RU2610744C1 - Silicon nitride based charge and method for production of articles thereof - Google Patents

Silicon nitride based charge and method for production of articles thereof Download PDF

Info

Publication number
RU2610744C1
RU2610744C1 RU2015155127A RU2015155127A RU2610744C1 RU 2610744 C1 RU2610744 C1 RU 2610744C1 RU 2015155127 A RU2015155127 A RU 2015155127A RU 2015155127 A RU2015155127 A RU 2015155127A RU 2610744 C1 RU2610744 C1 RU 2610744C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
powders
silicon nitride
sintering
technological
temperature
Prior art date
Application number
RU2015155127A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Татьяна Алексеевна Сафронова
Петр Георгиевич Лапин
Мария Анатольевна Громыхина
Анастасия Валерьевна Козлова
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Композит" (ОАО "Композит")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество "Композит" (ОАО "Композит") filed Critical Открытое акционерное общество "Композит" (ОАО "Композит")
Priority to RU2015155127A priority Critical patent/RU2610744C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2610744C1 publication Critical patent/RU2610744C1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00Manufacture or treatment of nanostructures
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/38Non-oxide ceramic constituents or additives
    • C04B2235/3852Nitrides, e.g. oxynitrides, carbonitrides, oxycarbonitrides, lithium nitride, magnesium nitride
    • C04B2235/3873Silicon nitrides, e.g. silicon carbonitride, silicon oxynitride
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/50Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/54Particle size related information
    • C04B2235/5418Particle size related information expressed by the size of the particles or aggregates thereof
    • C04B2235/5454Particle size related information expressed by the size of the particles or aggregates thereof nanometer sized, i.e. below 100 nm
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/60Aspects relating to the preparation, properties or mechanical treatment of green bodies or pre-forms
    • C04B2235/604Pressing at temperatures other than sintering temperatures
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/60Aspects relating to the preparation, properties or mechanical treatment of green bodies or pre-forms
    • C04B2235/612Machining
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/58Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides
    • C04B35/584Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on silicon nitride
    • C04B35/593Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on silicon nitride obtained by pressure sintering
    • C04B35/5935Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on silicon nitride obtained by pressure sintering obtained by gas pressure sintering
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/62605Treating the starting powders individually or as mixtures
    • C04B35/6261Milling
    • C04B35/62615High energy or reactive ball milling

Abstract

FIELD: chemisty.
SUBSTANCE: invention refers to the field of production of articles of silicon nitride based high-temperature construction materials which may be used in engine production, mechanical engineering and other high-technology industrial branches, in particular in manufacture of complex geometry parts requiring mechanical treatment, e.g., ceramic ball bearings. Silicon nitride based charge contains 10-15% wt% sintering additives and technological connective with sintering additives containing fraction of nanodispersive powders at the level 40-60%. Nanodispersive powders with specific surface of 30-50 m2/g are produced by methods of heterophase precipitation or co-precipitation. A method for production of articles using above silicon nitride based charge includes grinding of silicon nitride powders and sintering additive powders in planetary-type mill, introduction of technological connective (PVAL), pressing of blank and sintering under nitrogen pressure. The pressed blank is subject preliminarily to mechanical treatment using hard-alloy tools, then technological connective is removed in the air at temperatures of 500-1100°C, then sintering is carried out in vacuum with heating up to a temperature of 1600°C and after that in nitrogen medium under pressure of 3-4 MPa and temperature of 1800-1850°C. The final mechanical treatment is performed using suspensions based on super-hard abrasive materials.
EFFECT: production of ceramics with porosity max 0,1%, strength min 800 MPa and simplified technology for manufacture of complex geometry articles.
4 cl, 2 ex, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области получения изделий из высокотемпературных конструкционных материалов на основе нитрида кремния, которые могут использоваться в двигателестроении, машиностроении и других высокотехнологичных отраслях промышленности, в частности при изготовлении сложнопрофильных деталей, требующих механической обработки, например керамических шариков подшипников.The invention relates to the field of production of products from high-temperature structural materials based on silicon nitride, which can be used in engine building, mechanical engineering and other high-tech industries, in particular in the manufacture of complex parts that require machining, for example, ceramic balls of bearings.

