RU2663146C1 - Материал шпонки для высокотемпературных применений - Google Patents
Материал шпонки для высокотемпературных применений Download PDFInfo
- Publication number
- RU2663146C1 RU2663146C1 RU2017132812A RU2017132812A RU2663146C1 RU 2663146 C1 RU2663146 C1 RU 2663146C1 RU 2017132812 A RU2017132812 A RU 2017132812A RU 2017132812 A RU2017132812 A RU 2017132812A RU 2663146 C1 RU2663146 C1 RU 2663146C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- thermal expansion
- key
- key material
- temperature applications
- steel
- Prior art date
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 19
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 5
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 claims description 4
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 abstract description 9
- 239000010959 steel Substances 0.000 abstract description 9
- 239000002131 composite material Substances 0.000 abstract description 4
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 abstract description 4
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 abstract description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 abstract description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 5
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 2
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/515—Shaped 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
- C04B35/56—Shaped 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 carbides or oxycarbides
- C04B35/565—Shaped 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 carbides or oxycarbides based on silicon carbide
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C29/00—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides
- C22C29/18—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on silicides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C49/00—Alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
- C22C49/02—Alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments characterised by the matrix material
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
- F16B3/00—Key-type connections; Keys
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в устройствах, при работе которых возможно выделение большого количества тепла, приводящего к тепловому расширению шпонки и заклиниванию устройства. Композиционный материал шпонки представляет собой матрицу из поликристаллического кремния, армированную волокнами карбида кремния. Материал с низкими значениями коэффициента теплового расширения и сухого трения по стали может использоваться при температурах до 1300°С. Кроме того, материал обладает высокой твердостью и стойкостью к окислению при нагреве. 1 ил., 3 табл.
Description
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в устройствах, при работе которых возможно выделение большого количества тепла, приводящего к тепловому расширению шпонки и заклиниванию устройства. К такого рода устройствам относится, в частности, вращатель станка для колонкового бурения и т.п. Применяемые в настоящее время элементы обеспечения соосности элементов вращателя (шпонки) изготавливаются из металлических сплавов (как правило, стали), характеризующихся коэффициентом теплового расширения (КТР) на уровне (10-15)⋅10-6 град-1.
Такая шпонка должна обеспечивать возможности как высокооборотного вращения, так и плоскопараллельного перемещения бура. В связи с этим длина таких шпонок значительна, тепловые и механические нагрузки велики, износ протекает достаточно быстро, а для замены шпонки буровой станок необходимо доставить в специализированное ремонтное предприятие и провести практически полную разборку станка, что сопряжено со значительными затратами.
Использование шпонок и/или штоков из неметаллического композита на основе кремния, армированного карбидокремниевыми волокнами, позволяет значительно увеличить надежность устройств, поскольку КТР этого материала составляет 4.6⋅10-6 град-1. Кроме того, температурный предел использования деталей из спецсталей под нагрузкой составляет максимум 800°С, тогда как этот параметр для деталей из предложенного материала достигает 1300°С.
Известна сталь ХН 65 ВМТЮ ГОСТ 5632-72 (Журавлев В.Н., Николаева О.И. Машиностроительные стали. Справочник. М.: Машиностроение, 1987) [1], содержащая кроме углерода значительное количество никеля и принципиально пригодная для изготовления шпонок. Максимальная температура ее использования достигает 800°С, но ее себестоимость высока, КТР значителен, она с трудом обрабатывается и используется в основном для изготовления лопаток газовых турбин.
Известен материал для шпонок: сталь 45 ГОСТ 1050-74 (Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя, М.: Машиностроение, 1974) [2], принятый за прототип. Из этой стали изготавливаются практически все применяемые в машиностроении шпонки. Химический состав этой стали представлен в Таблице 1.
Для использования при высоких температурах и больших динамических нагрузках недостатки материала [2] заключаются в следующем:
1. Предельная температура использования 600°С может быть недостаточной в экстремальных условиях эксплуатации и приводить к формоизменению («оплыванию») шпонки.
2. Коэффициент теплового расширения (КТР) материала α достигает 15⋅10-6 град-1, что может быть причиной заклинивания механизма при нагреве шпонки.
3. Коэффициент сухого трения μ для материала [2] имеет удовлетворительное значение, но его снижение было бы желательным применительно к работе шпонок при плоскопараллельном перемещении частей механизма.
4. Образование окалины на внешних поверхностях деталей из материала [2] при нагреве на воздухе неизбежно.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в применении (использовании) материала для изготовления шпонок, пригодных для эксплуатации в экстремальных условиях в воздушной среде при высоких температурах, и может выражаться, в частности, в снижении коэффициентов теплового расширения и сухого трения, увеличении твердости и максимально допустимой температуры использования, а также повышении стойкости к окислению при нагреве.
