порошковый материал на основе карбида кремния

Формула изобретения

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.

2. Материал по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит примесь оксида кремния.

Описание изобретения к патенту

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.

Известен порошок карбида кремния, состоящий из кубической модификации и примеси гексагонального политипа. Порошок представляет собой хорошо ограненные частицы со средним размером 10 мкм.

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.

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.

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.

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.

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 -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%.

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.

Таблица сравнительных характеристик материала, полученного спеканием в АВД из синтезированного заявителем порошкового материала на основе карбида кремния и прототипа.

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.