[go: up one dir, main page]

RU2697987C1 - Method of making ceramics based on silicon nitride - titanium nitride composite - Google Patents

Method of making ceramics based on silicon nitride - titanium nitride composite Download PDF

Info

Publication number
RU2697987C1
RU2697987C1 RU2018138560A RU2018138560A RU2697987C1 RU 2697987 C1 RU2697987 C1 RU 2697987C1 RU 2018138560 A RU2018138560 A RU 2018138560A RU 2018138560 A RU2018138560 A RU 2018138560A RU 2697987 C1 RU2697987 C1 RU 2697987C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
silicon nitride
titanium
sintering
mpa
composite
Prior art date
Application number
RU2018138560A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Дмитрий Дмитриевич Титов
Антон Сергеевич Лысенков
Марианна Геннадьевна Фролова
Юрий Федорович Каргин
Константин Александрович Ким
Светлана Николаевна Ивичева
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН)
Priority to RU2018138560A priority Critical patent/RU2697987C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2697987C1 publication Critical patent/RU2697987C1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/58Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides
    • C04B35/58007Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on refractory metal nitrides
    • C04B35/58014Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on refractory metal nitrides based on titanium nitrides, e.g. TiAlON
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/58Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides
    • C04B35/584Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on silicon nitride
    • C04B35/593Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on silicon nitride obtained by pressure sintering
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/62605Treating the starting powders individually or as mixtures
    • C04B35/6261Milling
    • C04B35/62615High energy or reactive ball milling
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/64Burning or sintering processes
    • C04B35/645Pressure sintering
    • C04B35/6455Hot isostatic pressing
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/64Burning or sintering processes
    • C04B35/65Reaction sintering of free metal- or free silicon-containing compositions

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)

Abstract

FIELD: manufacturing technology.
SUBSTANCE: invention relates to a method of producing a ceramic composite from silicon nitride, hardened with titanium nitride, having a combination of physical and mechanical properties, such as high strength and hardness, low coefficient of thermal expansion, wear resistance and electrical conductivity. This type of ceramics is designed for operation in acidic and aggressive media, in conditions of high temperatures and prolonged mechanical action. Proposed method comprises mixing silicon nitride powder with sintering additive and titanium metal produced by plasma chemical method, grinding in medium of isopropanol in planetary mill, drying, addition of 3 wt% aqueous 10 % solution of polyvinylpyrrolidone, cold uniaxial pressing of blanks. Subsequent sintering and nitriding of workpieces is carried out in one step by hot pressing in graphite mold at 1,650 °C with maximum specific pressure of 30 MPa for 60 minutes in nitrogen atmosphere.
EFFECT: method enables to obtain in one stage dense ceramic materials having strength of up to 565 MPa, density higher than 3_14 g/cm3 and conducting electric current.
1 cl, 1 dwg, 1 tbl, 2 ex

Description

Изобретение относится к способу получения керамических композитов - композит из нитрида кремния (Si3N4), упрочненный нитридом титана (TiN), обладающий совокупностью физико-механических свойств, таких как высокая прочность и твердость, низкий коэффициент термического расширения и износостойкость. Данный вид керамики предназначен для работы в кислых и агрессивных средах, в условиях высоких температур и длительного механического воздействия. Изобретение относится к способу получения нитрид кремниевой керамики, армированной тугоплавким наполнителем нитридом титана.The invention relates to a method for producing ceramic composites - a composite of silicon nitride (Si 3 N 4 ), hardened by titanium nitride (TiN), having a combination of physical and mechanical properties such as high strength and hardness, low coefficient of thermal expansion and wear resistance. This type of ceramic is designed to work in acidic and aggressive environments, under conditions of high temperatures and prolonged mechanical stress. The invention relates to a method for producing silicon ceramic nitride reinforced with a refractory filler titanium nitride.

