NO121088B - - Google Patents

Description

Slipemateriale.

Denne oppfinnelse angår et materiale særlig egnet som slipemiddel og særlig angår den et materiale omfattende en fast oppløsning av bor, og nitrogen i 8-silisiumkarbid og en fremgangsmåte til fremstilling av materialet.

I slipemiddelfaget er det en stadig søking etter hårdere materialer for å slipe og polere harde arbeidsstykker. Det er almindelig vedtatt at slipemidlet skal være minst så hårdt som det materiale som skal bearbeides for at materialet kan fjernes fra arbeidsstykket. Selvom det er tilfeller hvor det er fordel-aktig at slipemidlet bare er noe hårdere enn arbeidsstykket, er det i almindelighet ønsket at slipematerialet skal være så hårdt som mulig for å oppnå mest mulig avslipt materiale og for å red-dusere slipemiddeltapet. I denne forbindelse har forskjellige hårde substanser som diamant og silisiumkarbid blitt brukt som slipémateriaié.

Silisiumkarbid, selv om dette ikke er så hårdt som diamant, har vist seg særlig brukbart som slipemiddel på grunn av sin hårdhet; ,som overgår hårdheten-av de fleste materialer med unn-tagelse av diamant. Silisiumkarbid har også utmerkede mekaniske egenskaper. Hårdheteri av * silisiumkarbid ligger imidlertid under håfdheten av diamant og derfor foregår letingen etter hå1rdere og hårdere materialer.... ;En hensikt med oppfinnelsen er å skaffe en sammensetning som har en krystallstruktur som B-silisiumkarbid og som er i stand til å få en hårdhet større enn vanlig silisiumkarbid. ;Denne og andre fordeler ved foreliggende oppfinnelse vil vise seg ved betraktning av den følgende detaljerte beskrivel-se med medfølgende tegninger, hvort. ;fig. 1 er et skjematisk delsnitt av apparatet som benyttes for ;å fremstille produktet ifølge oppfinnelsen. ;Fig. 2 er en kurve som viser mikrohårdhétén av det ferdige produkt sammenlignet med utgangsmaterBlet. ;De foran nevnte hensikter og fordeler oppnås ved å rea-gere de støkiometriske mengder silisium og karbon som er nødven-dige til å fremstille silisiumkarbid under trykk og varme i nær-vær av bor og nitrogen for å fremstille silisiumkarbid som har bor og nitrogen i fast oppløsning. Krystallstrukturen av det re-sulterende produkt er blitt analysert med røntgendiffraksjonstek-nikk og det er funnet at krystallstrukturen er kubisk, og i det vesentlige den samme som for beta-silisiumkarbid, men enhetcélle-dimensjonene er mindre, enn for vanlig silisiumkarbid. Materialet er vanligvis hårdere enn vanlig silisiumkarbid, men som det vil sees senere, har materialet under visse omstendigheter en hårdhet som ligger på samme nivå som minimumshårdheten for vanlig silisiumkarbid. ;Materialet ifølge oppfinnelsen dannes ved å utsette et utgangsmateriale som består av silisium, karbon, bor og nitrogen for varme og. trykk i en ikkeoksyderende. atmosfære. Bor er tilstede i en mengde svarende til ca» 20 til 80 mol-% bornitrid. Silisium og karbon er tilstede i en mengde som svarer til ca. 80 til 20 mol-% silisiu mkarbid. Bornitrid kan brukes for å forsyne materialet med bor og nitrogen, eller elementær bor kan benyttes mens nitrogenet fås fra en nitrogenholdig atmosfære som omgir utgangsmaterialene under dannelsen av sluttproduktet. Det faste utgangsmaterialet er findelt,og av størrelsen 100 mesh eller fi-nere. ;Temperaturen som benyttes, går fra 1300°C til like neden-for silisiumkarbid som normalt ligger mellom 2500 og 2600°C. Når det brukes trykk, stiger dekomponeringstemperaturen og også temperaturer over 2600°C kan benyttes for å danne materialet ifølge oppfinnelsen. ;Trykket som benyttes for å danne materialet, kan varie- ;re meget og utmerkede resultater er oppnådd med trykk fra 10 opp til 7000 atmosfærer. Trykket kan tilføres mekanisk som ved å varmpresse utgangsmaterialet i en hydraulisk presse eller å opp-varme utgangsmaterialet i en trykkautoklav, hvor trykket utøves av den omgivende atmosfære i autoklaven. ;I fig. 1 vises et typisk apparat brukt for fremstil- ;ling av materialet ifølge oppfinnelsen, hvoir utgangsmaterialet opp-varmes i et trykkammer. ;Trykkammeret 11 består av etSylinderformet legeme 12 med ;et lokk 13 som er festet gasstett til sylinderen 12 med bolter 14. Kammerbunnen 16 er permanent festet gasstett til bunnen av sylinderen 12. Veggene av sylinderen 12 er kjølt med midlér som kjøle-rør 17 hvori det ledes et kjølemiddel som vann, som innføres i røret 17 ved innløpet 18 og utføres ved 19. Indreveggene av sylinderen 12 og lokket 13 er kledd med et passende ildfast isolasjonsmateriale 22. Et eksempel på et slikt isolasjonsmateriale er karbon eller grafitt. Oppover gjennom kammerbunnen 16 fører et parelektriske ledere 23 og 23<*>, som ved sin øverste ende er forsynt med elektriske kontaktposter 24 og 24'. Lederne 23 og 23'

