NO145836B - Maskinerbare stoepestykker bestaaende av infiltreringsprodukt av silicium i partikkelformet bornitrid, carbon og eventuelt siliciumcarbid - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår maskinerbare støpestykker med en

densitet av 1,6-2,7 g/cm 3 i form av infiltrerte produkter dannet ved omsetning av smeltet silicium og en blanding av partikkelformig carbon, eller en blanding av partikkelformig carbon og siliciumcarbidpartikler, og partikkelformig bornitrid.

En fremgangsmåte er tidligere beskrevet for fremstilling av sammensatte siliciumcarbid-siliciumgrunnmassematerialer ved infiltrering av carbonfibre med smeltet silicium. Selv om de erholdte siliciumcarbid-siliciumgrunnmassematerialer og frem-gangsmåten for fremstilling av formede gjenstander derav repre-senterte et betydelig fremskritt ved fremstilling av formede keramiske gjenstander som skulle utsettes for store påkjenninger under bruk, har det vist seg at i en rekke tilfeller er slag-seigheten til de formede keramiske gjenstander ikke tilstrekkelig høy til at disse vil kunne anvendes for en rekke formål.

Den foreliggende oppfinnelse er basert på den erkjennelse at lett maskinerbare reaksjonsprodukter som er basert på infiltrering av smeltet silicium, kan fremstilles ved å la smeltet silicium infiltrere en i det vesentlige jevn blanding av partikkelformig carbon og bornitridpartikler.

Oppfinnelsen angår således maskinerbare støpestykker med

en densitet av 1,6-2,7 g/cm 3, og støpestykkene er særpreget ved at de utgjøres av infiltreringsproduktene dannet ved omsetning av smeltet silicium under vakuum og ved temperaturer fra 1400 til 1700°C med en i det vesentlige jevn blanding omfattende

(A) 45-90 volum% partikkelformig carbon eller en blanding

av partikkelformig carbon og siliciumcarbidpartikler som kan

være tilstede i blandingen i en volumandel. opp til volumandelen av det partikkelformige carbon, og (B) 10-55 volum% partikkelformig bornitrid med en gjennomsnittlig partikkelstørrelse av 0,l-2000^um.

Ytterligere særtrekk ved den foreliggende oppfinnelse vil fremgå av tegningen som viser en form fylt med en blanding av carbonpartikler og partikkelformig bornitrid, og over formen er vist siliciumpulver eller -korn i kontakt med carbonfiberveker og som utgjør en kilde for smeltet silicium som skal infiltrere blandingen av carbonpartikler og partikkelformig bornitrid. På tegningen er vist et sideriss av en formstøtte 10 og en pulver-formig siliciumcharge 11. Smeltet silicium kan bringes til å infiltrere blandingen av partikkelformig carbon og partikkelformig bornitrid 13 ved en temperatur av 1400-1700°C via veker 12 som kan utgjøres av carbonfibre, som WYK-snor eller WYB-tau fra Union Carbide med en typisk lengde av 3 cm. Gjennom utslipps-åpningene 14 og 15 for varm gass kan en trykkøkning i formen opp-heves .

Det pulverformige silicium kan smeltes ved å anbringe apparatet ifølge tegningen i en egnet ovn. Om ønsket kan opp-varmingsviklinger anvendes rundt den pulverformige siliciumkilde. Et formslippmiddel, som bornitrid, kan sprøytes på formens innervegger.

De maskinerbare støpestykker ifølge oppfinnelsen kan først formes til en hvilken som helst ønsket form og derefter oppdeles på vanlig måte. Disse forholdsvis lette siliciumcarbidholdige materialer som fås ved infiltrering av smeltet silicium i blandinger som inneholder carbonpartikler, kan oppdeles med en stål-

Ci sag, bores, sandblåses eller files etc. til en hvilken som helst ønsket form. Dersom det er ønsket å anvende de maskinerbare støpestykker som et beskyttende slagfast belegg eller lag, kan de maskinerbare støpestykker sveises i en selvbærende tykkelse på et silicium- eller siliciumcarbidsubstrat for å forbedre sub-stratets slagfasthet.