Известна шихта для изготовления изделий из керамического материала (RU 2443659 С04B 35/593, опубл. 27.02.2012) на основе нитрида кремния и спекающих добавок (порошкообразный оксид магния ГОСТ 4526-75; порошкообразный оксид иттрия марки Ит0-И по ТУ 48-4-524-90; оксид алюминия (глинозем) марки Г-00 по ГОСТ 6912-87). Недостаточная химическая активность промышленных порошков спекающих добавок и низкие значения их контактной поверхности после помоле - смешении в центробежной мельнице из керамического материала (удельная поверхность не более 10-15 м2/г) приводит к образованию пористости в готовом материале и снижению его прочностных свойств.Known mixture for the manufacture of ceramic materials (RU 2443659 С04B 35/593, publ. 02.27.2012) based on silicon nitride and sintering additives (powdered magnesium oxide GOST 4526-75; powdered yttrium oxide grade It0-I according to TU 48-4 -524-90; aluminum oxide (alumina) grade G-00 according to GOST 6912-87). The insufficient chemical activity of industrial powders of sintering additives and the low values of their contact surface after grinding - mixing in a centrifugal mill made of ceramic material (specific surface no more than 10-15 m 2 / g) leads to the formation of porosity in the finished material and a decrease in its strength properties.

Изготовление сложнопрофильных деталей, в том числе шаровидных, из нитрида кремния (Si3N4) сопряжено со значительными трудностями. Известен способ изготовления изделий из керамического материала на основе нитрида кремния, включающий совместный помол-смешение в шаровой мельнице порошков нитрида кремния и спекающих добавок, введение технологической связки из органического пластификатора, формование заготовок, спекание и горячее прессование при температуре 1650-1800°C (ЕР 1967503, С04B 35/593, опубл. 10.09.2008). Недостатками способа являются длительность операции смешивания-помола порошков в шаровой мельнице, проведение спекания и горячего прессования последовательно, в две стадии, что увеличивает энергозатраты. Применение промышленных порошков микронного размера без их существенного измельчения обуславливает образование пор в спеченном керамическом материале, что вызывает ускоренное разрушение сопрягаемых деталей в узлах трения.The manufacture of complex parts, including spherical, of silicon nitride (Si 3 N 4) is associated with significant difficulties. A known method of manufacturing products of ceramic material based on silicon nitride, including joint grinding-mixing in a ball mill of powders of silicon nitride and sintering additives, the introduction of a technological binder of organic plasticizer, forming blanks, sintering and hot pressing at a temperature of 1650-1800 ° C (EP 1967503, С04B 35/593, publ. 09/10/2008). The disadvantages of the method are the duration of the operation of mixing-grinding powders in a ball mill, sintering and hot pressing in series, in two stages, which increases energy consumption. The use of industrial micron-sized powders without significant grinding causes the formation of pores in the sintered ceramic material, which causes accelerated destruction of the mating parts in the friction units.

Известен способ получения изделий на основе нитрида кремния (RU 2458023 (C1), С04B 35/591, публ. 10.08.2012), который включает приготовление смеси на основе порошков из нитрида кремния и добавок спекающих компонентов, введение в смесь технологической связки, формование изделия и его спекание в условиях самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) в засыпке при температуре 1900-1950°C под давлением азота от 5 до 35 МПа. Недостатками способа являются неоднородность материала, получаемого в результате реакционного спекания в условиях СВС, его высокая пористость (7%) и низкая прочность (400-600 МПа).A known method of producing products based on silicon nitride (RU 2458023 (C1), С04B 35/591, publ. 08/10/2012), which includes the preparation of a mixture based on powders of silicon nitride and the addition of sintering components, the introduction of a technological binder into the mixture, molding the product and its sintering under conditions of self-propagating high-temperature synthesis (SHS) in the backfill at a temperature of 1900-1950 ° C under a nitrogen pressure of 5 to 35 MPa. The disadvantages of the method are the heterogeneity of the material obtained by reaction sintering under SHS conditions, its high porosity (7%) and low strength (400-600 MPa).

