Результат интеллектуальной деятельности: Способ изготовления композитных керамических изделий

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при изготовлении композитных керамических изделий типа опорных элементов (например, колец/валов подшипников качения/скольжения) или инструментов типа чашечных резцов или режущих керамических пластин.

Известен способ получения керамического материала на основе диоксида циркония, армированного дискретными волокнами оксида алюминия, включающий формование прессовки из плазмохимического порошка, представляющего собой смесь порошков диоксида циркония и оксида алюминия, и термообработку. Армирующие волокна получают в процессе термообработок, которые осуществляют в две стадии. На первой стадии в процессе отжига прессовки в засыпке при температуре 1000-1200°C в течение 8-12 часов синтезируют центры кристаллизации Al₂O₃ путем направленной кристаллизации оксида алюминия из пересыщенного твердого раствора. На второй стадии прессовку извлекают из засыпки и проводят ее спекание в вакууме при температуре 1500-1700°C с изотермической выдержкой 1-7 часов для окончательного формирования армирующих волокон (Патент РФ №2289555, С04В 35/81, 2005 г.).

Известный способ направлен на получение композиционных керамических материалов на основе диоксида циркония, армированных дискретными керамическими волокнами оксида алюминия. Композиционные керамические материалы за счет армирования дискретными волокнами оксида алюминия имеют повышенные механические свойства, а именно высокую вязкость разрушения.

Недостатком способа является невозможность получения нитевидных кристаллов (усов) карбида кремния в процессе кристаллизации керамической матрицы. Известно, что усы карбида кремния имеют более высокий предел прочности по сравнению с волокнами оксида алюминия. Хаотичность расположения центров кристаллизации Al₂O₃ в керамической матрице предполагает получение хаотически армированного материала, обладающего вследствие этого неоднородностью свойств и низкой трещиностойкостью.

Известен способ изготовления композитных изделий, включающий подготовку исходной шихты, содержащей порошковую матрицу, нитевидные армирующие кристаллы и вязкое связующее, формование экструзией плоской заготовки с ориентацией в ней нитевидных армирующих кристаллов в направлении экструзии, отгонку связующего и прессование изделия (Юскаев В.Б. Композиционные материалы, Сумы, Издательство СумГУ, 2006, с. 158; http://zavantag.com/docs/427/index-2000470.html?page=5).

Известный способ направлен на получение композитных материалов, направленно армированных нитевидными армирующими кристаллами. Композитные материалы за счет направленного армирования нитевидными армирующими кристаллами имеют повышенные механические свойства.

Недостатком способа является однонаправленность нитевидных армирующих кристаллов, обусловливающая низкую трещиностойкость композитных изделий в направлении, совпадающем с направлением армирования.

Наиболее близким к заявленному - прототипом - является способ изготовления композитных керамических изделий, включающий подготовку исходной шихты, содержащей порошковую матрицу, нитевидные армирующие кристаллы карбида кремния и вязкое связующее, формование экструзией из исходной шихты плоской заготовки с ориентацией в ней нитевидных армирующих кристаллов в направлении экструзии, вырезание из заготовки n≥2 элементов по форме изделия, которые послойно, с разнонаправленной в соседних слоях ориентацией нитевидных армирующих кристаллов, собирают в брикет, отгонку связующего и прессование изделия. При этом в исходной шихте в качестве порошковой матрицы и связующего используют, соответственно, оксид алюминия и парафин в следующем соотношении компонентов, вес. %: оксид алюминия 55-65, парафин 8-12, нитевидные кристаллы карбида кремния 25-35, а парафин отгоняют из брикета нагреванием в печи до температуры 100°C со скоростью, не превышающей 5 град/мин (Решение о выдаче патента на изобретение по заявке №2014146172/03(074362) от 18.11.2014 г.).

Известный способ направлен на получение композитных материалов, разнонаправленно армированных нитевидными армирующими кристаллами. Композитные материалы за счет разнонаправленного армирования нитевидными армирующими кристаллами имеют повышенные механические свойства.

