SE454271B - Sintrad notningsbestendig eldfast komposition innehallande borkarbid och kiselkarbid - Google Patents

Description

454 271 produkt bestående av 87% borkarbid, 11% kiselkarbid och 2% järn.

Ingen uppgift finns om den färdiga produktens densitet. Förelig- gande uppfinning innehåller ej någon av de metaller, som omnämnes i ovan nämnda patentskrift, utan använder i stället aluminium.

Ett annat sintringsförfarande med kallpressning beskrives i ovan nämnda publikation av Lange et al. Enligt denna användes en bland- ning av borkarbidpulver med en storlek av 2-5 mikrometer och 0,03 mikrometer och tillsättes olika mängder av flera olika tillsatser, nämligen aluminiumfluorid, nickel, järn eller koppar. Borkarbid- pulvret och tillsatsen sammanblandas tillsammans med ett temporärt bindemedel. Presspulvret pressas först till pelleter, krossas på nytt och pressas därefter till önskade provstycken, varvid all pressning utföres vid rumstemperatur. Provstyckena brännes däref- ter och sintras i argon vid atmosfäriskt tryck. Uppfinningen skil- jer sig från vad som beskrives i denna publikation genom att man i föreliggande uppfinning använder väsentliga mängder kiselkarbid och metalliskt aluminium, medan man enligt den angivna artikeln ej använder någondera av dessa.

Ytterligare ett exempel på känd kallpressningssintring beskrives i den amerikanska patentskriften 4 081 284. Enligt denna patent- skrift blandas 70-90% kiselkarbid med 10-30% borkarbid av kommer- siell kvalitet och en liten mängd temporärt bindemedel. Blandnin- gen pressas till önskad form och brännes vid 2200oC i en ínert atmosfär. Den erhållna sintrade produkten har en densitet av åt- minstone 85% och kan ha en densitet så hög som 99% av kompakttäthe- ten. Av betydelse är att det i patentskriften spalt 4 rad 66-68 angives, att horkarbidmängder större än 30 vikt-% ej ger en produkt med en densitet av åtminstone 85%. I motsats härtill framställes enligt föreliggande uppfinning produkter med densiteter av 94% och högre med borkarbidhalter av 60-98 vikt-%.

I den amerikanska patentskriften 4 104 062 beskrives ett exempel på varmpressningsförfarandet vid formning av eldfasta modeller med hög densitet av borkarbid. Blandningar av 70-90 vikt-% borkarbid och 3-30 vikt-% aluminium (omfattande en liten mängd temporärt organiskt bindemedel)pressas först till önskad form i en konventionell stäl- form vid rumstemperatur. Den förformade modellen placeras därefter 454 271 i en varmpressform av grafit och pressas vid 1800-2300°C under ett tryck av 3,4-6,9 MPa. Densiteterna för de erhållna modellerna -är 2,5-2,54 g/cm3. Föreliggande uppfinning skiljer sig från den beskriven i patentskriften genom att man i föreliggande uppfinning använder kiselkarbid och sintringsförfarandet med kall pressning för framställning av eldfasta modeller med synnerligen hög densitet.

Det s.k. kiselbehandlingsförfarandet beskrives t.ex. i den ameri- kanska patentskriften 3 765 300. Vid detta förfarande formas bor- karbidpulver, som företrädesvis innehåller ett kolhaltigt temporärt bindemedel, först till önskad form genom pressning, gjutning eller liknande. Modellen placeras därefter i kontakt med metalliskt ki- sel och upphettas till t.ex. 1600°C, varvid kiselmetallen smälter och impregnerar borkarbidmodellen. Det tillförda värmet medför även att det temporära bindemedlet bränns till koks. Kislet rea- gerar därefter med kolet för bildning av kiselkarbid. Den erhållna produkten består av 50-80% borkarbid, 10-45% kiselkarbid och 3-35% fritt kisel. Denna produkt är ej en sann sintrad produkt, vilket däremot produkten enligt föreliggande uppfinning är.

