Способ изготовления изделий из карбида бора

Способ изготовления изделий из карбида бора

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КАРБИДА БОРА, Включающий нагрев порсхика карбида бора и горячее прессование в вакууме при температуре 1800-2200 С, отлйча1ющийся тем, что, с целью повьаиения механической прочности тонкостенных изделий и обеспечения ее изотропности, нагреву подвергают порсьюк карбида бора с удельной поверхностью 5-20 со скоростью 10-20с/мин, а горячее прессование осуществляют при удельjHOM давлении 500-900 кгс/см с выдержкой 5-30 мин.

СОКИ СОВЕТСКИХ ONNV_#_OI

РЕСПУБЛИК

09) И!) ggeII 8 22 F 3/14; С.22 С 29/00;

С 01 В 31/30

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ССОР

f10 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИИ И ОТНРЫТЖ (21) 3364862/22 02 (22) 18.12.81 (46) 30.03.83. Бюл. Э 12 (72) Р.В. Тарасов, И.Т. Остапенко и О.В. Бирюков (53) 621.762.4.016(088.8) (56) 1. Патент Сйй В 3914371, кл. 264-332 опублик. 1975.

2. Авторское свидетв(вьство СССР

Ю 116456 кл. В 22 F 1/00, 1958. (54)(57) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ

ИЗ КАРБИДА БОРА, вкличакв ий нагрев порошка карбида бора и горячее прессование .в вакууме при температуре

1800-2200 С, отличающийся тем, что, с целью повьааения механической прочности тонкостенных изделий и обеспечения ее изотропности, нагреву подвергают порошок карбида бора с удельной поверхностьв 5-20 м2/г со скоростью 10-20еС/мин а горячее прессование осуцествляют при удельном давлении 500-900 кгс/см2 с выдерикой 5-30 мин.

1007830

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам получения высокоплотных иэделий из высокодисперсных порошков карбида бора, обладающего высокими физико-механическими свойствами при высоких температурах и в химически агрессивных средах.

Известен способ изготовления изделий иэ карбида бора, в котором смесь химически чистых порошкоВ бора 10 и углерода, взятых в стехиометричес-. ком .соотношении, т.е. 784 бора и 223 углерода, засыпают в пресс-форму и нагревают до 1250-1500оС, синтезируя порошок карбида бора В4С. Затем температуру повышают до 1860-2200 С, вследствие чего происходит спекание частиц карбида бора. Для получения изделня с плотностью более 98% ее теоретического .значения (р =2,52 +

+ 0,01 г/см3 ) одновременно с нагревом порошок прессуют усилием от

70,3 кгс/см до 281 кгс/см, заготовки выдерживают при этих температурах в течение 3-4 ч (1 .

25 недостатком способа является низкий уровень механических свойств..

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления изделий иэ карбида бора, Q вклк»чающий нагрев порошка карбида бора и горячее прессование в вакууме при температуре 1800-2200 С Г2 .

По известному способу для ул»учме" ния структуры, повышения твердости и абразивной устойчивости изделий из карбида бора исходный порошок сарбида бора, "-..àñûïàííûé в пресс-форму„ перед прессованием подвергают термообработке B вакууме при 1500-1600 С40 в течение 30-40 мин. Прессование * проводят при 22ОО C и удельном давлении )50 кгс/см-, с выдержкой под дэв9 лением 20-40 мин. После снятия да»аления и охлаждения пресс-формы с из-: ,делием последнее извлекают из прессформы и подвергают 60-минутному от.жигу в вакууме при температуре 190020000С для выравнивания структуры., Спрессованные иэделия обладают отно-. сительной плотностью 0,99 ее теоре тического значения.

Более высокое давление прессова- . ния 350 кгс/см сдерживает рост зерна карбида бора. Однако температура 5-» горячего прессования 2200 С и 20О

40-минутная выдержка при этой температуре -водят к минимуму зто преимущество,и структура материала формируется крупнозернистой. Раэме».. зерна 60 колеблется в интервале 40-120 мкм.

При дополнительном отжиге в теченис-.

60 мин при температуре 1900-2ООО С выравнивание структуры идет за счет укрупнения зерна, т.е. мелкие зерна 65 поглощаются крупными, и структура становится равномерной, но крупнозернистой. А зто снижает механические свойства материала изделия, которые характеризуются следующими величинами: предел прочности при изгибе 6мэ»- = 15 кг/мм ; предел прочности при сжатии И с = 60 кг/мм 2).