Наиболее близким по технической сущности является способ изготовления изделий из керамического материала на основе нитрида кремния (RU 2443659, С04В 35/593, опубл. 27.02.2012), заключающийся в помоле-смешивании порошков нитрида кремния и спекающих добавок по меньшей мере оксида магния и оксида иттрия, в центробежной мельнице из керамического материала, введение в полученную смесь технологической связки в виде органического пластификатора, формование заготовок для горячего прессования и горячее прессование при температуре 1600-1700°C, давлении прессования 25-35 МПа. Недостатками данного способа является невозможность получения изделий сложной формы горячим прессованием, загрязнение поверхностных слоев изделий углеродом от пресс-формы, что снижает качество получаемых изделий. Недостатками способа является низкая степень измельчения промышленных порошков добавок, отсутствие технологической операции по удалению временной технологической связки (20% раствор полиизобутилена П-20С в бензине), что приводит к образованию пор в готовом материале, которые вызывают разрушение сопрягаемых деталей в узлах трения с высокой скоростью вращения. Горячее прессование позволяет получать заготовки изделий с большим припуском и простой формы (квадратного или цилиндрического сечения). Высокая твердость керамического материала на основе нитрида кремния (20-26 ГПа) вызывает существенные трудности для достижения требуемой размерной точности и шероховатости поверхности деталей вращения. Для получения сложнопрофильных, например шаровидных деталей, необходимо проводить многоэтапную механическую обработку, включающую многопереходной процесс грубого шлифования, среднего шлифования алмазными инструментами различной зернистости, тонкого шлифования и полировки суспензиями на основе сверхтвердых абразивных материалов.The closest in technical essence is a method of manufacturing products from a ceramic material based on silicon nitride (RU 2443659, С04В 35/593, publ. 02/27/2012), which consists in grinding and mixing powders of silicon nitride and sintering additives of at least magnesium oxide and oxide yttrium, in a centrifugal mill made of ceramic material, introducing into the mixture a technological binder in the form of an organic plasticizer, forming blanks for hot pressing and hot pressing at a temperature of 1600-1700 ° C, press pressure Ia 25-35 MPa. The disadvantages of this method is the inability to obtain products of complex shape by hot pressing, pollution of the surface layers of products with carbon from the mold, which reduces the quality of the products. The disadvantages of the method are the low degree of grinding of industrial powders of additives, the absence of a technological operation to remove a temporary technological binder (20% solution of polyisobutylene P-20C in gasoline), which leads to the formation of pores in the finished material, which cause the destruction of mating parts in friction units at high speed rotation. Hot pressing allows to obtain blanks of products with a large allowance and a simple shape (square or cylindrical section). The high hardness of the ceramic material based on silicon nitride (20-26 GPa) causes significant difficulties to achieve the required dimensional accuracy and surface roughness of the parts of rotation. To obtain complex, for example spherical parts, it is necessary to carry out multi-stage machining, including a multi-transition process of rough grinding, medium grinding with diamond tools of various grain sizes, fine grinding and polishing with suspensions based on superhard abrasive materials.

Задачей заявляемого изобретения является упрощение технологии изготовления сложнопрофильных изделий, требующих механической обработки, например керамических шариков подшипников, сокращение этапов механической обработки.The task of the invention is to simplify the manufacturing technology of complex products that require machining, such as ceramic balls of bearings, reducing the stages of machining.

Технический результат изобретения - получение керамики с пористостью не более 0,1%, прочностью не менее 800 МПа.The technical result of the invention is the production of ceramics with porosity of not more than 0.1%, strength not less than 800 MPa.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что шихта на основе нитрида кремния, спекающих добавок и технологической связки, причем спекающие добавки в количестве 5-20 мас.%. содержат фракцию нанодисперсных порошков в количестве 40-60%, в качестве нанодисперсных порошков используются порошки, полученные методами гетерофазного осаждения или соосаждения с удельной поверхностью 30-50 м2/г.The essence of the claimed invention lies in the fact that the mixture is based on silicon nitride, sintering additives and technological bonds, and sintering additives in an amount of 5-20 wt.%. contain a fraction of nanodispersed powders in an amount of 40-60%; powders obtained by heterophase deposition or coprecipitation with a specific surface area of 30-50 m 2 / g are used as nanodispersed powders.

Способ изготовления изделий из шихты на основе нитрида кремния, заключающийся в помоле-смешении порошков нитрида кремния, порошков спекающих добавок, ведение технологической связки, прессование заготовки и спекание под давлением азота, причем помол-смешение ведут в планетарной мельнице, в качестве технологической связки используется ПВС, затем удаляют технологическую связку на воздухе при температурах 500-1100°C, спекание проводят в вакууме до температуры 1600°C, далее в среде азота при давлении 4 МПа до температуры 1850°C.A method of manufacturing products from a mixture based on silicon nitride, which consists in grinding and mixing powders of silicon nitride, powders of sintering additives, maintaining a binder, pressing the workpiece and sintering under nitrogen pressure, the grinding and mixing being carried out in a planetary mill, using PVA as the technological binder then the technological binder is removed in air at temperatures of 500-1100 ° C, sintering is carried out in vacuum to a temperature of 1600 ° C, then in a nitrogen medium at a pressure of 4 MPa to a temperature of 1850 ° C.

