Неметаллические тугоплавкие соединения

Косолапова Т.Я., Андреева Т.В., Бартницкая Т.С., Гнесин Г.Г

Металлургия, 1985 г.

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ КАРБИДОКРЕМНИЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Для различных областей применения разрабатывают и используют разные типы карбидокремниевых материалов. В ряде случаев работоспособность материала может определяться только одним свойством, например в абразивныхматериалах — твердостью. Однако большинство областей применения требует разработки материалов, сочетающих в себе разнообразные свойства. Такого рода материалы могут быть и многофункциональными, т.е. использоваться в нескольких областях техники для изготовления изделий разнообразного назначения. К числу многофункциональных могут быть отнесены разработанные за последние 10—15 лет самосвязанные, рекристаллизованные и горячепрессованные материалы на основе SiC, отличающиеся высоким уровнем термомеханических и теплофизических свойств, а также коррозионной и эрозионной стойкостью.

В табл. 36 на основании сравнительного анализасвойств и эксплуатационных характеристик представлены основные области и объемы промышленного применения карбидокремниевых материалов.

Как следует из приведенных данных, карбидкремния используют в различных областях техники в качестве основы абразивных, огнеупорных, конструкционных, электротехнических, полупроводниковых, износостойких, коррозионностойких и других материалов. Однако этими примерами не исчерпывается все многообразие областей применения различных видов материалов и изделий на основе карбида кремния.

Во всем мире производят более 500 тыс т карбидакремния в виде порошков различной зернистости. Этот продукт в основном используют для производства абразивного инструмента. Огнеупорнаяпромышленность потребляет менее 30 % общего количества выпускаемого SiC, .а на остальные отрасли (электротехника, электроника, машиностроение) приходится ничтожное количество карбида кремния.

Интенсификация исследований SiCза последние 10 — 15 лет резко увеличила информацию о структуре и физических свойствах этого своеобразного и чрезвычайно интересного в практическом отношении соединения. Благодаря этим исследованиям в настоящее время происходит существенный пересмотр представлений о возможностях использования SiCв современной технике.

За последние годы резко возросло производство сравнительно дешевых искусственных алмазов, а также нитрида бора в алмазоподобной и вюрцитоподобной модификациях. На основе этих фаз разработаны сверхтвердые материалы для абразивного и лезвийного инструмента, позволяющие осуществлять высокопроизводительную обработкушлифованием и точением различных деталей, изготовленных из труднообрабатываемых металлов и сплавов. Поэтому можно ожидать, что карборундовый абразивныйинструмент будет постепенно вытесняться новыми сверхтвердыми материалами.

В то же время благодаря развитию методов реакционного спекания, горячего прессования, химического осаждения, рекристаллизационного спекания появилась возможность получать на основе   SiC   высокопрочные, термостойкие поликристаллические материалы. Новые огнеупорные, конструкционные, жаропрочные материалы, полученные этими методами, находят все более широкое применение в различных областях техники вместо дефицитных тугоплавких металлов, высоколегированных жаропрочных сплавов, инструментальных сталей, твердых сплавов, а также в тех новых областях, где использование других материалов невозможно.

Производство новых материалов предъявляет повышенные требования к качеству порошков SiC. промышленность должна поставлять порошкикарбидакремния высокой чистоты, а также легированные некоторыми элементами, обеспечивающими заданный уровень электрических свойств или повышенную активность при спекании. Необходимо в промышленных масштабах создать условия для роста в печах сопротивления, производящих SiCдля абразивной промышленности, крупных монокристаллов, которые после соответствующего отбора могут быть использованы в производстве полупроводниковых приборов.

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ карбида БОРА И материаловНА ЕГО ОСНОВЕ

Применение карбида бора основано на использовании его высокой твердости, абразивной способности, износостойкости, высоких механических характеристик при повышенной температуре, химической инертности, полупроводниковых свойств и способности поглощать тепловые нейтроны. Применяют В₄С в виде порошка и в виде спеченных и литых изделий.