er tilknyttet en kilde for elektrisitet som ikke er vist. Et elektrisk motstandselement 26 strekker seg mellom de elektriske ledere 23 og 23" ved kontaktpostene 24 og 24' som bærer heteelementet 26 ved endene 25 og 25'. Innenfor heteelementet 26 er plasert en passende beholder 27 som inneholder materialet 30 som skal reageres.

Observasjonsrør 28 går gjennom lokket 13 og den ildfas-

te foring 22 for å kunne se heteelementet 26. Observasjonsrøret er forseglet for å forhindre at gass unnviker.

Det nødvendige trykk oppnås ved hjelp av en kilde for ikkeoksyderende gass som nitrogen eller argon og en passende kompressor som ikke er vist, for å komprimere gassen til det ønskede trykk. Den komprimerte gass blir ledet inn i reaksjonskammeret 21 ved hjelp av ledningen 31, gjennom ventilen 32, måleren 33 og ledningen 34 inn i kammeret 21. Ledningen 26 er for ventile-ring av overskudd av gass gjennom ventilen 37 og ledningen 38 og kan stenges ved hjelp av ventilen 37.

Ved drift er utgangsmaterialet anbragt i en passende beholder 27 fremstillet av grafitt eller bornitrid, som anbringes i heteelementet 26. Heteelementet 26 anbringes derpå mellom holderne 24 og 24'. Når dette er gjort, anbringes lokket 13 på sylinderen 12 og boltene 14 skrues på for å holde lokket 13 i gasstett stil-ling på sylinderen 12. Kammeret 21 evakueres med passende midler idet ventilen 32 lakkes og settes på et vakuum på ledningen 38, ventilen 37 og ledningen 36. Når kammeret 21 er evakuert, stenges ventilen 37 og ventilen 32 åpnes, hvorpå ikkeoksyderende, gass ledes inn i kammeret 21 gjennom ledningen 31; ventilen 32, måleren 33 og ledningen 34. En ikke vist kompressor komprimerer gassen 21 til det ønskede trykk. Når det ønskede trykk er oppnådd, målt med måler 33, stenges ventilen 32. Elektrisk strøm ledes gjennom heteelementet 26. Heteelementets 26 temperatur måles med et optisk pyrometer gjennom observasjonsrøret 28.

Når temperaturen i reaksjonskammeret 21 stiger, vil også gasstrykket stige. Trykket kan holdes konstant ved periodisk å slippe ut gass gjennom ledningen 36 ved hjelp av ventilen 37.

Når beholderen 27 når den ønskede temperatur, minskes strømmen som tilføres heteelementet 26 således at den ønskede temperaturen opprettholdes. Beholderen holdes ved denne temperatur ca. 5 minutter, hvorpå strømmen brytes.

Det bemerkes at både heteelementet 26 og beholderen 27

er porøse og at gassen i kammeret 21 har adkomst til utgangsmaterialet. Hvis ønskes kan heteelementet 26 og beholderen 27 forsynes med perforeringer for å sikre tilgangen av gass til utgangsmaterialet.

I det følgende beskrives en foretrukket metode for å fremstille materialet ifølge oppfinnelsen.