Предварительную механическую обработку прессованной заготовки проводят твердосплавным инструментом.Preliminary machining of the pressed billet is carried out with a carbide tool.

Окончательную механическую обработку проводят суспензиями на основе сверхтвердых абразивных материалов.The final machining is carried out with suspensions based on superhard abrasive materials.

Заявляемый способ изготовления изделий из керамического материала на основе нитрида кремния заключается в помоле-смешении в планетарной мельнице смеси порошка нитрида кремния с микронными и наноразмерными порошками спекающих добавок, с последующим введением в смесь технологической связки, прессование заготовки, ее предварительную обточку (варианты), удаление технологической связки, спекание, тонкую шлифовку и полировку поверхности (варианты).The inventive method of manufacturing products from a ceramic material based on silicon nitride consists in grinding and mixing in a planetary mill a mixture of silicon nitride powder with micron and nanosized powders of sintering additives, followed by the introduction of a technological binder into the mixture, pressing the workpiece, pre-turning it (options), removing technological bonding, sintering, fine grinding and polishing of the surface (options).

Количество спекающих добавок составляет 10-15 мас.%. В качестве спекающих добавок используют по крайней мере одну добавку, выбранную из ряда, включающего: оксид алюминия, иттрия, оксид магния, взятых порознь или в смеси. Соотношение фракций микронных и нанодисперсных порошков спекающих добавок составляет от 40 до 60%. В качестве нанодисперсных порошков используются порошки, полученные методами гетерофазного осаждения или соосаждения с удельной поверхностью 30-50 м2/г. В качестве технологической связки используют поливиниловый спирт (ПВС). Предварительную обточку (варианты) прессованной заготовки проводят твердосплавным инструментом. Удаление технологической связки проводят на воздухе при температурах, не допускающих окисления нитрида кремния (500-1100°C). Спекание проводят в вакуум-компрессионной печи сначала в вакууме до температуры 1500-1600°C, далее в среде азота при давлении 3-4 МПа до температуры 1800-1850°C. Тонкую шлифовку и полировку (варианты) внешней поверхности деталей проводят суспензиями на основе сверхтвердых абразивных материалов.The amount of sintering additives is 10-15 wt.%. As sintering additives, at least one additive selected from the range including: alumina, yttrium, magnesium oxide, taken separately or in mixture, is used. The ratio of fractions of micron and nanosized powders of sintering additives is from 40 to 60%. As nanodispersed powders are used powders obtained by heterophase deposition or coprecipitation with a specific surface area of 30-50 m 2 / g Polyvinyl alcohol (PVA) is used as a technological bond. Pre-turning (options) of the pressed billet is carried out with a carbide tool. Technological ligament removal is carried out in air at temperatures that do not allow oxidation of silicon nitride (500-1100 ° C). Sintering is carried out in a vacuum compression furnace, first in vacuum to a temperature of 1500-1600 ° C, then in a nitrogen atmosphere at a pressure of 3-4 MPa to a temperature of 1800-1850 ° C. Fine grinding and polishing (options) of the external surface of parts is carried out with suspensions based on superhard abrasive materials.

Преимуществом предлагаемого способа является то, что использование фракции спекающих добавок из нанодисперсных порошков в количестве 40-60% дисперсностью 30-50 м2/г позволяет существенно повысить контактную поверхность и химическую активность порошковой системы нитрид кремния - спекающие добавки, что способствует более интенсивному протеканию гетерогенных тепло- и массообменных процессов на всех стадиях изготовления.The advantage of the proposed method is that the use of a fraction of sintering additives from nanosized powders in an amount of 40-60% dispersion of 30-50 m 2 / g can significantly increase the contact surface and the chemical activity of the powder system of silicon nitride - sintering additives, which contributes to a more intensive course of heterogeneous heat and mass transfer processes at all stages of manufacture.