Абразивный порошок карбида бора широко используют для шлифования стекол, твердых сплавов, естественных и искусственных минералов, сверления волочильных фильер из алмазов и твердых сплавов [ 1, с. 310 — 330; 50], При шлифованиикарбидом бора резцов из твердых сплавов обнаружено, что его шлифующая способность снижается с уменьшением размера зерна и увеличением скорости шлифования.

Шлифовальные порошкикарбида бора успешно используют на притирочных работах. Высокая чистота притирки обеспечивается при кратковременном воздействии на притирочные поверхности одномерных порошков карбида бора.

На порошках карбида бора приготовляют шлифы высокотвердых материалов.

Абразивная способность порошка В₄С резко возрастает при добавлении к нему 1 — 5 % алмазного порошка, но меньшей крупности. Порошок карбида бора используют для получения боридовпереходныхметаллов карбидоборным методом [ 501, галогенидов бора, нитрида бора и кристаллического бора [69]. порошкисплавов на основе карбида бора и диборидов переходных металлов, обладая высокой прочностью зерна (см. табл. 15), хорошо зарекомендовали себя при изготовлении абразивного инструмента и абразивных паст.

В₄ С служит активным компонентом при диффузионном борировании сталей, тугоплавких металлов и сплавов [ 1, с. 597 — 612J. Борированные стали применяют в условиях большого износатрением и коррозии. Трубы из борированных сталей используют для трубопроводов северных районов, так как эти стали сохраняют свои механические свойства при низких температурах [ 69].

Присадки карбида бора к некоторым видам инструментальных сталей и медных сплавов повышают их прочность и теплопроводность, а добавки к чугуну в форме промежуточного сплава с 7,5 — 8 % Niувеличивают износостойкость и коррозионную стойкость при одновременном сохранении вязкости. карбид бора входит в состав жаропрочных сталей.

Обладая высокой стойкостью против истирания, карбид бора в литом, а чаще в спеченном состоянии применяют для изготовления шлифовальных и разрезных кругов, режущих элементов буровых колонок, пескоструйных сопел, различных калибров, матриц для протяжкиабразивных стержней, фильер, нитеводителей в текстильной промышленности, в безударных парах трения¹ [1, с. 310 — 330; 50].

Перспективно использование карбида бора в качестве правящего инструмента взамен алмазных или алмазно-металлических карандашей.

Подшипники и другие детали из карбида бора работают в условиях высоких температур и механических нагрузок, инденторов для измерениятвердости до 1850°С [69]. Инденторы из сплава на основе В₄С с добавкой титана позволяют измерять твердость тугоплавких и твердых материалов в интервалетемператур 300 — 2000°С I 58]. Этот же сплав перспективен для изготовления наконечников мерительного инструмента, выглаживателей поверхности, лезвийного инструмента.

Благодаря высокой химической стойкости в сочетании с высокой твердостью и износостойкостью В₄С находит применение в качестве деталей МГД генераторов, подвергающихся сильной химической коррозии, ступок для истирания твердых и хрупких материалов, химической посуды [ 1, с 310 — 330].

Из карбида бора получают непроволочные сопротивления, полупроводниковые термопары, работающие длительное время в расплавахцветных металлов, сталей, чугунов, солей [ 1, с. 310 — 330].

Среди материалов, используемых в ядерной технике в качестве поглотителей нейтронов, самым распространенным является карбид бора. Он широко применяется в регулирующих и аварийных стержнях ядерных реакторов, в качестве биологической защиты в реакторах, ракетных установках, для космической аппаратуры [ 69]. Высокой способностью к поглощению нейтронного излучения обладают композиционные материалы на основе карбида бора, содержащие рений и гадолиний [ 70], а также материалы, полученные прессованием порошка, содержащего сердцевину из карбида бора в медной оболочке³.

