Материалы на основе нитридов бора и аллюминия

Материалы на основе нитридов бора и аллюминия

Исследованы закономернос­ти высокотемпературной корро­зии композиционных керамичес­ких материалов на основе нитрида алюминия. Для монолитной керамики AlN—ZrB₂ установлен трехстадийный механизм окис­ления; внешний слой окалины на керамике характеризуется арми­рованной структурой, в которой столбчатые кристаллы ЗА1₂О₃-•4В₂О₃ вместе с небольшим коли­чеством 2А1₂О₃-В₂О₃ формиру­ются из матрицы расплава В₂О₃. Образующаяся на исследован­ных керамиках плотная окалина, содержащая в качестве основной фазы высший борат алюминия, в котором ионы А\^Л+ частично за­мещены ионами Fe³⁺ (последние стабилизируют решетку ЗА1₂О₃-•4В₂О₃), обеспечивает высокую адгезию и достаточно хорошее сопротивление коррозии керами­ки AlN-ZrB₂ до 1400°С.

Керамика AlN—SiC—ZrB₂ может быть рекомендована для практического использования в среде воздуха при температурах 1300—1350 "С. При этом на по­верхности керамики формирует­ся двухслойная окалина. Плот­ный внутренний слой окалины в качестве основной фазы содер­жит муллит 3Al₂O₃-2SiO₂, a очень тонкий внешний слой — аморфный SiO₂. При температу­рах выше 1350 °С окалина теря­ет защитные свойства вслед­ствие резкого увеличения скоро­сти диффузии атомов кремния к границе окалина — газ, разрых­ления внутреннего слоя и даль­нейшего частичного оплавления стеклообразной пленки SiO₂ (при температурах - 1500 °С).

Керамика на основе AlN с со­держанием до 30 % (TiB₂—TiSi₂) является исключительно корро­зионно-стойкой, с чрезвычайно высокой адгезией оксидного слоя к материалу подложки. При кон­тролируемом высокотемператур­ном окислении фактически про­исходит формирование градиен­тных структур при плотном сра­щении внешнего (поверхностно­го) слоя материала с его основой благодаря исключительно высо­кой адгезии. По-видимому, меха­нические свойства таких гради­ентных материалов при высоких температурах на воздухе могут быть значительно лучше, чем у керамик без защитных поверхно­стных слоев.

Установлено, что композици­онные материалы системы A1N— SiC—5 % TiB₂ характеризуются высокой корозионной стойкос­тью в среде сухого воздуха до 1500 °С благодаря образованию на поверхности образцов мулли­та и (3-тиалита во внешнем слое окалины. При длительной (до 200 ч) выдержке в газообразных продуктах сгорания керосина и дизельного топлива в присут­ствии добавки морской соли при 900 и 1000 "С полученные для них показатели жаростойкости значительно превышают уровень

жаростойкости других керами­ческих материалов также благо­даря образованию в окалине мулитной фазы. При этом керамика системы AlN—SiC—TiB₂ харак­теризуется более высокой проч­ностью при изгибе, чем керамика системы AlN—TiB₂.

Разработана опытно-про­мышленная технология получе­ния порошков сиалонов различ­ных составов из природного сы­рья (каолинов). Исследован процесс уплотнения при спека­нии β΄-сиалонов разного состава. Показано, что температуры на­чала усадки закономерно снижа­ются с ростом индекса Z. Введе­ние оксидных добавок Y₂O₃— А1₂О₃, La₂O₃-Al₂O₃ и Sc₂O₃-А1₂О₃ эвтектического состава активирует уплотнение на на­чальной стадии спекания. Выяв­лено диспропорционирование β΄-сиалонов с добавками La₂O₃ и Sc₂O₃ в процессе горячего прес­сования на сиалоновые фазы двух составов. Состав одной из них сдвинут в сторону Si₃N₄, a второй — в сторону A1N.

Исследованы свойства спе­ченных сиалонов с оксидными добавками: твердость, прочность, окалиностойкость при высоких температурах на воздухе. Луч­шим является материал на осно­ве сиалона с добавкой Y₂O₃— А1₂О₃, который по уровню проч­ности, трещиностойкости и твер­дости приближается к материа­лам, полученным реакционным горячим прессованием из предва­рительно синтезированных ком­понентов Si₃N₄, AlN, A1₂O₃, Y₂O₃, и может быть рекомендован для применения в качестве высоко­температурного огнеупора.

Материалы на основе карбида кремния

Карбид кремния обладает высокими термомеханическими и химическими свойствами, од­нако он практически не спекает-

ся при нормальном давлении. Это вызывает необходимость ис­пользования для связывания ча­стиц SiC второй фазы (связки), которая и определяет в основном физико-механические и хими­ческие свойства материалов.