Недостатком известного способа является низкий уровень механической прочности, кроме того, способ не позволяет получить высокоплотные тонкостенные иЯ елия иэ порошка карбида бора с мелкозернистой структурой °

Цель изобретения — повышение механической прочности тонкостенных изделий и обеспечение ее изотропности.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу изготовленчя изделий из карбида бора, включающему нагрев порошка карбида бора и горячее прессование в вакууме при температуре 1800-2200 С, нагреву подвергают порошок карбида бора с удельной поверхностью 5-20 м2/г со скоростью 10-20 /мин, а горячее прессование осуществляют при удельной давлении 500-900 кгс/см 2 с выдержкой 5-30 мин. для получения мелкозернистой структуры процесс прессования надо проводить при температурах, не превышающих 2200 C. При снижении температуры ниже 1800 С порошок карбида бора уплотняе "ся недостаточно и не спекаQoK, Изготовление высокоплотных втулок и колец (особенно тонкостенных) иэ порошка карбида бора горячим прессованнем под давлением ниже

500 кгс/см2 не удается, так как при этом не происходит достаточной перегруппировки частиц порошка и и -. взаимной укладки, обеспечивающих спекание под давлением. Прессование при удельных давлениях 500-900 кгс/см2 позволяет достичь этого в начальный момент прессования, т.е. в течение

2-5 мин. А это в итоге позволяет получать тонкостенные изделия с высотой не меньшей диаметра, с плотностью близкой к теоретической. При повышении удельного давления выше

900 кгс/см2 происходит разрушение дуансонов. С увеличением удельной поверхности порошка карбида уменьшается размер его частиц. Мелкий порошок карбида бора спекается под давлением значительно лучше, чем более крупный, но при более высоких давлениях.

Применение порошка карбида б» .»ра с удельной поверхностью менее 5 м /г

9. затрудняет процесс прессования ввид

l крупного размера частиц порошка, и структура спрессованного материала получается крупнозернистой. Использование пор<хна карбида бора с удель1007830 ной поверхностью более 20 м2/г не грев ведут в вакууме 10 мм рт.ст. технологично, так как сильно возрас- со скоростью 20 С/мин. При достнжетает высота, засыпки, а следователь- нии 21000С на пуансоны прикладывают но, габариты пресс-формы н Установки нагрузку из расчета 500 кгс/см 2 по горячего прессования в целом. перечного сечения прессуемого изЭксперименты показали, что для 5 делия. После пятиминутной выдержки равномерного прогрева засыпки порошка под нагрузкой давление снижают до по высоте его греют при больших вы- нуля. Выключают нагрев. Охлаждают сотах засыпки со скоростью .10о пресс-Форму вместе с печью в тече15 С/мин, а при более малых высотах ние 5-8 ч в вакууме. После охлаждезасыпки - со скоростью 15-20 C/ìíí. 10 ния пресс-форму выводят иэ камеры

Время выдержки изделия под давле- пресса и изделие извлекают из пресснием зависит от массы прессуемого по- Форкы. рошка, его удельной поверхности, ге- В готовом. иэделии размер зерна 1ометрических размеров изделия и тем» !3 мкм; плотность материала 2,50 г/см, пературы и должно быть не менее 5- 15,предел прочности при сжатйи

10 мин и не более 30 мин. Прн спе- 105 кгс/мм . канин под давлением за время менее . Пример 2. Для изготовления

5 мин не происходит достаточного спе- полого цилиндра (высота 55 мм, внешкания и изделие получается с низки- ний диаметр 39 мм, внутренний дими механическими свойствами. При .О аметр 31 мм ) в пресс-форму засыпают спекаиии более 30 мин наблюдается б1 г порошка карбида бора стехиомет заметный рост. зерна, что также при- рнческого состава В4С с удельной по водит к снижению механических свойств. .верхностъю 5 м /г. Высота засыпки

