes, where a combination of a high modulus of elasticity, thermal conductivity, low density and other physico-chemical and physico-mechanical properties is required.

Известны материалы, обладающие уникальным сочетанием перечисленных свойств, в частности бериллий [1]. Заготовки из бериллия, полученные ковкой и штамповкой с хорошо продеформированной при обработке структурой, обладают небольшой анизотропией и достаточно высокими механическими свойствами. Сочетание высокого модуля упругости, теплопроводности и теплоемкости, малой плотности и других характеристик обусловили применение бериллия в ряде прецизионных изделий и приборов. Known materials having a unique combination of these properties, in particular beryllium [1]. Beryllium blanks obtained by forging and stamping with a well-deformed structure during processing possess small anisotropy and fairly high mechanical properties. The combination of a high modulus of elasticity, thermal conductivity and heat capacity, low density and other characteristics led to the use of beryllium in a number of precision products and devices.

Высокая стоимость и токсичность бериллия сдерживают его широкое применение как конструкционного материала. The high cost and toxicity of beryllium inhibit its widespread use as a structural material.

Известны бескислородные керамики, в частности карбидная [2], по свойствам не уступающая бериллию и включающая карбид кремния и кремний с содержанием карбида кремния до 95 об.%. Керамические изделия конструкционного назначения из карбидной керамики получают реакционным или активированным спеканием порошковых заготовок, а также горячим или изостатическим прессованием, обеспечивающими получение практически беспористых материалов, механическая обработка которых обеспечивает высокую точность и качество рабочих поверхностей. Однако механические и теплофизические свойства карбидокремниевой керамики оказываются относительно низкими. Oxygen-free ceramics are known, in particular carbide ceramics [2], whose properties are not inferior to beryllium and include silicon carbide and silicon with a silicon carbide content of up to 95 vol%. Ceramics for structural purposes from carbide ceramics are obtained by reactive or activated sintering of powder billets, as well as by hot or isostatic pressing, providing almost non-porous materials, the mechanical processing of which ensures high accuracy and quality of work surfaces. However, the mechanical and thermophysical properties of silicon carbide ceramics are relatively low.

В качестве наиболее близкого решения к заявляемому может быть выбран материал, полученный способом, описанным в патенте США N 4167399, C 04 B 35/56. Известный материал получают путем горячего прессования при температурах, находящихся в интервале от температуры расплавления кремния до 1600^oC, и давлении, достаточном для проникновения кремния в пустоты между зернами алмаза. При горячем прессовании менее 5 об.% алмаза превращается в другие модификации углерода. В результате пропитки и взаимодействия с кремнием образуется материал, содержащий зерна алмаза, расположенные в матрице из кремния и карбида кремния, причем количество кремния составляет 5-35 об.%, а карбида кремния - 2-30 об.%. Известное решение позволяет получить только детали простых форм и малых объемов, как правило, протяженностью и высотой около 5-10 мм в виде правильных цилиндров. Указанное ограничивает применение известного материала в качестве конструкционного.As the closest solution to the claimed can be selected material obtained by the method described in US patent N 4167399, C 04 B 35/56. Known material is obtained by hot pressing at temperatures in the range from the melting temperature of silicon to 1600 ^o C, and a pressure sufficient for penetration of silicon into the voids between the grains of diamond. When hot pressed, less than 5 vol.% Diamond is converted into other carbon modifications. As a result of impregnation and interaction with silicon, a material is formed containing diamond grains located in a matrix of silicon and silicon carbide, the amount of silicon being 5-35 vol.%, And silicon carbide 2-30 vol.%. The known solution allows you to get only parts of simple shapes and small volumes, usually with a length and height of about 5-10 mm in the form of regular cylinders. The above limits the use of known material as structural.

Задачей заявляемого изобретения является создание материала широкого применения, обладающего комплексом высоких физико-механических и теплофизических свойств, более дешевого по сравнению с известными материалами как содержащего меньшее количество зерен алмаза и более технологичного. The objective of the invention is the creation of a material of wide use, with a complex of high physical, mechanical and thermophysical properties, cheaper compared to known materials as containing fewer diamond grains and more technologically advanced.

