RU2681332C1 - Способ получения композиционного материала SiC-TiN - Google Patents
Способ получения композиционного материала SiC-TiN Download PDFInfo
- Publication number
- RU2681332C1 RU2681332C1 RU2018111466A RU2018111466A RU2681332C1 RU 2681332 C1 RU2681332 C1 RU 2681332C1 RU 2018111466 A RU2018111466 A RU 2018111466A RU 2018111466 A RU2018111466 A RU 2018111466A RU 2681332 C1 RU2681332 C1 RU 2681332C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- powder
- sic
- tin
- sintering
- hot pressing
- Prior art date
Links
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
- C04B35/58—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 borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides
- C04B35/58007—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 borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on refractory metal nitrides
- C04B35/58014—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 borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on refractory metal nitrides based on titanium nitrides, e.g. TiAlON
-
- 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
- C22C29/02—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides
- C22C29/06—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides based on carbides, but not containing other metal compounds
- C22C29/065—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides based on carbides, but not containing other metal compounds based on SiC
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
Abstract
Изобретение относится к технической керамике в виде композиционного материала SiC-TiN. Способ включает горячее прессование порошковой смеси. В качестве порошковой смеси используют смесь, содержащую 53-83 мас.% порошка карбида кремния, 5-40 мас.% порошка титана и 7 мас.% порошка спекающей добавки в виде YO-AlO-ZrOили YO-AlOв соотношении 3:5. В процессе горячего прессования обеспечивают совмещение спекания и азотирования порошковой смеси при температуре 1600°С в атмосфере азота в течение 30 мин при давлении 30 МПа, затем температуру повышают до 1850°С и проводят выдержку 30 мин с получением композиционного материала основными фазами SiC и TiN. Обеспечивается высокая прочность и твердость керамического материала. 1 табл., 1 ил.
Description
Изобретение относится к области технической керамики, в частности к композиционному материалу на основе карбида кремния и нитрида титана, полученный методом горячего прессования с одновременным азотированием, имеющему высокие значения прочности и твердости. Данный материал может быть использован для изготовления износостойких изделий, таких как детали трибологического назначения, а также для создания легких керамических бронеэлементов в составе конструкции.
Известен способ получения композиционного керамического материала технического назначения состава TiN/Al2O3, который является перспективным для получения жаропрочных и износостойких материалов, а также покрытия для режущих и обрабатывающих инструментов [патент Россия №2524061]. Способ получения композиционного керамического материала, заключающийся в использовании в качестве исходной шихты для получения оксинитридной керамики продуктов сгорания на воздухе композиционных смесей на основе грубодисперсного порошка титана и мелкодисперсного порошка оксида титана TiO2 в количестве 20-40 масс. % с добавкой нанопорошка алюминия в количестве 10 масс. %, горячее изостатическое прессование проводят в атмосфере азота при температуре 1550°С в течение 30 минут. Результатом применения способа является композиционный керамический материал состава 90%TiN/10%Al2O3, который обладал следующими механическими характеристиками: относительная плотность 99%, прочность на сжатие 2,2 ГПа, микротвердость 17 ГПа. Недостатком способа является то, что метод горячего изостатического прессования имеет технические сложности, а также высокую стоимость получаемых изделий.
Известен способ получения керамических изделий на основе карбида кремния и нитрида титана. Исходными материалами были: a-SiC порошок (размер частиц 0,5-1 мм) в виде матрицы, Al2O3 и Y2O3 в качестве спекающих добавок и наночастицы TiN (средний размер частиц 20 нм) в качестве упрочняющей фазы. Исходные порошки прессуют до образования прямоугольных образцов и последующего уплотнения методом холодного изостатического прессования при 250 МПа. Далее образцы были подвергнуты жидкофазному спеканию в вакуумной печи при 1950°С в течение 15 мин, а затем при 1850°С в течение 1 часа [Xingzhong Guo, Hui Yang, Lingjie Zhang, Xiaoyi Zhu, Sintering behavior, microstructure and mechanical properties of silicon carbide ceramics containing different nano-TiN additive, Ceramics International 36, 2010, pp. 161-165]. В результате был получен композиционный материал, обладающий следующими характеристиками: прочность на изгиб - 472,0-686,8 МПа, относительная плотность - 91,1-92,8%.
Недостатком данного способа является то, что для уплотнения образцов используют достаточно высокое давление, а также получаемые изделия достаточно дорогие, есть сложности выдерживания точности размеров формовки.