EKSEMPEL 1

Med apparatet vist i fig. 1 ble det utført to serier for-søk med utgangsmaterialer av varierende sammensetning ved en temperatur på 2500°C og 32 atmosfæres trykk i en atmosfære av nitrogen.

Serie A bestod av 6 forsøk, og hvert forsøk hadde som utgangsmateriale silisium, karbon og bornitrid. I hvert forsøk ble

andelen av bornitrid uttrykt i mol-% variert således at det gikk fra 20 mol-% i forsøk 1 til 99 mol-% i forsøk 6. I hvert forsøk ble det benyttet materialer av stor renhetsgrad, bornitridet hadde en renhet

av 99,8 % og karbonet og silisiumet en renhet av 99,98 %. Utgangsmaterialet som var findelt ble anbragt i grafittb«holdere som ble plasert i apparatet ifølge fig. 1. Utgangsmaterialet som var findelt, ble anbragt i grafittbeholdere som ble plasert i apparatet ifølge fig. 1. Utgangsmaterialet ble opphetet ved en temperatur på ca. 2500°C ved et trykk på 32 atmosfærer i 5 minutter. Etter denne reaksjonstid ble prøvene avkjølt, apparatet åpnet og beholder-ne fjernet. En del av innholdet ble skåret og polert med diamant-slipemiddel for mikrohardhetsprøver, mens den resterende del ble knust og utsatt for røntgenanalyse. Resultatene vises i tabell A.

Serie B besto av forsøkene 7-12 som ble utført på samme måte som forsøkene 1 - 6 i serie A, bortsett fra at elementært bor ble brukt istedenfor bornitrid. Mengden av elementært bor i utgangsblandingene tilsvarte 20 til 99 mol-% bornitrid. Nitrogenet stammt fra den omgivende atmosfære. Det benyttede bor var av 99,6 % renhet og findelt med en partikkelstørrelse på mindre enn 325 mesh. Silisium og karbon var av samme art som i forsøkene 1-6. Resultatet vises i tabell B.

I fig. 2 vises en kurve av den fundne mikrohårdhet av materialet fremstilt i forsøkene 1 til 12 kontra mol-% bornitrid som er tilstede i utgangsmaterialet. Den sammenhengende linje representerer materialene fra forsøk 1-6, hvor bornitrid ble brukt, mens den brutte linje representerer materialene i forsø-kene 7 - 12 hvor det ble brukt elementært bor i utgangsmaterialet.

Ved å sammenligne hårdhet av dette materiale med almindelig silisiumkarbid bemerkes at hårdhetsverdiene av silisiumkarbid ligger fra 2300 kg/mm 2 til ca. 2900 kg/mm 2. En gjennomsnitts-. hårdhet på 2600 ble valgt som hårdheten for almindelig silisiumkarbid. Det sees at mikrohårdheten av materialet fremstillet iføl-ge eksempel 1 i alle tilfeller er høyere, unntatt de hvor utgangsmaterialet inneholder 40 mol-% bornitrid. Dette fall i hårdhet kan ikke forklares, men det bemerkes at endog ved 40 mol-% innhold av bornitrid i utgangsmaterialet er hårdheten tilstrekkelig til å gi et bra slipemiddel.

Røntgendiffraksjonsdataene i tabellene A og B viser at hovedfasen i materialet er B-silisiumkarbid. Dette er ikke uven-tet, da man med de støkiometriske mengder av silisium og karbon som benyttes i eksempelet, kunne anta at det dannes silisiumkarbid. Men ved analyse av celleenhetsdimensjonene kan det sees at mens vanlig B-silisiumkarbid har en celleenhetsdimensjon på 4,359 0,005 Å, har celleenhetsdimensjonene på materialet ifølge eksempelet avtatt til 4,348 - 0,002 Å. Cellestørrelsen holder seg rela-tivt konstant, endog når mengden av bornitrid i utgangsmaterialet økes til ca. 80 mol-%. En slik minking av celledimensjonen viser at der har forekommet en utskifting av bor og nitrogen i sili-siumkarbidgitteret.

Det kan sees at når bor og nitrogen er tilstede i- utgangsmaterialet i mengder på ca. 90 mol-% eller mer bornitrid, er hovedfasen ikke mer (-silisiumkarbid. Det er derfor foretrukket å holde mengden av bor og nitrogen under 90 mol-% bornitrid.

