состав для изготовления керамического материала

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.

Описание изобретения к патенту

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 - 2200^oC.

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 - 2175^oC. Температурный режим обработки материала длителен и составляет 5 - 7 ч, в том числе 2,5 ч при максимальной температуре 2175^oC, 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.