Технический результат достигается тем, что конструкционный материал, содержащий зерна алмаза, кремний и карбид кремния, указанные компоненты содержит в следующем соотношении: зерна алмаза - 20-60 об.%, карбид кремния - 3-70 об.%, кремний - 1-40 об.%. The technical result is achieved in that the structural material containing diamond grains, silicon and silicon carbide, these components contains in the following ratio: diamond grains - 20-60 vol.%, Silicon carbide - 3-70 vol.%, Silicon - 1-40 about.%.

Заявляемый материал получают способом, включающим следующие стадии. The inventive material is obtained by a method comprising the following steps.

1. Формование пористой заготовки из алмазосодержащей шихты. 1. The formation of a porous workpiece from a diamond-containing mixture.

2. Термообработкa полученной заготовки для образования полуфабриката, содержащего алмаз и углерод. 2. Heat treatment of the obtained billet to form a semi-finished product containing diamond and carbon.

3. Пропиткa полученного полуфабриката расплавленным кремнием. 3. Impregnation of the resulting semi-finished product with molten silicon.

При этом технология получения материала обеспечивает его получение в виде изделий заданной формы. Moreover, the technology of obtaining the material ensures its receipt in the form of products of a given shape.

Формование заготовки осуществляют из смеси алмазных зерен размером не менее 1 мкм, при этом формуют заготовку с пористостью 30-60 об.% из алмазных зерен одного размера или смеси алмазных зерен разных размеров. Содержание зерен алмаза в заготовке - не менее 95 мас.%. The preform is formed from a mixture of diamond grains with a size of at least 1 μm, and a preform with a porosity of 30-60 vol.% Is formed from diamond grains of the same size or a mixture of diamond grains of different sizes. The content of diamond grains in the workpiece is not less than 95 wt.%.

Формование заготовки осуществляют известными способами, такими как прессование, шликерное литье, шликерный налив с использованием известного оборудования [3], со связующим и без него. The preform is formed by known methods, such as pressing, slip casting, slip filling using known equipment [3], with and without a binder.

Стадию термообработки осуществляют до уменьшения массового содержания алмазных зерен в заготовке на не более чем 50 мас.%. Это возможно реализовать двумя путями:
1) путем выдержки заготовки в среде газообразного углеводорода или углеводородов при повышенной температуре, например природного газа при t = 750-950^oC, или по крайней мере одного из газов, выбранного из группы, содержащей ацетилен, метан, этан, пропан, пентан, гексан, бензол и их производные при t = 510-1200^oC. При использовании газообразных углеводородов термообработку целесообразно проводить до уменьшения концентрации зерен алмаза в заготовке на не более чем 25 мас.%;
2) путем термообработки в инертной среде, например в вакууме или в среде инертного газа при t = 1000-1700^oC.The heat treatment step is carried out until the mass content of diamond grains in the workpiece is reduced by no more than 50 wt.%. This can be implemented in two ways:
1) by holding the workpiece in an atmosphere of gaseous hydrocarbon or hydrocarbons at an elevated temperature, for example natural gas at t = 750-950 ^o C, or at least one of the gases selected from the group consisting of acetylene, methane, ethane, propane, pentane, hexane, benzene and their derivatives at t = 510-1200 ^o C. When using gaseous hydrocarbons, it is advisable to heat treatment to reduce the concentration of diamond grains in the workpiece by no more than 25 wt.%;
2) by heat treatment in an inert medium, for example in a vacuum or in an inert gas medium at t = 1000-1700 ^o C.

Независимо от того, каким из указанных методов осуществлена термообработка заготовки, конечной стадией процесса является пропитка полученного полуфабриката расплавленным кремнием. Указанную пропитку осуществляют известными методами, например путем расплавления кремния на поверхности полуфабриката или подачей уже расплавленного кремния на поверхность полуфабриката или погружением последнего в расплав кремния. На этой стадии происходит взаимодействие кремния с имеющимся в составе полуфабриката углеродом с образованием карбида кремния. Карбид кремния, а также не вступивший в химическое взаимодействие кремний образуют матрицу композиционного материала. Regardless of which of the above methods, the billet was heat treated, the final stage of the process is the impregnation of the obtained semi-finished product with molten silicon. The specified impregnation is carried out by known methods, for example, by melting silicon on the surface of the semi-finished product or by supplying already molten silicon to the surface of the semi-finished product or by immersing the latter in a silicon melt. At this stage, silicon interacts with the carbon present in the semi-finished product to form silicon carbide. Silicon carbide, as well as silicon that has not entered into chemical interaction, form a matrix of the composite material.