Selv om det som vist i eksempel 1 oppnås gode resultater når utgangsmaterialet er tilstede i mengder som tilsvarer 20 mol-% til 80 mol-% bornitrid og 80 mol-% til 20 mol-% silisiumkarbid, foretrekkes det at mengden av bor og nitrogen tilsvarer 40 mol-% til 80 mol-% bornitrid. Denne mengde foretrekkes av flere grun-ner. For det første tiltar hardheten med økende molarprosent bornitrid til ca. 80 mol-% bornitrid er nådd. For det annet er det enklere å adskille materialet ifølge oppfinnelsen fra eventuelt ureagert utgangsmateriale når det er et overskudd av bornitrid,

da dette kan gjøres ved vanlig flotasjon eller kjemiske midler.

Selv om det foregående eksempel viste dannelsen av materialet ved et forholdsvis lavt trykk i en høytemperaturovn, kan også gode resultater oppnås ved meget høyere trykk i området fra 5000 til 50 000 atmosfærer ved lavere temperaturer på 600°C til 1700°C. Når det arbeides ved slike høye trykk, er det imidlertid nødvendig å bruke mekanisk trykk istedenfor gasstrykk, og prøvene utføres i et høytrykksapparat hvor prøvene kan opphetes til den ønskede temperatur under ikkeoksyderende forhold. Et eksempel på en typisk presse er beskrevet åv Hall i US-patent 2 941 248. Fremgangsmåten til å fremstille materialet ifølge oppfinnelsen som vist i eksempel 1 er den metode som foretrekkes, da det er mulig å fremstille kommersielle mengder av materialet på denne måte.

Selv om den primære bruk av materialet ligger på slipe-middelområdet, er det klart at når et slikt materiale er formet til passende gjenstander, kan det produseres slitesterke artikler som rakettdyser, forbrenningskammerutforing og lignende, hvor det kommer an på slitestyrke og hårdhet.

Claims (8)

1. Materiale passende til bruk som slipematerialeb estående a v silisiumkarbid som inneholder bor og nitrogen i fast oppløs-ning og som har en kubisk krystallstruktur og en gitterkonstant mindre enn gitterkonstanten for kubisk silisiumkarbid.

2. Blanding for fremstilling av materialet ifølge krav 1, karakterisert ved at det i det vesentlige består av silisium, karbon, bor og nitrogen og hvor silisium og karbon er tilstede i mengder tilsvarende 20 mol-% til 80 mol-% silisiumkarbid og hvor bor er tilstede i en mengde tilsvarende 80 mol-% til 20 mol-% bornitrid.

3. Blanding ifølge krav 2 hvor bor er tilstede i en mengde tilsvarende 40 mol-% til 80 mol-% bornitrid.

4. Blanding ifølge krav 2 bestående i det vesentlige av silisium, karbon, elementært bor og nitrogen i gassform.

5. Blanding ifølge krav 2 bestående i det vesentlige av silisium, kcirbon og bornitrid.

6. Fremgangsmåte til fremstilling av et materiale med stor hårdhet og passende til slipemateriale i henhold til krav 1, karakterisert ved at et utgangsmateriale bestående av en blanding av silisium og karbon i en mengde svarende til 20 mol-% til 80 mol-% silisiumkarbid, bor i en mengde tilsvarende 80 mol-% til 20 mol-% bornitrid utsettes i en ikke oksyderende atmosfære som inneholder nitrogen eller nitrogen er tilstede i form av bornitrid for trykk mellom ca. 10 atmosfærer og 7000 atmosfærer og temperaturer mellom ca. 1300°C og dekomponeringstemperaturen hvorved det fremstilles et materiale av kubisk silisiumkarbid som inneholder bor og nitrogen i fast oppløsning hvorved nevnte materiale har en gitterkonstant mindre enn gitterkonstanten for kubisk silisiumkarbid .

7. Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert ved at det anvendes et utgangsmateriale som i det vesentlige består av silisium og karbon i mengder tilsvarende 40 mol-% til 80 mol-% silisiumkarbid, bor i en mengde tilsvarende 60 mol-% til 20 mol-% bornitrid.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert ved at trykket er ca. 32 atmosfærer og temperaturen er ca . 2500°C.