При использовании более мелкого 20 ма скорость нагрева 15 С/мин. порошка можно применять более низ- 25,Греют до температуры горячего прескую температуру прессования, но сования 2200 С. Прикладывают нагрузку прессовать при более высоких давле- на пуансоны as расчета 670 кгс/смх ниях. Например, тонкостенные изде- поперечного сечения прессуемого излия из порошка карбида бора с удель- делия. После выдержки под давлением ной поверхностью 20 м2/г прессуют в течение 10 мин давление снижают ири 1900-2000 С, прикладывая удель- до нуля. Нагрев выключают. Дальней0 ЗО ное давление 800-850 кгс/см2, а тон- шие операции аналогичны первого костенные изделия иэ порошка карбида примеру 1бора с удельной поверхностью 5 м2/r В готовом иэделии размер зерна 1прессуют при 2100 С, прикладывая

2. 35

3 мкм; плотность материала 2 49 г/см

-удельное давление 500-670 кгс/см . предел прочности при сжатии параллельно оси прессования 100 кгс/мм2; преежимы горячего прессования по дел прочности при сжатии перпендием У спосо У . именимы ДлЯ куля но осн п с 2 ° р рессования 101 кгс/мм р ч с ого сос- предел прочности при изгибе 40 кгс/м Д разует с В С эвт,„тику при те, ера- „,д „ р . Д я изготовления туре около 2100ОС. Горячее прессованне карбида бОра стехиометрического . состава В С вблизи температуры г порошка стехиометрического

2100 С приводит к оплавлению ба 13 2 состава В С с раэованию жидкой фазы, появление ле утряски н подтрамбовки 250 мм. материалом пресс-формы (графитом) и

Г еют со ско о о нарушает стехиометрию состава карНагруэку на и ансоны п ик у соны прикладывают гэ бида бора В С . Это об т расчета 700 кгс/см2 поперечного се з 2 то о стоятельство чення пресс емого из елия приводит к неоднородности зеренной 50 структуры и снижению механических ратуре 2000 С.

;свойств материала. Поэтому карбид бора стехиометрического состава В С После,цесЯтиминУтной вЩ еРжкн под Е 2 следует прессовать при 1800-1900 С,Щ РУзкой давление снижают до нУпЯ. цод давлением м 900 кгс/см2, выдер- 55 Нагрев выключают. Дальнейшие опеРа,живая под давлением в течение 20ции аналогичны описанным.

30 мин.

Пример 1. Для изготовления В готовом изделии размер зерна 1полого тонкостейного цилиндра (высо- 3 мкм; плотность материала 2,51 г/смф та 12 мм, внешний диаметр 39 мм, внут- ф) предел прочности при сжатии 108 кгс/мм ренний диаметр 31 мм) в пресс-форму П р н м е р 4. Для изготовления засыпают 13,3 г порошка стехиометрн- изделия с размерами, указанными в ческого состава с удельной поверх- примере 2, в пресс-форму засыпают поностью 5 м /г. Высота засыпки .порош- рошок карбида бора стехиометрнческого ка в пресс-форме около 50-75 мм. На- состава В4С с удельной поверхностью

100 830

20 м /г. Высота засыпки после утряски и потрамбовки 500 мм. Скорость нагрева 10 С/мин. Нагрузку на пуансоны прикладывают из расчета 850 кгс/см поперечного сечения прессуемого изделия при температуре 2090оС. После

15-ти,минутной выдержки под нагрузкой давление снижают до нуля. Нагрев выключают. Дальнейшие операции аналогичны оплсанным, В готовом изделии размер зерна 1- 10

3 мкм, плотность материала 2,5 г/см предел прочности при сжатии парал" лельно оси прессования 101 кгс/мм ; предел прочности при сжатии перпендикулярно оси прессования 103 кгс/мк2; 15 предел прочности при изгибе 45кгс/мм.

Пример 5. Для прессования изделия с размерами, указанными в при,мере 2, в пресс-форму засыпают порошок стехиометрического состава 2р . В„ С с удельной поверхностью 10 м /г.

Вйсота.засыпки порошка в пресс-фор,ме 350 мм.(Греют со скоростью нагрева 10 C/ìèí до 1800 С. На пуансоны прикладывают нагрузку из расчета

900 кцс/см .Выдерживают под давлением 30 мин и снижают давление до нуля.

В готовом изделии размер зерна

3-5 мкм; плотность 2,48 г/см3, пределз< прочности при сжатии .103 кгс/ммк.

