RU2740984C1

RU2740984C1 - Method of producing of silicon-carbide ceramic articles

Info

Publication number: RU2740984C1
Application number: RU2019134104A
Authority: RU
Inventors: Сергей Леонидович Шикунов; Ирина Алексеевна Шикунова; Владимир Николаевич Курлов
Priority date: 2019-10-23
Filing date: 2019-10-23
Publication date: 2021-01-22

Abstract

FIELD: chemistry.SUBSTANCE: method of invention relates to production of silicon carbide ceramic articles, including large-size ceramic articles, having improved operational characteristics, including at high temperatures for use in various industries. Proposed method comprises preparation of charge from silicon carbide powders with binder, rolling, pneumatic milling of obtained mass, moulding billets by mouth-pressing method, cutting into pieces of required length and subsequent coking annealing. After coking firing, articles are impregnated with colloidal-graphite alcohol solution and silicated by impregnation with silicon melt or by holding in silicon vapours in high-temperature chamber. According to the method of the invention large-size heaters, crucibles, funnels, heat exchangers, pipes for transfer of abrasive-containing suspensions and aggressive liquids, and so forth can be made.EFFECT: technical result consists in increasing the size of silicon carbide products with high mechanical strength, thermal shock resistance, density of 2.5–2.9 g/cm3, high technological effectiveness and profitability of their manufacture, wider field of use of silicon carbide ceramic.1 cl, 1 tbl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области получения керамических изделий, в том числе крупногабаритных, обладающих высокой механической прочностью, износостойкостью, химической инертностью, коррозионной стойкостью, в том числе при высоких температурах, и может быть использовано в машиностроении и на предприятиях оборонной промышленности, в металлургии, нефтяной промышленности, ЖКХ и др.The invention relates to the field of production of ceramic products, including large-sized, with high mechanical strength, wear resistance, chemical inertness, corrosion resistance, including at high temperatures, and can be used in mechanical engineering and at enterprises of the defense industry, in metallurgy, oil industry , Housing and communal services, etc.

Известен способ изготовления карбидокремниевых нагревателей [SU 170173 «Способ изготовления трубчатых неметаллических нагревателей» опубл. 09.04.1965], включающий перемешивание порошков карбида кремния, кремния и сажи со связующим веществом, в качестве которого могут быть взяты сажа и пек или синтетическая смола, вальцовку полученной массы, пневмотрамбовку и формование методом мундштучного прессования и нарезку на куски; отформованные заготовки подвергаются коксующему обжигу при температуре 1300°С или отвержению в полимеризаторе. Далее отвержденные заготовки подвергаются силицирующему отжигу путем прямого или косвенного электротермического нагрева в засыпке, приготовленной на основе смеси песка и кокса. После этого, тем или иным способом формируют токоподводящие части.A known method of manufacturing silicon carbide heaters [SU 170173 "Method of manufacturing tubular non-metallic heaters" publ. 04/09/1965], including mixing powders of silicon carbide, silicon and soot with a binder, which can be taken as soot and pitch or synthetic resin, rolling the resulting mass, pneumatic ramming and molding by the method of die pressing and cutting into pieces; The formed blanks are subjected to coking firing at a temperature of 1300 ° C or curing in a polymerizer. Further, the hardened workpieces are subjected to siliconizing annealing by direct or indirect electrothermal heating in a backfill prepared on the basis of a mixture of sand and coke. After that, current-carrying parts are formed in one way or another.

Преимуществом указанного способа является возможность получения крупногабаритных карбидокремниевых изделий при относительнонизкой удельной стоимости. Недостатком способа являются низкая прочность изделий из-за высокой пористости (15-25%) и малой связанности частиц карбида кремния в объеме получающейся карбидокремниевой керамики. По этим причинам, несмотря на возможность использования данного способа для получения изделий сложных форм и длинномерных изделий, область применения получаемых карбидокремниевых изделий ограничена преимущественно нагревательными элементами относительно небольшой длины, эксплуатация которых допустима при условии медленного нагрева и охлаждения, ограничении рабочих температур и т.д.The advantage of this method is the ability to obtain large-sized silicon carbide products at a relatively low unit cost. The disadvantage of this method is the low strength of the products due to high porosity (15-25%) and low cohesion of silicon carbide particles in the volume of the resulting silicon carbide ceramics. For these reasons, despite the possibility of using this method to obtain products of complex shapes and long products, the field of application of the obtained silicon carbide products is limited mainly by heating elements of relatively short length, the operation of which is permissible under the condition of slow heating and cooling, limited operating temperatures, etc.