Известен способ получения керамических изделий на основе SiC-керамики, усиленной SiC волокнами, и/или наночастицами TiN. [Lingjie Zhang, Hui Yang, Xingzhong Guo, Jianchao Shen, Xiaoyi Zhu, Preparation and properties of silicon carbide ceramics enhanced by TiN nanoparticles and SiC whiskers, Scripta Materialia 65, 2011, pp. 186-189] Просеянные порошки прессовались под давлением 100 МПа в течение 10 с. Затем в течение 300 с. методом холодного изостатического прессования под давлением 250 МПа. Спекание проводили в печи при температуре 1950°С в вакууме или в атмосфере аргона в течение 15 минут, затем выдерживали при температуре 1850°С в течение часа. Введение в состав волокон SiC и наночастиц TiN улучшает уплотнение и механические свойства керамики на основе SiC. Относительная плотность керамики на основе SiC увеличилась с 95,8% до 98,1%. Микротвердость была улучшена с 18,19 до 26,65 ГПа для SiC-TiN, значение прочности на изгиб составило от 416 до 1122,81 МПа.
Недостатком данного способа является то, что метод получения данного материала является многостадийным и достаточно сложным, а также получаемые изделия достаточно дорогие, так как для получения композита используется дорогостоящий нанопорошок TiN, а также карбид кремниевые волокна.
Наиболее близким является способ получения электрической и теплопроводной SiC - керамики, с компонентным составом: 94-96 масс. % - β-SiC, 2-4 масс. % - TiN, 2 масс. % - Y2O3 [Kwang Joo Kim, Kwang-Young Lim, Young-Wook Kim, Electrically and thermally conductive SiC ceramics, Journal of the Ceramic Society of Japan 122 [11], pp. 963-966, 2014]. Порошки смешивают в шаровой мельнице в полипропиленовых стаканах в течение 24 часов в среде этанола. Измельченную суспензию сушат, просеивают и подвергают горячему прессованию при 2000°С в течение 3 ч при 40 МПа в среде азота.
К недостаткам получения данного прототипа можно отнести сложность получения исходных материалов и их дороговизна, высокую температуру спекания, а также длительность процесса производства композиционного материала, а именно: измельчение и смешивание компонентов в течение 24 часов,
Задачей изобретения является метод получения композиционного керамического материала обеспечивающего высокие показатели износостойкости с высокими значениями прочности, твердости методом горячего прессования с одновременным азотированием титана.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является понижение трудоемкости процесса получения композиционного материала SiC-TiN, уменьшение стоимости конечного изделия из композиционного материала, при сохранении высоких значений прочности, твердости керамического материала SiC-TiN.
Технический результат достигается тем, что в качестве исходных компонентов использованы порошок титана в количестве 5-40 масс. %, порошок карбида кремния в количестве 53-83 масс. % и спекающие добавки Y2O3-Al2O3-ZrO2 или Y2O3-Al2O3(3:5) (YAG) - 7 масс. %, горячее прессование проводится в атмосфере азота при температуре 1600°С в течение 30 минут при давлении 30 МПа, затем температура повышается до 1850°С и выдерживается еще 30 минут, в результате чего происходит совмещение процессов спекания и азотирования.
Сущность изобретения заключается в получении композиционного материала на основе карбида кремния и нитрида титана методом горячего прессования, включающий в себя в качестве исходных компонентов порошок карбида кремния в количестве 53-83 масс. % и спекающие добавки Y2O3-Al2O3-ZrO2 или Y2O3-Al2O3(3:5) (YAG) - 7 масс. %, дополнительно в качестве исходного компонента используется порошок Ti в количестве 5-40 масс. %, горячее прессование проводится в атмосфере азота при температуре 1600°С в течение 30 минут при давлении 30 МПа, затем температура повышается до 1850°С и выдерживается еще 30 минут, в результате чего происходит совмещение процессов спекания и азотирования, а именно получение нитрида титана из порошка титана, который находится в смеси с SiC, и одновременное введение TiN в карбид кремневую матрицу в процессе горячего прессования в среде азота
В отличии от прототипа, для получения композиционного керамического материала используется порошки карбид кремния (<25 мкм), титана (<25 мкм), и в качестве спекающей добавки системы Y2O3-Al2O3-ZrO2 и Y2O3-Al2O3(3:5) (YAG), в массовых соотношениях соответственно: 53-83 масс. %, 5-40 масс. %, 7 масс. %.
В предлагаемом изобретении используется метод горячего прессования с одновременным азотированием титана, который является относительно простым в сравнении с методом горячего изостатического прессования, который используется в прототипе. Метод горячего прессования позволяет получать изделия с плотностью, максимально приближенной к теоретической, а также есть возможность регулирования микроструктуры образцов.
В предлагаемом способе получения композиционного материала, используется метод горячего прессования при давлении 30 МПа, когда как в прототипе для уплотнения образцов используется двух стадийное прессование при давлении 250 МПа, и только лишь потом образцы спекают.