Пример 6. Для изготовления цилиндра диаметром 46 мм и высотой

48 мм в пресс-форму засыпают 190 r порошка карбида бора стехиометрического состава В4С имеющего удельную поверхность 10 м /r. Высота засыпки порошка после утряски и пОдтрамбовки

250 мм. Нагрев осуществляют со скоростью 15 С/мин. Давление на пуансоны прикладывают из расчета 685 кгс/см поперечного сечения прессуемого иэделия при температуре 2100 С. После выдержки под давлением в течение

15 мин давление снижают до нуля ° Нагрев выключают. Охлаждение производят вместе с печью в течение 5-8 ч в среде вакуума. После охлаждения пресс-форму выводят из камеры пресса и изделие извлекают из прессформы °

В готовом изделии размер зерна

1-3 мкм, плотность материала 2,5 г/см.

Предел прочности при сжатии: перпендикулярно оси прессования 105 кгс/мм параллельно оси прессования 110 кгс/мм .

Предел прочности при изгибе: перпендикулярно оси прессования 45мкс/мм параллельно оси прессования 44 кгс/мм1

По режимам предлагаемого способа изготовлены изделия, из материала которых были приготовлены образцы для металлографических исследований и испытаний механических свойств. Результаты испытаний и исследований приведены в табл. 1 и 2.. 1007830

I 33 й3

I Q Ж

:*3 о он

hI

Ch

Ch в о -1 ф е м ф Ol Ch

Ю Ol Ol

Ъ Ъ с о о о

CV

Ol

Ch

% о

Ch а . е с . в

Р4 !Ч

»» CO а . Ill »3» с a a

CV nt . С3

1 и

1 в

Фч 1

1

1 и 1

3 )33

3 ФЮД

I о . о а о

»ч н»ч е о о о о

О . а . О .Ю . Ь ф Ф а

CO

\О о ь о . о о о

Cl о..o. а о о

hl О О Ф ».4

Л С3 СЧ м о о

° 4

УЧ а а О о

»ч»ч н о: о о, а а. Ръ о о а

Ю (Ч о а

33

III 1 tel и 33

Р»Д:й о о о о

»Ч . ФЧ»4»Ч

I

Ю 3 !

».4 С4»»Ъ чР . Ill ч

g3

1

М 1».4 1.3 Вййй и о о

И 333 a III

Ц ц

82 32. 5

Kcc II и

100Va3O

Таблкца2

Размер зерна, мкм

Предел прочности при сжатии, к.гс/ьм

Номер иэделия

Предел прочности при изгибе, кгс/мм параллельно перпендикуляроси прессо- но оси прессования вания параллель- перпендино оси кулярно прессова- оси пресния сования

105

101

1-3

100

10Â

1-3

1-3

101

103

103

105

1-3

110

Составитель С. Багрова

Редактор Я. Фролова Техред М.Коштура Корректор C. Шекмар

° ВюФВ ЮФ ю М ЮЮ юев емеееаюаееэ

Заказ 2199/14 Тираж 811 Подписное

ВНИИПИ Государственного к тета СССР по делам изобретений к отк ий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. ужгОрод, ул. Проектная, 4

Как подтверждают проведенные эйспе45 рименты, использование высокоднсперсных порошков карбида бора, больших удельных давлений горячего прессования, малого времени выдержки при высоких температурах позволяет иэго- у) товлять полые тонкостенные иэделия кэ карбида бора с мелкозернистой структурой с повышенными механическими свойствами материала, иэотропны» ми в любом сечении иэделия. Предла- ° З5 гаемые режимы прессования позволили получить материал со значением предела прочности при изгибе равным 4045 кгс/мм . В то время как иэвестнымк методами не удавалось получить,® материал со значением предела прочнрсти при изгибе,превышающим 30 кгс/мм .

Материал, получаемый предлагаемым способом, позволит уверенно испольэовать горячепрессованный карбид бора как конструкционный материал кзносостойких подшипников (в частности, работаюШкх в агрессивных жидкостях J фкльер, сопел пескоструйных аппаратов, инденторов для измерения микротвердости при высоких температурах и других. Изготовление тонкостенных.высокоплотных изделий с повышенными механическими свойствами материала по предлагаемому способу позволит сократить затраты времени на механическую обработку, затраты. на алмазный píñòðóìåíò и улучшить качество поверхности готовых изделий.