Недостатком способа являются его ограниченные технологические возможности, обусловленные нецелесообразностью применения ввиду обеспечения низкой трещиностойкости композитных изделий в радиальном (наиболее нагруженном) направлении при изготовлении опорных элементов (например, колец/валов подшипников качения/скольжения) или инструментов типа чашечных резцов или режущих керамических пластин. Оптимальное армирование подобного рода изделий должно быть тангенциальным (направление, пресекающее развитие трещин в наиболее нагруженном направлении). Кроме того, «слоистость» изделия по высоте также негативно сказывается на его эксплуатационных свойствах.

Изобретение направлено на решение задачи создания способа изготовления композитных керамических изделий, обеспечивающего организацию тангенциального армирования композитных изделий типа опорных элементов (например, колец/валов подшипников качения/скольжения) или инструментов типа чашечных резцов или режущих керамических пластин, нитевидными армирующими кристаллами.

Технический результат - расширение технологических возможностей.

Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается тем, что в способе изготовления композитных керамических изделий, включающем подготовку исходной шихты, содержащей порошковую матрицу, нитевидные армирующие кристаллы карбида кремния и вязкое связующее, формование экструзией из исходной шихты плоской заготовки с ориентацией в ней нитевидных армирующих кристаллов в направлении экструзии, формирование из заготовки в вязкотекучем состоянии брикета, отгонку из брикета связующего и прессование изделия, плоскую заготовку в вязкотекучем состоянии наматывают на оправку с образованием цилиндрического брикета, соосного оправке, оси брикета в процессе отгонки связующего придают вертикальное положение, а прессование изделия осуществляют в направлении оси цилиндрического брикета.

Сущность способа изготовления композитных керамических изделий поясняется графическими материалами, где на:

Фиг. 1 - структура получаемого брикета;

Изобретение основано на следующем.

Во-первых, обеспечивается тангенциальная ориентация армирующих элементов в изделии - обеспечивается высокая трещиностойкость композитных изделий в радиальном/нормальном (наиболее нагруженном) направлении при изготовлении опорных элементов (например, колец/валов подшипников качения/скольжения) или инструментов типа чашечных резцов или режущих керамических пластин.

Во-вторых, при намотке заготовки на оправку формируется «спиральная слоистость», обладающая лучшей трещиностойкостью по сравнению с прототипом за счет того, что слои формируются вне направления наибольшего нагружения.

Как и в прототипе на начальной стадии осуществляют подготовку исходной шихты, содержащей порошковую матрицу (в нашем случае - порошок Al₂O₃), нитевидные армирующие кристаллы (в обоих случаях - нитевидные кристаллы SiC) и вязкое связующее (в нашем случае - парафин). В процессе формования шихту выдавливают мундштучным прессованием через плоскощелевую матрицу (по сути экструдируют) с получением плоской заготовки с ориентацией в ней нитевидных армирующих кристаллов в направлении экструзии.

Далее, с тем, чтобы получить структуру с тангенциальной ориентацией нитевидных армирующих кристаллов, плоскую заготовку в вязкотекучем состоянии на выходе из матрицы наматывают на тонкую оправку. Диаметр оправки 3-5 мм. Диаметр намотанной заготовки 15-20 мм. Направление намотки/спирали в брикете следует выбирать противоположным направлению предполагаемого относительного вращения/перемещения изделия относительно поверхности, с которой изделие будет взаимодействовать - это в некоторой степени еще повысит трещиностойкость изделия.

Далее брикет помещают в печь и нагревают, осуществляя отгонку связующего. При этом ось брикета располагают вертикально в целях недопущения тангенциальной дезориентации нитевидных армирующих кристаллов в брикете. Если связующее - парафин, то нагрев следует осуществлять до температуры 100°C со скоростью, не превышающей 5 град/мин. При более высоких параметрах (установлено опытным путем) отгонка связующего сопровождается дезориентацией нитевидных армирующих кристаллов в брикете.

После отгонки связующего, брикет прессуют в изделие, при этом направление прессования - вдоль оси брикета - в целях недопущения тангенциальной дезориентации нитевидных армирующих кристаллов в брикете. При этом замечено, что горизонтально ориентированные нитевидные армирующие кристаллы в процессе отгонки и прессования брикета в 90% от общего количества поворачиваются в вертикальной плоскости на угол до 40° (редко - больше). Это явление также способствует повышению трещиностойкости в смысле заявленного технического результата.

Пример осуществления способа изготовления композитных изделий.