Для достижения указанного технического результата в качестве основы материала вместо железа используется поликристаллический кремний, содержащий армирующий компонент из волокон карбида кремния. Состав получаемой композиции (в масс. %) следующий: кремний - (85-65), карбид кремния - (5-35), свободный углерод - менее 1.
Сравнительные функциональные характеристики стали и предлагаемого материала приведены в Таблице 2. Из приведенных данных следует многократное повышение эксплуатационных параметров по сравнению с материалом-прототипом. Кратковременное сопротивление разрыву у сравниваемых материалов в основном совпадает, поэтому в Таблице 2 не приводится.
Структура предлагаемого материала иллюстрируется Фиг. 1 (микрофотографии выполнены на оптическом микроскопе). Толщина заготовки определяется количеством слоев углеграфитовой ткани перед проведением процесса ее пропитки расплавленным кремнием. На Фиг. 1а показан поперечный срез пропитанных кремнием слоев ткани при малом увеличении. Фиг. 1б иллюстрирует продольный срез материала при большем увеличении. На Фиг. 1в, г приведены поперечный и продольный срезы при еще больших увеличениях.
Использование чистого кремния для достижения указанного технического результата практически невозможно, поскольку он переходит в область пластического течения уже при температуре >600°С. Кроме того, он значительно уступает по твердости предложенному композиционному материалу. Физико-механические свойства обеспечиваются лишь после армирования матрицы волокнами карбида кремния.
Для получения предлагаемого композиционного материала используют направленную пропитку расплавленным кремнием нескольких слоев предварительно натянутой высокоактивной углеграфитовой ткани, нарезание полученного материала на пластины и дальнейшую обработку заготовок на плоско-шлифовальном станке вплоть до получения шпонок с требуемыми геометрическими размерами и качеством их поверхностей.
Claims (2)
- Материал шпонки для высокотемпературных применений, содержащий основу и армирующий компонент, отличающийся тем, что основой служит поликристаллический кремний, а армирующий компонент выполнен из волокон карбида кремния при следующем соотношении компонентов:
-
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017132812A RU2663146C1 (ru) | 2017-09-19 | 2017-09-19 | Материал шпонки для высокотемпературных применений |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017132812A RU2663146C1 (ru) | 2017-09-19 | 2017-09-19 | Материал шпонки для высокотемпературных применений |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2663146C1 true RU2663146C1 (ru) | 2018-08-01 |
Family
ID=63142500
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017132812A RU2663146C1 (ru) | 2017-09-19 | 2017-09-19 | Материал шпонки для высокотемпературных применений |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2663146C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU226105U1 (ru) * | 2024-02-02 | 2024-05-21 | Владимир Васильевич Галайко | Шпонка призматическая из базальтового композитного материала |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5291917A (en) * | 1976-01-30 | 1977-08-02 | Nippon Carbon Co Ltd | Composite material |
| SU1830057A3 (ru) * | 1986-09-16 | 1993-07-23 | Lanxide Technology Co Ltd | Способ получения поликристаллического композиционного материала |
| JPH0818080A (ja) * | 1994-06-28 | 1996-01-19 | Tonen Corp | 炭素繊維シリコン複合材料 |
| US5965266A (en) * | 1995-03-28 | 1999-10-12 | Societe Nationale D'etude Et De Construction De Moteurs D'aviation | Composite material protected against oxidation by a self-healing matrix, and a method of manufacturing it |
| RU2184715C2 (ru) * | 1997-03-21 | 2002-07-10 | Сгл Карбон Аг | Армированный волокном композиционный керамический материал и способ его изготовления |
| RU2392250C1 (ru) * | 2009-04-29 | 2010-06-20 | Российская Федерация в лице Министерства промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Керамический композиционный материал |
| RU2573146C1 (ru) * | 2014-12-24 | 2016-01-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) | КОМПОЗИЦИЯ УГЛЕРОДНОЙ ЗАГОТОВКИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ SiC/C/Si КЕРАМИКИ И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ SiC/C/Si ИЗДЕЛИЙ |
| CN106479601A (zh) * | 2016-10-10 | 2017-03-08 | 北京三联创业科技发展有限公司 | 制备内燃机动密封用硅碳微晶复合材料的工艺 |
| CN106626561A (zh) * | 2016-09-27 | 2017-05-10 | 西安康本材料有限公司 | 多晶硅氢化炉用碳纤维u型加热器预制体的制备方法 |
-
2017
- 2017-09-19 RU RU2017132812A patent/RU2663146C1/ru active