На стадии прессования частицы приобретают более прочное механическое сцепление с макромолекулами ПВС. Прочная коагуляционная структура материала, в которой между частицами порошка находятся тонкие склеивающие прослойки ПВС, позволяет проводить обточку прессованных заготовок с помощью твердосплавного инструмента.At the stage of pressing, the particles acquire stronger mechanical adhesion with PVA macromolecules. The strong coagulation structure of the material, in which thin bonding layers of PVA are located between the powder particles, allows turning of pressed blanks with the help of carbide tools.

Использование фракции спекающих добавок из нанодисперсных порошков дисперсностью менее 30 м2/г в количестве менее 40% не позволяет проводить обточку прессованных заготовок с помощью твердосплавного инструмента из-за их низкой механической прочности. Использование фракции спекающих добавок из нанодисперсных порошков дисперсностью более 50 м2/г в количестве более 60% не позволяет получать качественные прессовки из-за образования трещин расслаивания.The use of a fraction of sintering additives from nanodispersed powders with a dispersion of less than 30 m 2 / g in an amount of less than 40% does not allow turning of pressed blanks using carbide tools because of their low mechanical strength. The use of a fraction of sintering additives from nanosized powders with a dispersion of more than 50 m 2 / g in an amount of more than 60% does not allow obtaining high-quality compacts due to the formation of delamination cracks.

После обточки изделия выжигают углеродсодержащую органическую связку при температурах, не допускающих окисления нитрида кремния (500-1100°C).After turning the product, a carbon-containing organic binder is burned out at temperatures that do not allow oxidation of silicon nitride (500-1100 ° C).

Спекание в вакууме обеспечивает удаление газов из пор еще на ранних стадиях спекания, в результате чего газ не препятствует зарастанию пор. Нанодисперсные порошки способствуют ускорению физико-химических процессов образования жидкой фазы, развитию сил сцепления между отдельными частицами и уплотнению изделий в процессе спекания. Время выдержки при максимальной температуре определяется и габаритными размерами изделий.Sintering in vacuum ensures the removal of gases from the pores even in the early stages of sintering, as a result of which the gas does not prevent pore overgrowth. Nanodispersed powders contribute to the acceleration of physicochemical processes of the formation of the liquid phase, the development of adhesion forces between individual particles and compaction of products during sintering. The exposure time at maximum temperature is determined by the overall dimensions of the products.

Результатом использования фракции нанодисперсных порошков спекающих добавок является получение сложнопрофильного изделия из керамического материала на основе нитрида кремния с пористостью не более 0,1% и прочностью до 800 МПа.The result of the use of a fraction of nanosized powders of sintering additives is the production of a complex product from a ceramic material based on silicon nitride with a porosity of not more than 0.1% and strength up to 800 MPa.

Заявляемым способом были изготовлены шарики из материалов на основе нитрида кремния. В качестве микронных исходных компонентов применяли порошкообразный нитрид кремния по ТУ 6-09-03-312-77; порошкообразный оксид магния по ГОСТ 4526-75; порошкообразный оксид иттрия по ТУ 48-4-524-90; оксид алюминия (глинозем) марки Г-00 по ГОСТ 6912-87. Для приготовления наноразмерных порошков использовали порошок алюминия азотнокислого по ГОСТ 3575-75, порошок иттрия азотнокислого по ТУ 6-09-4676-83, порошок магния азотнокислого по ГОСТ 6203-77. Порошок алюминия азотнокислого растворяли в дистиллированной воде, раствор осаждали в аммиак водный по ГОСТ 9-92, осадок алюминия гидроксида отфильтровывали и прокаливали при температуре 600°C для получения наноразмерного порошка оксида алюминия с удельной поверхностью 30-50 м2/г. Нанодисперсный порошок оксида иттрия и нанодисперсный порошок оксида магния приготавливали аналогично.The inventive method were made balls of materials based on silicon nitride. As micron starting components, powdered silicon nitride was used according to TU 6-09-03-312-77; powdered magnesium oxide according to GOST 4526-75; powdered yttrium oxide according to TU 48-4-524-90; aluminum oxide (alumina) grade G-00 according to GOST 6912-87. To prepare nanosized powders, we used aluminum nitrate powder according to GOST 3575-75, yttrium nitrate powder according to TU 6-09-4676-83, magnesium nitrate powder according to GOST 6203-77. The aluminum nitrate powder was dissolved in distilled water, the solution was precipitated in aqueous ammonia according to GOST 9-92, the aluminum hydroxide precipitate was filtered off and calcined at a temperature of 600 ° C to obtain a nanosized aluminum oxide powder with a specific surface area of 30-50 m 2 / g. Yttrium oxide nanodispersed powder and magnesium oxide nanodispersed powder were prepared similarly.