Порошок оксида алюминия, нитевидные кристаллы карбида кремния и парафин смешивают в пластиковой емкости шаровой мельницы. При этом используют шары из Al₂O₃. Корпус мельницы во время проведения операции смешивания имеет температуру, близкую к температуре плавления парафина (~50°C). При этом процесс смешивания компонентов протекает в жидкой среде более интенсивно, чем в газовой. Поскольку смешивание порошков производят одновременно с их пластификацией, это сокращает общее время приготовления шихты. Количество парафина составляет 8-12%, оксида алюминия - 55-65%, нитевидных кристаллов карбида кремния - 25-35%, от массы шихты.

Шихта, увлажненная парафином, представляет собой пастообразную смесь, которую выдавливают мундштучным прессованием через плоскощелевую матрицу с получением плоской заготовки. Размеры поперечного сечения заготовки составляют 12×1 мм, длина заготовки ограничена только объемом засыпки шихты в пресс-форму для мундштучного прессования. В процессе выдавливания шихты через матрицу нитевидные кристаллы карбида кремния ориентируются в направления действующей силы. Парафин является пластификатором в операции мундштучного прессования, облегчает выдавливание шихты и ориентацию нитевидных кристаллов карбида в направлении выдавливания.

Полученную плоскую заготовку на выходе из матрицы наматывают на тонкую оправку диаметром 3 мм с расчетом получения спирально намотанной круглой заготовки диаметром 20 мм. При этом ориентация нитевидных армирующих кристаллов имеет в плане тангенциальный спиральный характер. Высота заготовки составляет 12 мм. Полученный брикет снимают с оправки и, обеспечивая вертикальное положение оси цилиндрического брикета, помещают в печь в засыпке порошка оксида алюминия и нагревают для отгонки связующего. Нагрев осуществляют до температуры 100°C со скоростью, не превышающей 5 град/мин. При более высоких параметрах отгонка связующего сопровождается дезориентацией нитевидных армирующих кристаллов в брикете и его короблением.

После отгонки связующего, брикеты устанавливают в многоместную графитовую пресс-форму и прессуют в изделия методом горячего прессования при температуре 1500-1700°C и давлении в направлении осей цилиндрических брикетов 500-600 МПа. При этом возможны два варианта прессования: с сохранением центрального отверстия, которое остается после удаления оправки, в этом случае оно используется для крепления изделия (например, чашечного резца) к державке инструмента, и заполнения материалом центрального отверстия в процессе приложения давления при горячем прессовании, в этом случае получается цельное монолитное изделие. При необходимости заготовке можно придать призматическую форму, в этом случае ориентация нитевидных кристаллов карбида кремния в результате деформации брикета будет иметь частично тангенциальное и спиральное направление, но при этом сохранится намотанная структура заготовки. Требуемая форма заготовки может быть получена также с помощью механической обработки.

Спекание изделия осуществляется в процессе прессования. Время выдержки под давлением составляет 15-20 мин. Анализ изделия показал, что нитевидные армирующие кристаллы в процессе прессования брикета в 70% от общего количества поворачиваются в вертикальной плоскости на угол до 40°. При этом плотность изделия составила 98,5-99,5%, коэффициент трещиностойкости полученных изделий составил 9-9,5 МПа/м^0,5, а вязкость разрушения на 10-20% превысила вязкость разрушения керамики с трехмерным расположением нитевидных кристаллов карбида кремния (данные получены в лаборатории на традиционном оборудовании).

Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения позволяет обеспечить возможность изготовления композитных керамических материалов, тангенциально и спирально армированных нитевидными армирующими кристаллами, а также, благодаря описанным взаимосвязанным действиям при изготовлении керамических изделий, обеспечить высокую трещиностойкость при расширении технологических возможностей за счет изготовления опорных элементов (например, колец/валов подшипников качения/скольжения) или инструментов типа чашечных резцов.

Анализ заявленного изобретения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в независимом пункте формулы признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой и неизвестной на дату приоритета из уровня техники совокупности необходимых признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для изготовления композитных изделий, предпочтительно режущих керамических пластин, и может быть использован в инструментальной промышленности в технологических процессах изготовления металлорежущего инструмента;

- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте нижеизложенной формулы, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в материалах заявки известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленный объект соответствует требованиям условий патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.