Föreliggande uppfinning hänför sig till en sintrad nötningsbestän- dig eldfast komposition innehållande borkarbid och kiselkarbid, vilken uppvisar en densitet av åtminstone 85% av kompakttätheten, och kännetecknas av att den består av 60-98 vikt-% borkarbid, 2-40 vikt-% kiselkarbid och O-10 vikt-% aluminium.

Kompositionen formas genom kallpressning, följt av trycklös sint- ring, varvid den sintrade eldfasta kompositionen företrädesvis har en densitet av åtminstone 94% av kompakttätheten.

Kovalent bundna oorganiska föreningar, såsom kiselnitrid och kar- bider av bor och kisel, är mycket svåra att sintra utan samtidig användning av värme och tryck. Utan att föreslå någon teoretisk förklaring överkommes med föreliggande uppfinning detta problem genom de inneboende egenskaperna hos den nya kompositionen enligt uppfinningen.

Det har således visat sig att då blandningar av 60-98 vikt-% bor- karbidpulver och 2-40 vikt-% kiselkarbidpulver kallformas och brän- nes vid ca 2200°C, äger en faktisk sintring rum och kroppen krym- 454 271 per till en mycket hög densitet, dvs en densitet av åtminstone 85% av kompakttätheten och företrädesvis av åtminstone 94% av kom- pakttätheten. Olika teorier har föreslagits för förklaring av förtätningen av borkarbid innehållande tillsatser av 0,75-10% alu- miniumfluorid, nickel, koppar och järn (se ovan nämnda artikel av Lange et al). Enligt artikeln av Lange et al kan det finnas flera fenomen, som spelar en roll vid förtätning av kovalent bundna fas- ta substanser, såsom kiselkarbid och borkarbid, då försök göres för sintring av vardera av dessa material ensamma eller i kombination med olika sintringstillsatser. Förtätning skall omfatta bildning och migreringav korngränsenergi och punktdefekter. Det föreslås även att sintringen av borkarbid omfattar tvâ preliminära steg, ett mittensteg och ett slutsteg, som alla omfattar olika överförings- mekanismer. Dessa teorier kan möjligen ha samband med föreliggande uppfinning.

Kompositionsparametrarna enligt föreliggande uppfinning är relativt vidsträckta, såsom angivits ovan. Emellertid innehåller en före- dragen komposition ca 87 vikt-% borkarbid, 10 vikt~% kiselkarbid och 3 vikt-% aluminium. Kompositioner inom denna senare kategori sammansintrar under lämpliga betingelser till en densitet av 2,41 g/cm3 eller högre, vilket motsvarar åtminstone 94% av kompakttät- heten.

Om optimal densitet skall uppnås, måste hänsyn tagas till partikel- storlekarna för de ingående pulvren. Partikelstorleksfördelningar utväljes, som möjliggör maximal komprimering. Detta är välkänt in- om tekniken och utgör ej någon del av den väsentliga uppfinnings- idén. En lämplig partikelstorlekskombinering utgör en medelpar- tikelstorlek av ca 9 mikrometer för borkarbiden och ca 2,5 mikro- meter för kiselkarbiden. Aluminiet tillsättes företrädesvis genom malning av borkarbiden och kiselkarbiden i en aluminiumkvarn med användning av aluminiumkulor. Emellertid kan aluminium tillsättes som ett pulver och malas tillsammans med de två andra pulvren i ett inert malningsmedium, såsom isopropylalkohol. Pulvret torkas därefter för avlägsnande av malningsmediet.

Då en gång pulvren är noggrant blandade, tillsättes en liten mängd temporärt bindemedel till blandningen. Vilket konventionellt tem- 454 271 porärt bindemedel som helst är godtagbart, såsom t.ex. 3 vikt-% av en 1-%-ig lösning av metylcellulosa.

Pulvret, som innehåller det temporära bindemedlet, införes däref- ter i en konventionell stâlform och pressas vid rumstemperatur till så hög densitet som utrustningen möjliggör. Typiskt användes ett tryck av 21-41 MPa. För ytterligare förtätning av den kallpressade formkroppen avlägsnas den från formen och pressas isostatiskt.