Пример 1Example 1

Для изготовления шарика готовили смесь компонентов (мас.%):For the manufacture of the ball was prepared a mixture of components (wt.%):

Figure 00000001
Figure 00000001

Смесь компонентов готовили в планетарной мельнице с мелющими телами из оксида иттрия. После тщательного помола-смешения в смесь добавляют временную технологическую связку (10% раствор поливинилового спирта) в количестве 10%, помещают в металлическую пресс-форму и прессуют под давлением 120 МПа. После формования заготовки в виде цилиндра (Фиг. 1) проводят предварительную обточку твердосплавным инструментом для получения сложного профиля заготовки в виде шарика (Фиг. 2). Заготовку подвергают термообработке на воздухе для удаления связки при максимальной температуре 560°C и выдержке в течение 30 мин. Спекание проводят в вакуум-компрессионной печи сначала в вакууме до температуры 1500-1600°C, далее в среде азота при давлении 3-4 МПа до температуры 1800-1850°C. Тонкую шлифовку и полировку (варианты) внешней поверхности деталей проводят суспензиями на основе сверхтвердых абразивных материалов. Окончательное шлифование и полировку поверхности для получения заданной геометрической точности и качества поверхности шарика (Фиг. 3) проводят суспензиями на основе сверхтвердых абразивных материалов. Испытания по определению плотности и пористости керамических образцов определяли по ГОСТ 473.4-81 методом насыщения керамических заготовок водой при кипячении с последующим гидростатическим взвешиванием. Результаты испытаний шариков показали, что плотность составляет 3,27-3,28 г/см3 при пористости 0,05-0,08%. Испытания по определению предела прочности при статическом изгибе при температуре 20°C проводили по ГОСТ 20019-74 на образцах размером 5×5×50 мм. Предел прочности при изгибе составил - 830 МПа.A mixture of components was prepared in a planetary mill with grinding bodies made of yttrium oxide. After thorough grinding and mixing, a temporary technological binder (10% solution of polyvinyl alcohol) in the amount of 10% is added to the mixture, placed in a metal mold and pressed under a pressure of 120 MPa. After molding the workpiece in the form of a cylinder (Fig. 1), preliminary turning is carried out with a carbide tool to obtain a complex profile of the workpiece in the form of a ball (Fig. 2). The billet is heat-treated in air to remove the binder at a maximum temperature of 560 ° C and holding for 30 minutes. Sintering is carried out in a vacuum compression furnace, first in vacuum to a temperature of 1500-1600 ° C, then in a nitrogen atmosphere at a pressure of 3-4 MPa to a temperature of 1800-1850 ° C. Fine grinding and polishing (options) of the external surface of parts is carried out with suspensions based on superhard abrasive materials. The final grinding and polishing of the surface to obtain a given geometric accuracy and surface quality of the ball (Fig. 3) is carried out with suspensions based on superhard abrasive materials. Tests to determine the density and porosity of ceramic samples were determined according to GOST 473.4-81 by saturation of ceramic billets with water during boiling followed by hydrostatic weighing. The test results of the balls showed that the density is 3.27-3.28 g / cm 3 with a porosity of 0.05-0.08%. Tests to determine the tensile strength under static bending at a temperature of 20 ° C were carried out according to GOST 20019-74 on samples 5 × 5 × 50 mm in size. The tensile strength in bending was - 830 MPa.

Пример 2 (прототип)Example 2 (prototype)

Аналогично примеру 1 готовили смесь компонентов (мас.%):Analogously to example 1, a mixture of components was prepared (wt.%):