Foruten de ovenfor beskrevne anvendelser kan de maskinerbare støpestykker ifølge oppfinnelsen oppdeles til en tykkelse av 0,25-2,54 cm eller derover og anvendes som varmegradientbarrierer på forskjellige substrater hvortil de kan festes ved mekanisk innføring eller bolting etc, som brennere for slike anvendelser som diffusorer eller overgangsstykker, etc. Andre anvendelser er f.eks. som former for støping av metall, gassbrennerdeler, verk-tøy, overlappende bekledningslfater og høytemperaturutstyr.

Blant de typer partikkelformig carbon som kan anvendes for fremstilling av de maskinerbare støpestykker ifølge oppfinnelsen,

er carbonfibre eller grafittfibre, forkullede plantefibre, lampesort, findelt kull, tre eller trekull etc. Det partikkelformige bornitrid har en gjennomsnittlig partikkelstørrelse av

0,l-2000^um.

De maskinerbare støpestykker ifølge oppfinnelsen kan også omfatte reaksjonsproduktet av smeltet silicium og blandingen av carbonfiber, eller grafittfiber eller blandinger derav, og det partikkelformige bornitrid, og denne blanding kan også som fyll-stoff omfatte siliciumcarbidwhiskers eller andre partikkelformer av siliciumcarbid i en volumandel opp til volumandelen av det partikkelformige carbon. Det kan være fordelaktig å belegge siliciumcarbidet med carbon, f.eks. ved pyrolytisk avsetning fra en carbonholdig gass eller gassblanding. Carbonbelegget befordrer fuktning og gir en kjemisk barriere mellom oxydet og filamentet. Blandingen av carbonfiber og bornitrid kan være tilstede i formen som et frittflytende pulver eller som en- stiv preform som kan fremstilles ved å blande bornitridet med et bindemiddel for grafitt, eller carbonfiber, som de grafittsuspensjoner som er tilgjengelige fra Dylon Company.

Betegnelsen carbonfiber eller -filamenter er her ment å omfatte handelstilgjengelige carbonfibre. Carbonfibrene omfatter f.eks. "høyfast" grafitt med en typisk strekkfasthet av 17577 kg/cm 2 , en bruddgrense av 1,4 x 10 6 kg/cm 2 og en egenvekt i forkullet tilstand av 1,6 g/cm 3, som beskrevet i US patent-skrift nr. 3412062. Carbonfiberen har fortrinnsvis en spesifikk vekt av 1,3-1,5 og omfatter f.eks. WYK-snor eller WYB-tau fra Union Carbide Corporation eller andre forkullede fibre, som en carbonfilt. Foruten forkullede rayonfibre kan hvilke som helst carbonfibre med en spesifikk vekt som definert ovenfor og av-ledet fra polymere eller naturlige organiske materialer, som polyacrylnitril eller polyacetylen, som beskrevet i US patent-skrift nr. 3852235, polyvinylklorid eller polyvinylacetat etc, anvendes. Uttrykket "preform" som anvendt heri, skal betegne fortrinnsvis en formet gjenstand av orienterte carbonfibre. For fremstilling av en preform behandles et carbonfibertau, en carbon-fibersnor eller en carbonfiberduk med smeltet voks eller et annet bindemiddel, som cellulosenitrat eller kolloidal grafitt etc.

I det nedenstående eksempel er alle deler basert på vekt dersom intet annet er angitt.