В патенте США³ описано ^изготовление баллистической брони в виде керамических облицовочных пластин из карбида бора и карбида бора, модифицированного боридами кальция, титана и марганца, а также механизм защиты такой брони от ударов баллистических снарядов. Используют многослойные пластины, обладающие высокими баллистическими свойствами из карбида бора, легированного хромом и бором (2 — 10 % Сг и 4 — 35 % В)⁴, карбида бора, легированного алюминием⁵ , медью⁶. Облицовочную карбидоборную броню успешно применяют в кабинах самолетов, вертолетов, для изготовления противоударной одежды [ 69].

ПРИМЕНЕНИЕ НИТРИДААЛЮМИНИЯ И материалов НА ЕГО ОСНОВЕ

Нитрид АЛЮМИНИЯ благодаря своим ценным физико-техническим характеристикам широко применяют в технике высоких температур в качестве огнеупорного и электроизоляционного материала. Из него изготавливают электроизоляционную соломку для термопар и электроизоляционные конструкционные детали, работающие в агрессивных средах. Высокая огнеупорностьнитридаАЛЮМИНИЯ и его химическая стойкость позволяют использовать его для футеровок электролизеров, ванн, резервуаров, тиглей для получения расплавленных алюминия, олова, галлия, расплавленного стекла и борного ангидрида при 1300 — 2000°С.

Пленки из нитридаАЛЮМИНИЯ применяют в микроэлектронике при изготовлении микромодулей и интегральных схем.

5. ПРИМЕНЕНИЕ материалов НА ОСНОВЕ НИТРИДА КРЕМНИЯ

Описанные свойства открывают широкие перспективы применения нитридо-кремниевых материалов во многих областях техники (табл. 63).

Применение керамики может повысить к.п.д. двигателей на 40—42 %, Реально полученные в настоящее время величины прироста к.п.д. составляют только 2—5 % [ 23, с. 647—652]. Рабочая температура керамических двигателей внутреннего сгорания, работающих без охлаждения в течение 100-240 ч, составляет 1000°С, а в некоторых случаях 1375°С. Те же преимущества применения нитридокремниевой керамики проявляются при использовании ее в газовых турбинах. Рабочая температура деталей газовых турбин достигает 1455°С. Увеличение к.п.д. газовых турбин позволяет экономить топливо, а химическая стойкостьматериала — использовать низкосортные топлива.

Преимущества керамики очевидны, если проводить сопоставление по готовым изделиям. В настоящее время стоимость изготовления сложной детали двигателя, из ни три до кремниевой керамики на 30—50 % ниже, чем такой же детали из металлического сплава, хотя нитридокремниевая керамика относится к числу наиболее дорогих.

Горячепрессованный нитридкремния рассматривается как весьма перспективный материал для изготовления тяжело нагруженных деталей, например шарикоподшипников. Разработана технология, по которой из этого материала можно изготовить любой элемент шарикоподшипника. Низкая ударная прочность может быть сведена к минимуму условиями конструирования и высоким качеством обработки поверхности. Уровень высокотемпературной прочности позволяет применять нитридокремниевую керамику в высокоскоростных подшипниках, при работе которых центробежные силы превышают рабочие нагрузки. Преимущества нитридокремниевых подшипников перед стальными неоспоримы, однако более высокие цены сдерживают их широкое применение.

Комплексное применение различных методовформования и термообработки при изготовлении изделий сложной формы и переменной плотности позволяет получать ячеистые керамические рекуператоры двигателей, звуко- и теплопоглощающие детали облицовки или комбинированные детали со слоями с низкой и высокой теплопроводностью (например, для тепловой защиты поршней двигателей) .

В некоторых публикациях [347—349] показана перспективность применения горячепрессованного нитридакремния в качестве основы инструментальных материалов, предназначенных для чистовой и получистовой обработки резанием углеродистых конструкционных и   инструментальных сталей различной твердости.

Во многих публикациях нитридокремниевую керамику называют "материалом будущего", Широкие исследования нитридокремниевых материалов, которые ведутся во всем мире, способствуют быстрому прогрессу в этой области.