Figure 00000002
Figure 00000002

Смесь компонентов готовят в планетарной мельнице с мелющими телами из оксида иттрия. После тщательного помола-смешения в смесь добавляют временную технологическую связку (10% раствор поливинилового спирта) в количестве 10%, помещают в металлическую пресс-форму и прессуют пластины давлением 100 МПа. После формования заготовки в виде пластин (Фиг. 4). Заготовку подвергают термообработке на воздухе для удаления связки при максимальной температуре 600°C и выдержке в течение 20 мин. Спекание проводят в вакуум-компрессионной печи по режиму сначала в вакууме до температуры 1500°C, далее в среде азота при давлении 3 МПа до температуры 1800°C с выдержкой при максимальной температуре в течение 1 ч. Результаты испытаний показали, что плотность составляет 3,25-3,27 г/см3 при пористости 0,06-0,09%, предел прочности при изгибе составил - 800 МПа.A mixture of components is prepared in a planetary mill with grinding bodies made of yttrium oxide. After thorough grinding and mixing, a temporary technological binder (10% solution of polyvinyl alcohol) in the amount of 10% is added to the mixture, placed in a metal mold and pressed plates with a pressure of 100 MPa. After molding the workpiece in the form of plates (Fig. 4). The billet is heat-treated in air to remove the binder at a maximum temperature of 600 ° C and holding for 20 minutes. Sintering is carried out in a vacuum compression furnace according to the regime, first in vacuum to a temperature of 1500 ° C, then in a nitrogen atmosphere at a pressure of 3 MPa to a temperature of 1800 ° C with holding at a maximum temperature for 1 h. The test results showed that the density is 3, 25-3.27 g / cm 3 with a porosity of 0.06-0.09%, tensile strength in bending was 800 MPa.

Таким образом, шихта на основе нитрида кремния и способ изготовления изделий из нее позволяет получать сложнопрофильные изделия из керамического материала на основе нитрида кремния с низкой пористостью (не более 0,1%) и высокой прочностью при изгибе (800-830 МПа), проводить предварительную обточку прессованных формовок твердосплавным инструментом, упростить и удешевить технологию изготовления сложнопрофильных керамических изделий, упростить механическую обработку заготовок за счет исключения операций грубого шлифования, среднего шлифования алмазными инструментами, уменьшить трудоемкость и снизить энергозатраты.Thus, a mixture based on silicon nitride and a method of manufacturing products from it allows one to obtain complex products from a ceramic material based on silicon nitride with low porosity (not more than 0.1%) and high bending strength (800-830 MPa), to carry out preliminary turning of pressed moldings with carbide tools, to simplify and reduce the cost of the manufacturing technology of complex ceramic products, to simplify the machining of workpieces by eliminating coarse grinding operations, medium grinding Nia diamond tools, reduce labor intensity and reduce energy costs.

Claims (4)

1. Шихта на основе нитрида кремния, спекающих добавок и технологической связки, отличающаяся тем, что спекающие добавки в количестве 10-15 мас.% содержат фракцию нанодисперсных порошков в количестве 40-60 мас.%, в качестве нанодисперсных порошков используются порошки, полученные методом гетерофазного осаждения или соосаждения с удельной поверхностью 30-50 м2/г.1. A mixture based on silicon nitride, sintering additives and technological binder, characterized in that the sintering additives in an amount of 10-15 wt.% Contain a fraction of nanodispersed powders in an amount of 40-60 wt.%, Powders obtained by the method are used as nanodispersed powders heterophase deposition or coprecipitation with a specific surface of 30-50 m 2 / g 2. Способ изготовления изделий из шихты на основе нитрида по п. 1, заключающийся в помоле-смешении порошков нитрида кремния и порошков спекающих добавок, введении технологической связки, прессовании заготовки и спекании под давлением азота, отличающийся тем, что помол-смешение ведут в планетарной мельнице, в качестве технологической связки используют ПВС, прессованную заготовку подвергают механической обработке твердосплавным инструментом, затем удаляют технологическую связку на воздухе при температурах 500-1100°С, спекание проводят в вакууме до температуры 1600°С, далее в среде азота при давлении 3-4 МПа до температуры 1800-1850°С.2. A method of manufacturing products from a charge based on nitride according to claim 1, which consists in grinding and mixing powders of silicon nitride and powders of sintering additives, introducing a technological binder, pressing the workpiece and sintering under nitrogen pressure, characterized in that the grinding and mixing are carried out in a planetary a mill, PVA is used as a technological binder, the pressed billet is machined with a carbide tool, then the technological binder is removed in air at temperatures of 500-1100 ° С, sintering is carried out in a vacuum ume to a temperature of 1600 ° C, then in a nitrogen atmosphere at a pressure of 3-4 MPa to a temperature of 1800-1850 ° C. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что предварительную механическую обработку прессованной заготовки проводят твердосплавным инструментом.3. The method according to p. 1, characterized in that the preliminary machining of the pressed billet is carried out with a carbide tool. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что окончательную механическую обработку проводят суспензиями на основе сверхтвердых абразивных материалов.4. The method according to p. 1, characterized in that the final machining is carried out with suspensions based on superhard abrasive materials.
RU2015155127A 2015-12-22 2015-12-22 Silicon nitride based charge and method for production of articles thereof RU2610744C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015155127A RU2610744C1 (en) 2015-12-22 2015-12-22 Silicon nitride based charge and method for production of articles thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015155127A RU2610744C1 (en) 2015-12-22 2015-12-22 Silicon nitride based charge and method for production of articles thereof