Технический результат в увеличении размера карбидокремниевых изделий с повышенной механической прочностью, термоударной стойкостью плотностью 2,5-2,9 г/см³, повышении технологичности и рентабельности их изготовления, расширении областей применения карбидокремниевой керамики.The technical result is to increase the size of silicon carbide products with increased mechanical strength, thermal shock resistance with a density of 2.5-2.9 g / cm ³ , increase the manufacturability and profitability of their manufacture, and expand the areas of application of silicon carbide ceramics.

Технический результат достигается за счет того, что в способе получения изделий из карбидокремниевой керамики, заключающемся в получении изделия из рекристаллизованной керамики перемешиванием шихты из порошков карбида кремния со связующим веществом, вальцовкой, пневмотрамбовкой полученной массы, формованием методом мундштучного прессования и нарезкой на куски с последующим коксующим обжигом при температуре 1300°С и силицирующим отжигом, в полученное изделие вводится углеродосодержащий компонент, далее производится пропитка кремнием и/или выдерживание в парах кремния в высокотемпературной камере.The technical result is achieved due to the fact that in the method of obtaining products from silicon carbide ceramics, which consists in obtaining products from recrystallized ceramics by mixing a mixture of silicon carbide powders with a binder, rolling, pneumatic ramming of the resulting mass, molding by the method of die pressing and cutting into pieces, followed by coking by firing at a temperature of 1300 ° C and siliconizing annealing, a carbon-containing component is introduced into the resulting product, then impregnation with silicon and / or holding in silicon vapor in a high-temperature chamber is performed.

Введение углеродных компонентов в карбидокремниевый каркас рекристаллизованной керамики и последующее силицирование обеспечивают образование дополнительных связей между частицами карбида кремния, что приводит к увеличению механической прочности получаемых изделий. Остаточные углерод и кремний, сохраняющиеся в объеме керамики после повторного силицирования, увеличивают трещиностойкость и термоударную прочность получаемых изделий.The introduction of carbon components into the silicon carbide framework of the recrystallized ceramics and subsequent siliconizing provide the formation of additional bonds between silicon carbide particles, which leads to an increase in the mechanical strength of the resulting products. Residual carbon and silicon remaining in the bulk of the ceramic after repeated siliconizing increase the fracture toughness and thermal shock strength of the resulting products.

Изобретение поясняется рисунками и примером.The invention is illustrated by drawings and an example.

Микроструктура карбидокремниевой керамики, полученной по способу прототипа изобретения (Фиг. 1а) и микроструктура карбидокремниевой керамики, полученной по способу изобретения (Фиг. 1б).Microstructure of silicon carbide ceramics obtained by the method of the prototype of the invention (Fig. 1a) and the microstructure of silicon carbide ceramics obtained by the method of the invention (Fig. 1b).

Крупногабаритное изделие из карбидокремниевой керамики, полученное по способу изобретения на Фиг. 2.A large-sized article made of silicon carbide ceramics obtained by the method of the invention in FIG. 2.

Объемное уплотнение рекристаллизованной керамики, проводится за счет введения в ее пористый карбидокремниевый каркас углеродосодержащего компонента и последующего реакционного спекания в процессе силицирования изделия. При этом контролируется содержание остаточного кремния в объеме изделия для обеспечения необходимой связности между крупными карбидокремниевыми зернами. Выполнение этих операций позволяет получить материал, структура и механические характеристики которого близки к структуре и свойствам конструкционных карбидокремниевых керамик (Таблица 1).Volumetric compaction of recrystallized ceramics is carried out by introducing a carbon-containing component into its porous silicon carbide framework and subsequent reaction sintering during siliconizing the product. At the same time, the content of residual silicon in the volume of the product is controlled to ensure the necessary cohesion between large silicon carbide grains. Performing these operations makes it possible to obtain a material whose structure and mechanical characteristics are close to the structure and properties of structural silicon carbide ceramics (Table 1).

Пример реализации изобретенияAn example of implementation of the invention

Способ предлагаемого изобретения был применен для изготовления высокопрочного карбидокремниевого нагревательного элемента.The method of the present invention was applied to the manufacture of a high-strength silicon carbide heating element.