Содержание указанных компонентов в материале является оптимальным. Уменьшение концентрации алмаза менее 20 об.%, а также увеличение содержания в нем кремния более 40 об.% нецелесообразно, т.к. это приводит к ухудшению механических и теплофизических свойств. Повышение концентрации алмаза выше 60 об. % затрудняет получение материала: на стадии пропитки полуфабриката расплавленным кремнием возникают дефекты, существенно ухудшающие комплекс свойств. The content of these components in the material is optimal. A decrease in the diamond concentration of less than 20 vol.%, As well as an increase in the silicon content in it of more than 40 vol.%, Is impractical because this leads to a deterioration of mechanical and thermophysical properties. Increased diamond concentration above 60 vol. % makes it difficult to obtain material: at the stage of impregnation of the semifinished product with molten silicon, defects arise that significantly worsen the set of properties.

Свойства заявляемого материала определялись по следующим методикам. The properties of the claimed material were determined by the following methods.

1. Плотность d определяли гидростатическим методом. 1. Density d was determined by the hydrostatic method.

2. Модуль упрутости E определяли динамическим методом по скорости распространения звуковых волн. 2. The modulus of elasticity E was determined dynamically by the speed of propagation of sound waves.

3. Коэффициент теплопроводности λ определяли на λ -калориметре. 3. The thermal conductivity coefficient λ was determined on a λ-calorimeter.

4. Удельную жесткость H рассчитывали по соотношению
H = E/(d • g),
где E - динамический модуль упругости, ГПа;
d - плотность, кг/м³;
g = 9,81 м/с² - ускорение свободного падения.4. The specific stiffness H was calculated by the ratio
H = E / (d • g),
where E is the dynamic modulus of elasticity, GPa;
d is the density, kg / m ³ ;
g = 9.81 m / s ² - acceleration of gravity.

Свойства заявляемого материала (различных составов) представлены в таблице. The properties of the claimed material (various compositions) are presented in the table.

Из таблицы видно, что заявляемый материал обладает комплексом высоких механических и теплофизических свойств, что позволяет расширить диапазон его применения, в частности использовать его для изготовления прецизионных приборов и устройств. The table shows that the claimed material has a complex of high mechanical and thermophysical properties, which allows to expand the range of its application, in particular, to use it for the manufacture of precision instruments and devices.

Несомненным достоинством материала является его технологичность и возможность поучения из него изделий объемом более 10 мм³ заданной формы, требующих минимальной механической обработки.The undoubted advantage of the material is its manufacturability and the possibility of learning from it products with a volume of more than 10 mm ^{3 of a} given shape, requiring minimal machining.

Следует отметить, что полученный материал отличается высокой твердостью и износостойкостью и может быть использован в условиях интенсивного абразивного износа. It should be noted that the resulting material is characterized by high hardness and wear resistance and can be used in conditions of intense abrasive wear.

Источники информации
1. Бериллий. Наука и технология.- М.: Металлургия, 1984, с. 527-530.Sources of information
1. Beryllium. Science and Technology.- M.: Metallurgy, 1984, p. 527-530.

2. Гнесин Г. Г. Бескислородные керамические материалы.- Киев: Техника, 1967, с. 139-142. 2. Gnesin G. G. Oxygen-free ceramic materials. - Kiev: Technique, 1967, p. 139-142.

3. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической промышленности. - М.: Химия, 1971. 3. Kasatkin A.G. The main processes and apparatuses of the chemical industry. - M.: Chemistry, 1971.

Claims (1)

Конструкционный материал, содержащий зерна алмаза в матрице, образованной карбидом кремния и кремнием, отличающийся тем, что он содержит указанные компоненты в следующем соотношении, об.%:
Зерна алмаза - 20 - 60
Кремний - 1 - 40
Карбид кремния - 3 - 70рA structural material containing diamond grains in a matrix formed by silicon carbide and silicon, characterized in that it contains these components in the following ratio, vol.%:
Diamond Grains - 20 - 60
Silicon - 1 - 40
Silicon Carbide - 3 - 70r

Images