Исследовано влияние хими­ческого состава материалов сис­темы SiC-Si₃N₄, SiC-SiAlON, размера частиц SiC и условий спекания при нормальном дав­лении и горячем прессовании на физико-механические свойства спеченных образцов. Показано, что с повышением температуры спекания выше оптимального значения плотность и прочность спеченных образцов уменьша­лись с увеличением содержания 5ЦМ_/( из-за его термического раз­ложения, при температуре спе­кания ниже оптимальной — уве­личивались пропорционально его содержанию.

Такая же зависимость на­блюдалась и при спекании SiC на связке из сиалоновой шихты, основой которой являлся нит­рид кремния. При использова­нии в качестве связки предвари­тельно синтезированного сиало­на свойства спеченного матери­ала заметно улучшались, что связано с более высокой терми­ческой устойчивостью сиалонов. С повышением числа Z сиалонов и уменьшением размера частиц SiC показатели свойств карбид-кремниевых материалов также улучшались.

Из исследованных материа­лов наиболее высокими свой­ствами обладали образцы ком­позиции SiC-SiAlON-Y₂0_:j предел прочности при изгибе ко­торых составил ~ 400 МПа при плотности 3,19 г/см³.

Разработанные материалы предназначены для применения в высокотемпературной оснастке и изделиях для металлургии, в том числе и в виде сотовых струк­тур (фильтры для расплавов чер­ных и цветных металлов и др.) •

Д-р техн. наук Л. Б. Первухин (Алтайский государственный технический университет) Новые огнеупорные материалы на основе волластонита. Разработка и опыт применения

Обычно в качестве футеров­ки ковшей и дозаторов для литья алюминия, а также котельных установок используют смеси на основе шамота, молотых шамот­ных и периклазовых изделий. Недостатком этих футеровок яв­ляется их взаимодействие с рас­плавленным металлом и топоч­ными газами и последующее разрушение. Из-за высокой ре­акционной способности распла­ва алюминия и топочных шла­ков происходит разъедание фу­теровки, а в случае с алюминием и зарастание внутренней повер­хности ковшей и дозаторов. Со­временные жесткие требования, предъявляемые к футеровке, вы­зывают необходимость поиска путей существенного улучше­ния характеристик огнеупорных материалов с целью увеличения срока службы и межремонтных сроков. Одним из решений этой проблемы является использова­ние волластонита в качестве ос­новного компонента футеровки и жидкого натриевого стекла в качестве связующего.

Волластонит — это природ­ный силикат кальция (CaSiO₃), экологически чистый материал, заменитель асбеста, каолина, мела, диоксида титана, талька и др. Даже небольшие его добавки увеличивают прочность различ­ных материалов на два порядка, снижают время и температуру термообработки, повышают жа­ростойкость, химическую стой­кость и износостойкость изде­лий, улучшают электроизолиру­ющие и диэлектрические харак­теристики. Волластонит ценится за его химическую инертность, игольчатость (от 3:1 до 20:1), от­носительно высокую температу­ру плавления (1540 °С), хоро­шие термоизоляционные свой­ства, низкую поглощаемость

влаги и кислот. Благодаря низ­ким температурному коэффици­енту линейного расширения, усадке и теплопроводности волластонит весьма перспективен в качестве материала для футе­ровки и обмазок.

Далее приведены результаты исследований в двух направле­ниях: разработка футеровки на основе жидкого стекла и воллас­тонита и разработка обмазки для покрытия и ремонта футеровок.

Методика исследований предусматривала проведение сравнительных испытаний об­разцов футеровки разного соста­ва, изготовленных по одной технологии, в том числе и состава, применяемого в ЗАО «Завод алюминиевого литья». Этапы проведенных исследований:

разработка опытных составов композиций на основе жидкого стекла и заполнителя из волластонита или его смеси с шамотом и периклазовым порошком; изготовление образцов для испытаний по технологии, близ­кой к принятой на заводе, кото­рая предусматривает формова­ние с пневмоушютнением в фор­ме, последующую сушку и тер­мообработку; изучение влияния расплава алюминия на образцы путем их

Свойства образцов разработанного (валластонит — жидкое стекло) и серийного составов

Показатели	Состав
	разработанный	серийный
Кажущаяся плотность, кг/м3	2300-2500	2500
Предел прочности при сжатии, МПа	21	12,2
Термостойкость, теплосмены:	8	5
до появления трещин
до разрушения	12	8
Налипаемость	Низкая*	,, Высокая
* Тонкий слой без признаков эрозии. * Слой алюминия толстый, с признаками эрозии. .