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5291917A (en) * | 1976-01-30 | 1977-08-02 | Nippon Carbon Co Ltd | Composite material |
| SU1830057A3 (ru) * | 1986-09-16 | 1993-07-23 | Lanxide Technology Co Ltd | Способ получения поликристаллического композиционного материала |
| JPH0818080A (ja) * | 1994-06-28 | 1996-01-19 | Tonen Corp | 炭素繊維シリコン複合材料 |
| US5965266A (en) * | 1995-03-28 | 1999-10-12 | Societe Nationale D'etude Et De Construction De Moteurs D'aviation | Composite material protected against oxidation by a self-healing matrix, and a method of manufacturing it |
| RU2184715C2 (ru) * | 1997-03-21 | 2002-07-10 | Сгл Карбон Аг | Армированный волокном композиционный керамический материал и способ его изготовления |
| RU2392250C1 (ru) * | 2009-04-29 | 2010-06-20 | Российская Федерация в лице Министерства промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Керамический композиционный материал |
| RU2573146C1 (ru) * | 2014-12-24 | 2016-01-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) | КОМПОЗИЦИЯ УГЛЕРОДНОЙ ЗАГОТОВКИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ SiC/C/Si КЕРАМИКИ И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ SiC/C/Si ИЗДЕЛИЙ |
| CN106626561A (zh) * | 2016-09-27 | 2017-05-10 | 西安康本材料有限公司 | 多晶硅氢化炉用碳纤维u型加热器预制体的制备方法 |
| CN106479601A (zh) * | 2016-10-10 | 2017-03-08 | 北京三联创业科技发展有限公司 | 制备内燃机动密封用硅碳微晶复合材料的工艺 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU226105U1 (ru) * | 2024-02-02 | 2024-05-21 | Владимир Васильевич Галайко | Шпонка призматическая из базальтового композитного материала |
| RU226243U1 (ru) * | 2024-03-24 | 2024-05-28 | Владимир Васильевич Галайко | Шпонка призматическая из композитного гибридного стеклопластикового материала |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Amini et al. | Synthesis and mechanical properties of fully dense Ti2SC | |
| Zoli et al. | On the thermal shock resistance and mechanical properties of novel unidirectional UHTCMCs for extreme environments | |
| Li | Modeling the monotonic and cyclic tensile stress-strain behavior of 2D and 2.5 D woven C/SiC ceramic-matrix composites | |
| Xu et al. | Model of oxidation‐induced fiber fracture in SiC/SiC composites | |
| Daguang et al. | Effect of thermal cycling on the mechanical properties of Cf/Al composites | |
| Candelario et al. | Liquid-phase assisted spark-plasma sintering of SiC nanoceramics and their nanocomposites with carbon nanotubes | |
| Morscher et al. | Creep in vacuum of woven Sylramic-iBN melt-infiltrated composites | |
| Jana et al. | Effect of sintering temperature on density and mechanical properties of solid-state sintered silicon carbide ceramics and evaluation of failure origin | |
| Tian et al. | Effect of Co on thermal and mechanical properties of Si3N4 based ceramic tool material | |
| Wu et al. | Si3N4-SiCw composites as structural materials for cryogenic application | |
| Mainzer et al. | Novel ceramic matrix composites with tungsten and molybdenum fiber reinforcement | |
| Zimmermann et al. | Thermal shock resistance and fracture behavior of ZrB2–based fibrous monolith ceramics | |
| Niu et al. | Mechanical and thermal shock properties of Cf/SiBCN composite: effect of sintering densification and fiber coating | |
| Dash et al. | Compressive creep of SiC whisker/Ti3SiC2 composites at high temperature in air | |
| RU2663146C1 (ru) | Материал шпонки для высокотемпературных применений | |
| Malik et al. | Mechanical properties of silicon carbide—in situ zirconium carbonitride composites | |
| Spatz et al. | CMC jackets for metallic pipes–A novel approach to prevent the creep deformation of thermo-mechanically loaded metals | |
| Wang et al. | Microstructure and mechanical properties of graphite fiber-reinforced high-purity aluminum matrix composite | |
| Zhang et al. | Effect of heat treatment on microstructure and mechanical properties of ZrC particles reinforced tungsten-matrix composites | |
| Han et al. | Influence of CVI process time on the C-ring strength of hybrid SiCf/SiC composites fabricated by CVI–LSI | |
| JP2012153575A (ja) | 炭素繊維強化炭化ケイ素系セラミックスとその製造方法 | |
| Li et al. | Mechanical Property of M40J f/5A06Al Composite at Elevated Temperatures | |
| Su et al. | Effects of single-phase and co-deposited interphases on mechanical properties of T700TM-C/SiC minicomposites: experiment and theory prediction | |
| Watts et al. | Mechanical characterization of annealed ZrB 2–SiC composites | |
| Yang et al. | The Degradation Behavior of SiC f/SiO 2 Composites in High-Temperature Environment |