Карбидокремниевый нагревательный элемент получали силицирующим обжигом сформованной путем экструзии заготовки из порошков карбида кремния (F60 зел. - 15%, F120 зел. - 65%, и F500 зел. - 5%), декстрина и метилцеллюлозы (15%) при температуре >2400° в защитной атмосфере, предварительно заготовка подвергалась коксующему обжигу при температуре 1300°С для перевода связующего в углерод. В результате этого было изготовлено карбидокремниевое изделие, имеющее структуру рекристаллизованной карбидокремниевой керамики с однородными связями между крупными зернами первичного карбида кремния (Фиг. 1а). Далее рабочее тело изделия пропитывалось дополнительным углеродо-содержащим компонентом, в качестве которого использовался коллоидно-графитовый раствор марки КГР-1500; в качестве растворителя применялся этиловый спирт. Силицирование производилось в вакуумной высокотемпературной печи. Изделие располагали на графитовой оснастке, над изделием размещался тигель с кремнием. После запуска печи и разогрева до температуры 1600°С проводили силицирование изделия путем пропитки расплавом кремния, процесс пропитки происходил в течении 10 минут с последующей выдержкой в течение 20 минут и плавным охлаждением в течение 4 часов.Silicon carbide heating element was obtained by siliciding firing of a preform formed by extrusion of silicon carbide powders (F60 green - 15%, F120 green - 65%, and F500 green - 5%), dextrin and methylcellulose (15%) at a temperature> 2400 ° in a protective atmosphere, the preform was previously subjected to coking roasting at a temperature of 1300 ° C to convert the binder into carbon. As a result of this, a silicon carbide article was manufactured having the structure of a recrystallized silicon carbide ceramic with uniform bonds between coarse grains of primary silicon carbide (Fig. 1a). Further, the working body of the product was impregnated with an additional carbon-containing component, which was a colloidal-graphite solution of the KGR-1500 brand; ethyl alcohol was used as a solvent. Siliconization was carried out in a high-temperature vacuum furnace. The product was placed on a graphite tooling, and a crucible with silicon was placed above the product. After starting the furnace and heating to a temperature of 1600 ° C, the product was silicified by impregnation with a silicon melt, the impregnation process took place within 10 minutes, followed by holding for 20 minutes and smooth cooling for 4 hours.

Плотность полученного изделия из карбидокремниевой керамики составила 2,5 г/см³ (Фиг. 1б).The density of the resulting product made of silicon carbide ceramics was 2.5 g / cm ³ (Fig. 1b).

Полученное изделие обладает повышенной прочностью, менее подвержено старениюи выдерживает многократные нагрев и охлажденияв режиме изменения температуры со скоростью до 100°С в минуту, в то время как предельно допустимая скорость выхода на рабочий режим для нагревателей, изготовленных по традиционной технологии составляет не более 300° в час. По способу изобретения возможно изготовление нагревательных карбидокремниевых элементов с большим отношением длины к диаметру сечения с высокой прочностью (Фиг. 3), позволяющей как транспортировку, так и надежную эксплуатацию.The resulting product has increased strength, is less susceptible to aging and can withstand repeated heating and cooling in the mode of temperature changes at a rate of up to 100 ° C per minute, while the maximum permissible speed of reaching the operating mode for heaters manufactured using traditional technology is no more than 300 ° C. hour. According to the method of the invention, it is possible to manufacture heating silicon carbide elements with a large ratio of length to diameter of the section with high strength (Fig. 3), allowing both transportation and reliable operation.

Получение карбидокремниевых изделий, в том числе крупногабаритных изделий, изделий сложных форм, например, трубчатой формы, обладающих высокой прочностью, термостойкостью существенно расширяет области применения изделий из карбидокремниевой керамики. По способу изобретения могут быть изготовлены крупногабаритные нагреватели, тигли, воронки, теплообменники, трубы для перекачки абразивосодержащих суспензий и агрессивных жидкостей и т.п.Obtaining silicon carbide products, including large-sized products, products of complex shapes, for example, tubular shapes, with high strength, heat resistance, significantly expands the scope of products from silicon carbide ceramics. The method of the invention can be used to manufacture large-sized heaters, crucibles, funnels, heat exchangers, pipes for pumping abrasive suspensions and corrosive liquids, etc.

Claims

A method of obtaining articles from silicon carbide ceramics, which consists in obtaining articles from recrystallized silicon carbide ceramics by mixing a charge of silicon carbide powders with a binder, rolling, pneumatic ramming of the resulting mass, molding by means of die pressing and cutting into pieces with a length equal to the total length of the finished product, followed firing at a temperature of 1300 ° C and siliconizing annealing, characterized in that after coking firing, the product is impregnated with a colloidal graphite alcohol solution, and siliconizing is carried out by impregnation with a silicon melt or holding in silicon vapor in a high-temperature chamber.