Det isostatiskt anbringade trycket kan vara så högt som utrustnin- gen kan motstå; ett lämpligt tryck är 210 MPa. Efter kallformningen av alstret torkas det företrädesvis för avlägsnande av lösningsmed- let från det temporära bindemedlet. Om en metylcellulosalösning användes, utgör 70°C en effektiv torkningstemperatur. För ytterli- gare förtätning och sintring brännes det komprimerade materialet i en grafitinduktionsugn vid 1800-230000. För undvikande av kemisk nedbrytning av borkarbiden och/eller kiselkarbiden utföres brän- ningen i en atmosfär, som är relativt inert för dessa material vid temperaturer inom området 1800-2300°C. En föredragen brännings- miljö utgör argon.

I det följande beskrives exempel på föredragna utföringsformer.

Exempel 1 270 g borkarbid med en medelpartikelstorlek av ca 9 mikrometer och 30 g kiselkarbid med en medelpartikelstorlek av ca 2,5 mikrometer placerades i en aluminiumfodrad kulkvarn innehållande aluminium- kulor med en diameter av 1,3 cm och 500 cm3 isopropylalkohol sat- tes till kvarnen. Både kvarnen och kulorna var sammansatta av hög- rent aluminium. Blandningen maldes över natten, avlägsnades från kvarnen och torkades vid 70°C i 16 timmar. Blandningen av borkar- bid och kiselkarbid hade upptagit 3 vikt-% aluminium.

Ca 3 vikt-% av en 1-%-ig metylcellulosalösning inblandades i pul- verblandningen för att fungera såsom temporärt bindemedel. Fyra provstycken med måtten 5,1 cm x 5,1 cm x 0,95 cm pressades i en stålformanläggning vid tryck av 21-41 MPa. Omedelbart därefter pressades styckena isostatiskt vid 210 MPa, varefter de torkades över natten vid VOOC. De brändes därefter i en konventionell gra- fitinduktionsugn i en argonatmosfär vid en temperatur av 2150oC. 454 271 g De erhållna styckena uppvisade en viktförlust av 2-3% och en linjär krympning av 10-14%. Densiteterna i bränt tillstànd var 2,40-2,42 g/cm3 eller ca 94% av kompakttätheten.

Exempel 2 210 g borkarbid med en medelpartikelstorlek av ca 9 mikrometer och 90 g kiselkarbid med en medelpartikelstorlek av 2,5 mikrometer placerades i en kulkvarn av volframkarbid, som innehöll kulor av volframkarbid, och 50 cm3 isopropylalkohol tillsattes till kvarnen.

Blandningen maldes över natten, avlägsnades från kvarnen och tor- kades vid 70oC i 16 timmar. Blandningen av borkarbid och kiselkar- bid hade upptagit en liten, obestämbar mängd volframkarbid.

Ca 3 vikt-% av en 1-%-ig metylcellulosalösning tillsattes till pul- verblandningen för att fungera såsom temporärt bindemedel. Flera stänger med måtten 5,1 cm x 5,1 cm x 0,95 om pressades såsom i exempel 1 och torkades över natten vid 70°C. De brändes därefter i en grafitinduktionsugn i argon vid ett tryck av 49 KPa upp till en temperatur av 2050°C med en 10 minuters genomvärmning vid den- na temperatur. De erhållna styckena uppvisade en linjär krympning av ca 6% och hade en densitet av ca 2,44 g/cm3.

Claims (3)

10 15 454 271 Patentkrav

1. Sintrad nötningsbeständig eldfast komposition innehållande borkarbid och kiselkarbid, vilken uppvisar en densitet av åt- minstone 85 % av kompakttätheten, k ä n n e t e c k n a d av att den bestå: av 60-98 vikt-8 borkarbid, 2-40 vikt-\ kisel- karbid och 0-10 vikt-2 aluminium.

2. Komposition enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d av att densiteten är åtminstone 94 1 av kompakttätheten.

3. Komposition enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att den består av ca 87 vikt-2 borkarbid, ca 10 vikt-2 kíselkarbid och ca 3 vikt-2 aluminium och att den har en densitet av ca 3 2,41 9/cm .