Eksempel

En blanding av 25 vekt% eller 20 volum% bornitrid som salges under betegnelsen SHP-40, og 75 vek.t% eller 80 volum% av en grafittsuspensjon som selges under betegnelsen kvalitet AE, ble blandet til en tykk pasta. Denne ble derefter formet til et flatt rektangel med en tykkelse av 3,18 mm som fikk tørke i luft. . En form ble fremstilt fra grafitt som selges under vare-merket Armco Speer ® 580 og som hadde en opprinnelig tykkelse av ca. 19 cm, ved å maskinere denne for fremstilling av et formhul-rom på 3,18 x 3,18 x 76,2 mm. Formhulrommets innside ble derefter belagt med en.bornitridaerosol. Den ovennevnte blanding av bornitrid og grafitt ble derefter delt til den egnede størrelse og plassert i formen. En carbondigel med en innvendig diameter av 31,8 mm og en høyde av ca. 50,8 mm og med et utboret hull med en diameter av 3,18 mm ved bunnen og med en carbonfiberveke som var ført gjennom hullet, ble anbragt på toppen av formen. Carbon-fiberveken.var WYK-snor fra Union Carbide Corporation og strakte seg til ca. 3,18 mm over toppen av hullet og sto også .i berøring med den ovenfor beskrevne blanding i formen. Digelen ble derefter fylt med faste siliciumstykker under anvendelse av et over-skudd av ca. 15% utover den siliciummengde som var nødvendig for å fylle fprmhulrommet i smeltet tilstand. Montasjen ble derefter.overført til en motstandsovn hvori et vakuum av 1 x 10 torr kunne oppnås. Montasjen ble oppvarmet til en temperatur av ca. 1600°C. Det viste seg at blandingen i formen straks reagerte med det smeltede silicium. Den sammenstilte form ble holdt i ovnen i ca. 15 minutter efter at den hadde nådd en temperatur av 1600°C. Den sammenstilte form ble derefter avkjølt, og den erholdte del ble fjernet fra formen. Det ble erholdt en støpt del med de samme dimensjoner som den opprinnelige blanding av bornitrid og grafitt.

Ved denne fremgangsmåte besto den støpte del av infiltra-sjonsproduktet dannet ved omsetning av smeltet silicium og én blanding av 25 vekt% bornitrid og 75 vekt% grafitt, som uttrykt ved volumet tilsvarte ca. 20 volum% bornitrid og 80 volum% grafitt. Støpestykket hadde en densitet av 2,1 g/cm<3>. Støpestykket ble derefter anbragt i en skruestikke og delt med en stålsag til et prøvestykke av 3,18 x 48,1 x 3,18 mm. Det viste seg at støpe-stykket lett kunne maskineres. Den gjenværende del av støpe-stykket kunne lett filed ut med en stålfil.

En flat plate med dimensjonene 2,54 x 5,08 x 0,32 cm av det ovennevnte maskinerbare støpestykke anbringes som et tilstøt-ende lag på en 2,54 x 5,08 x 1,27 cm blokk av siliciumcarbid. Det erholdte sammensatte materiale oppvarmes derefter i en ovn i 15 minutter i en inert atmosfære ved en temperatur av 1500°C. Det ble efter avkjøling erholdt en sammensatt gjenstand hvor det maskinerbare støpestykke var enhetlig sveiset på den ildfaste grunngjenstand av siliciumcarbid.

En skårslagprøve ble utført for å sammenligne skårslagseigheten mellom en 2,54 x 5,08 x 12,7 cm blokk av siliciumcarbid og den ovennevnte sammensatte gjenstand. Skårslagseigheten ble fastslått ved å treffe overflaten av et prøvestykke med et 4,5 mm kulelager med en hastighet av ca. 200 m/s og med en innfalls-vinkel av ca. 80°. Det viste seg at den sammensatte gjenstand av siliciumcarbid med det maskinerbare støpestykke påsveiset i form av et tilstøtende lag hadde en skårslagseighet som var langt bedre enn skårslagseigheten for siliciumcarbidgrunngjenstanden som ikke hadde et slikt tilstøtende lag.

Claims (3)

1. Maskinerbare støpestykker med en densitet av 1,6-2,7 g/cm 3, karakterisert ved at de utgjøres av infiltreringsproduktene dannet ved omsetning av smeltet silicium under vakuum og ved temperaturer fra 1400 til 1700°C med en i det vesentlige jevn blanding omfattende (A) 45-90 volum% partikkelformig carbon eller en blanding av partikkelformig carbon og siliciumcarbidpartikler som kan være tilstede i blandingen i en volumandel opp til volumandelen av det partikkelformige carbon, og

(B) 10-55 volum% partikkelformig bornitrid med en gjennomsnittlig partikkelstørrelse av 0,l-2000^um.

2. Støpestykke ifølge krav 1, karakterisert ved at det partikkelformige carbon foreligger som carbonfibre.

3. Støpestykke ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at komponenten (A) foreligger som en blanding av carbonfibre og siliciumcarbidpartikler.