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2610744C1 true RU2610744C1 (en) 2017-02-15

Family

ID=58458752

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015155127A RU2610744C1 (en) 2015-12-22 2015-12-22 Silicon nitride based charge and method for production of articles thereof

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2610744C1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6846765B2 (en) * 2000-09-20 2005-01-25 Hitachi Metals, Ltd. Silicon nitride powder, silicon nitride sintered body, sintered silicon nitride substrate, and circuit board and thermoelectric module comprising such sintered silicon nitride substrate
US7612006B2 (en) * 2004-10-01 2009-11-03 Yokohama Tlo Company, Ltd. Conductive silicon nitride materials and method for producing the same
RU2443659C1 (en) * 2010-06-15 2012-02-27 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" - Госкорпорация "Росатом" Manufacturing method of items from ceramic material by hot pressing based on silicon nitride

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6846765B2 (en) * 2000-09-20 2005-01-25 Hitachi Metals, Ltd. Silicon nitride powder, silicon nitride sintered body, sintered silicon nitride substrate, and circuit board and thermoelectric module comprising such sintered silicon nitride substrate
US7612006B2 (en) * 2004-10-01 2009-11-03 Yokohama Tlo Company, Ltd. Conductive silicon nitride materials and method for producing the same
RU2443659C1 (en) * 2010-06-15 2012-02-27 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" - Госкорпорация "Росатом" Manufacturing method of items from ceramic material by hot pressing based on silicon nitride

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Krell et al. Processing of high‐density submicrometer Al2O3 for new applications
JP6342807B2 (en) Manufacturing method of dense ceramic products based on SiC
CN107399988B (en) Method for preparing alumina-silicon carbide composite porous ceramic by using aluminum-silicon industrial waste residues
RU2707216C1 (en) METHOD OF PRODUCING COMPOSITE MATERIAL BASED ON Al2O3 -TiCN
RU2573146C1 (en) COMPOSITION OF CARBON BLANK FOR OBTAINING SiC/C/Si CERAMICS AND METHOD FOR OBTAINING SiC/C/Si PRODUCTS
JP2011184290A (en) Method for producing sintered cubic boron nitride compact
RU2610744C1 (en) Silicon nitride based charge and method for production of articles thereof
US20070132154A1 (en) Low-temperature high-rate superplastic forming of ceramic composite
RU2399601C2 (en) Method of making non-shrinking structural ceramic article
JP4624690B2 (en) Cutting tool insert and method of manufacturing the same
Lu et al. Investigation of nano-silicon nitride ceramics containing an yttria sintering additive and the carbon thermal reduction reaction
JP3406415B2 (en) Ceramic material and method of manufacturing ceramic product using the same
CN109627045B (en) In-situ bridging method for microcracks after grinding of silicon carbide ceramics
CN110698206B (en) Sintering method of large-size silicon nitride bearing ball and preparation method of large-size silicon nitride bearing ball
RU2443659C1 (en) Manufacturing method of items from ceramic material by hot pressing based on silicon nitride
RU2542073C1 (en) Method of producing non-shrinking nano-modified structural ceramic material
KR20110050845A (en) Manufacturing method of pre-sintered porous si granules for porous reaction-bonded silicon nitride, pre-sintered porous granules therefrom
JPH0571533B2 (en)
RU2740984C1 (en) Method of producing of silicon-carbide ceramic articles
JP5166223B2 (en) Method for joining members to be joined of silicon nitride ceramics
JP2835618B2 (en) Method for producing whisker reinforced ceramic sintered body
Hu et al. A Novel Approach for the Recycling and Reusing of Silicon Slurry Waste
JP2001002473A (en) Ceramic material and production of ceramic product using the same
KR101565845B1 (en) MANUFACTURING METHOD FOR MACHINABLE SiC CERAMICS AND SiC CERAMICS MANUFACTURED BY THE METHOD
JPH0733529A (en) Production of sintered silicon carbide

Legal Events

Date Code Title Description
TC4A Change in inventorship

Effective date: 20191024