В отличии от прототипа, в предлагаемом изобретении используется титан в чистом виде, а не готовый порошок нитрида титана, что позволяет снизить себестоимость готового изделия.
В предлагаемом изобретении используется порошок титана с размером частиц равным 25 мкм, в прототипах предлагают использовать дорогостоящие нанопорошки нитрида титана.
В отличии от аналога длительность разработанного метода получения композиционного материала значительно меньше.
Пример 1.
Для получения изделий использовали порошок SiC (<25 мкм), порошок Ti (<25 мкм). В качестве спекающей добавки были использованы добавка системы Y2O3-Al2O3-ZrO2, полученная плазмохимическим методом (YAlZr), а также Y2O3-Al2O3(3:5) (YAG). Были подготовлены 5 различных составов, отличающиеся количеством Ti, а также видом спекающей добавки. Составы приведены в Таблице 1 в массовых %. Образцы изготавливаются методом горячего прессования с одновременным азотированием титана.. Технология включает в себя следующие этапы: подготовка исходных порошков, смешивание, высушивание, просеивание, предварительная формовка, обжиг. Обжиг проводится в среде азота в графитовой пресс-форме. Обжиг проводится ступенчато. Первая выдержка проводилась при температуре 1600°С в течение 30 минут. Далее температуры повышалась до 1850°С и проведена вторая выдержка в течение 30 минут. Удельное давление прессования составляло 30 МПа. В процессе горячего прессования, приложенное давление обеспечивает повышенное уплотнение материала.
В начале процесса горячего прессования происходит уплотнение прессованной заготовки под действием приложенного давления и повышенной температуры. Исходный титан равномерно распределен по объему заготовки. Порошок титана во время спекания в среде азота азотируется и при дальнейшем повышении температуры происходит спекание композиционного материала с образованием материала SiC-TiN. Спекание происходит с помощью спекающих добавок. Азотирование титана проходит при температурах близких к 1600°С. Таким образом за один процесс горячего прессования происходит два процесса: азотирование титана и дальнейшее спекание композиционного материала. Это позволяет снизить себестоимость композиционного материала за счет использования более дешевых компонентов.
Полученный материал был исследован. По данным рентгенофазового анализа – Рисунок - 1, полученный материал представлен двумя основными фазами SiC и TiN. Титана в чистом виде, а также карботитана, который мог образовываться во время обжига в графитовой пресс-форме, не обнаружено.
Данные образцы были испытаны на прочность при трехточечном изгибе. Прочность материала составила 340-400 МРа. Микротвердость составила 22,8-34,4 ГПа. Относительная плотность материала составила 0,91-0,97.
Claims (1)
- Способ получения композиционного материала SiC-TiN, включающий горячее прессование порошковой смеси, отличающийся тем, что в качестве порошковой смеси используют смесь, содержащую 53-83 мас.% порошка карбида кремния, 5-40 мас.% порошка титана и 7 мас.% порошка спекающей добавки в виде Y2O3-Al2O3-ZrO2 или Y2O3-Al2O3 в соотношении 3:5, при этом в процессе горячего прессования обеспечивают совмещение спекания и азотирования порошковой смеси при температуре 1600°С в атмосфере азота в течение 30 мин при давлении 30 МПа, затем температуру повышают до 1850°С и проводят выдержку 30 мин с получением композиционного материала основными фазами SiC и TiN.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018111466A RU2681332C1 (ru) | 2018-03-30 | 2018-03-30 | Способ получения композиционного материала SiC-TiN |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018111466A RU2681332C1 (ru) | 2018-03-30 | 2018-03-30 | Способ получения композиционного материала SiC-TiN |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2681332C1 true RU2681332C1 (ru) | 2019-03-06 |
Family
ID=65632812
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018111466A RU2681332C1 (ru) | 2018-03-30 | 2018-03-30 | Способ получения композиционного материала SiC-TiN |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2681332C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2785672C1 (ru) * | 2022-04-01 | 2022-12-12 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет", (ДГТУ) | Состав смешанной режущей керамики и способ ее изготовления |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH05116152A (ja) * | 1991-05-20 | 1993-05-14 | Sodick Co Ltd | セラミツクス製成形型 |
RU2016879C1 (ru) * | 1992-06-18 | 1994-07-30 | Всероссийский научно-исследовательский и проектный институт тугоплавких металлов и твердых сплавов | Керамический материал |
JPH10226578A (ja) * | 1997-02-10 | 1998-08-25 | Bayer Ag | 液相焼結された、電気伝導性かつ耐酸化性のセラミツク材料、それを製造するための方法及びそれの使用 |
RU2399601C2 (ru) * | 2008-11-19 | 2010-09-20 | Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный университет | Способ получения безусадочного конструкционного керамического изделия |
JP5116152B2 (ja) * | 2008-03-17 | 2013-01-09 | 信越化学工業株式会社 | 半導体装置製造用の樹脂組成物 |
RU2542073C1 (ru) * | 2013-12-26 | 2015-02-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) | Способ получения безусадочного наномодифицированного конструкционного керамического материала |
-
2018
- 2018-03-30 RU RU2018111466A patent/RU2681332C1/ru active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH05116152A (ja) * | 1991-05-20 | 1993-05-14 | Sodick Co Ltd | セラミツクス製成形型 |
RU2016879C1 (ru) * | 1992-06-18 | 1994-07-30 | Всероссийский научно-исследовательский и проектный институт тугоплавких металлов и твердых сплавов | Керамический материал |
JPH10226578A (ja) * | 1997-02-10 | 1998-08-25 | Bayer Ag | 液相焼結された、電気伝導性かつ耐酸化性のセラミツク材料、それを製造するための方法及びそれの使用 |
JP5116152B2 (ja) * | 2008-03-17 | 2013-01-09 | 信越化学工業株式会社 | 半導体装置製造用の樹脂組成物 |
RU2399601C2 (ru) * | 2008-11-19 | 2010-09-20 | Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный университет | Способ получения безусадочного конструкционного керамического изделия |
RU2542073C1 (ru) * | 2013-12-26 | 2015-02-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) | Способ получения безусадочного наномодифицированного конструкционного керамического материала |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Kwang Joo Kim и др. Electrically and thermally conductive SiC ceramics. Journal of the Ceramic Society of Japan, 122, [11], 2014, с.963-966. * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2785672C1 (ru) * | 2022-04-01 | 2022-12-12 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет", (ДГТУ) | Состав смешанной режущей керамики и способ ее изготовления |
RU2800345C1 (ru) * | 2023-05-16 | 2023-07-20 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Смешанная режущая керамика и способ изготовления режущей пластины из смешанной режущей керамики |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6344844B2 (ja) | 炭化ホウ素/ホウ化チタンコンポジットセラミックス及びその作製法 | |
JP5930317B2 (ja) | 高強度強靱性ZrO2‐Al2O3系固溶体セラミックスの作製法 | |
Baharvandi et al. | Processing and mechanical properties of boron carbide–titanium diboride ceramic matrix composites | |
JP3559382B2 (ja) | 窒化珪素質焼結体の製造方法 | |
Akkus et al. | Investigation of wear properties of CaO, MgO added stabilized zirconia ceramics produced by different pressing methods | |
RU2681332C1 (ru) | Способ получения композиционного материала SiC-TiN | |
Jeong et al. | Fabrication of Si3N4 ceramics by post-reaction sintering using Si–Y2O3–Al2O3 nanocomposite particles prepared by mechanical treatment | |
JP4809096B2 (ja) | TiB2基Ti−Si−C系複合セラミックス及びその焼結体製造方法 | |
Korosteleva et al. | Structure and properties of powder cathode materials of titanium-titanium carbide system | |
JP2518630B2 (ja) | 窒化珪素質焼結体及びその製法 | |
JP7414300B2 (ja) | ホウ化ジルコニウム/炭化ホウ素コンポジット及びその製造方法 | |
JPS5919903B2 (ja) | SiC系焼結体のホツトプレス製造方法 | |
RU2697987C1 (ru) | Способ изготовления керамики на основе композита нитрид кремния - нитрид титана | |
RU2812539C1 (ru) | Способ изготовления композиционной керамики карбид бора - диборид циркония | |
JP4292255B2 (ja) | α−サイアロン焼結体及びその製造方法 | |
JP2003095747A (ja) | 窒化珪素焼結体及びそれを用いてなる回路基板 | |
RU2770773C1 (ru) | Способ получения шихты для изготовления композиционной керамики карбид бора - диборид циркония | |
RU2556931C1 (ru) | Способ получения композиционных порошков на основе альфа-фазы нитрида кремния методом свс | |
JPH07108815B2 (ja) | 窒化珪素質焼結体の製造方法 | |
RU2794376C1 (ru) | Способ получения керамики на основе оксинитрида алюминия | |
JP2004292176A (ja) | 複合セラミックスおよびその製造方法 | |
JPH0224789B2 (ru) | ||
Dang et al. | Consolidation of alumina toughened zirconia by two-step sintering | |
JP3060473B2 (ja) | 複合セラミックスおよびその製造方法 | |
JPH06116045A (ja) | 窒化珪素焼結体及びその製造方法 |