Способ изготовления композита на основе нитрида кремния, армированного нитридом титана, включает в себя смешение компонентов - тонкодисперсного порошка нитрида кремния, содержащий в качестве спекающей добавки алюминат кальция с эвтектической точкой плавления 1600°С и металлический титан. В процессе обжига металлический титан проходит стадию азотирования и образует частицы нитрида титана, которые являются армирующим агентом. Техническая привлекательность применения металлического титана обусловлена тем, что в процессе спекания металлический титан проходит стадию пластической деформации, за счет этого частицы Ti способствуют увеличению подвижности частиц Si3N4 и уплотнению нитрида кремния. Далее идет процесс азотирования с образованием армирующей добавки нитрида титана. Добавка TiN сочетает в себе ряд важных эксплуатационных характеристик, таких как высокая температура плавления, прекрасная химическая стойкость, высокая прочность, высокий модуль упругости и высокая электрическая проводимость. Введение нитрида титана армирует структуру материала, повышая показатели микротвердости и прочности при изгибе, а так же позволяет керамическому композиту проводить электрический ток.A method of manufacturing a composite based on silicon nitride reinforced with titanium nitride, involves mixing the components - a fine powder of silicon nitride, containing as a sintering additive calcium aluminate with a eutectic melting point of 1600 ° C and metal titanium. In the firing process, titanium metal goes through a nitriding step and forms titanium nitride particles, which are a reinforcing agent. The technical attractiveness of the use of metallic titanium is due to the fact that during sintering, metallic titanium undergoes a plastic deformation stage, due to which Ti particles increase the mobility of Si 3 N 4 particles and compaction of silicon nitride. Next is the nitriding process with the formation of a reinforcing titanium nitride additive. TiN additive combines a number of important operational characteristics, such as high melting point, excellent chemical resistance, high strength, high elastic modulus and high electrical conductivity. The introduction of titanium nitride reinforces the structure of the material, increasing the microhardness and bending strength, and also allows the ceramic composite to conduct electric current.

Изобретение относится к технологии получения керамических материалов, а именно к области получения изделий на основе нитридкремниевой керамики (Si3N4), армированной нитридом титана (TiN).The invention relates to a technology for producing ceramic materials, and in particular to the field of obtaining products based on silicon nitride ceramics (Si 3 N 4 ) reinforced with titanium nitride (TiN).

Нитрид кремния является перспективным материалом, обладающим совокупностью свойств, позволяющих широко использовать его в качестве электроизоляционных и радиотехнических изделий, магнитопроницаемой керамики, броневой керамики, режущего инструмента, а также, подшипников скольжения и качения. Композиты системы Si3N4-TiN представляют интерес для применения в качестве тонких нанокристаллических пленок (твердость сопоставима с твердостью алмаза), материалов для режущего инструмента, электропроводного материала, способного к электроимпульсной обработке (http://www.findpatent.ru/patent/238/2382690.html).Silicon nitride is a promising material with a combination of properties that allow its wide use as electrical insulating and radio engineering products, magnetically permeable ceramics, armor ceramics, cutting tools, as well as sliding and rolling bearings. Composites of the Si 3 N 4 -TiN system are of interest for use as thin nanocrystalline films (hardness comparable to that of diamond), materials for cutting tools, electrically conductive materials capable of electropulse processing (http://www.findpatent.ru/patent/ 238 / 2382690.html).

За последнее десятилетие в России проведены исследования по разработке композиционных материалов на основе нитрида кремния и нитрида титана, в которых вышеперечисленные соединения, могут являться как матрицей, так и армирующим наполнителем в виде нано частиц или дискретных волокон, усов.Over the past decade, research has been conducted in Russia on the development of composite materials based on silicon nitride and titanium nitride, in which the above compounds can be both a matrix and a reinforcing filler in the form of nano particles or discrete fibers, whiskers.

Известен способ получения керамики, состоящей из Si3N4 и нитрида титана (TiN). Способ заключается в смешивании и прессовании порошков нитридов кремния и нитрида титана с оксидами алюминия и иттрия. Спекание образцов проводят при температурах 1200-1800°C и давлении 2,5 ГПа в течение 30 секунд в контейнерах из литографского камня (В.Б. Шапило и др. Особенности спекания при высоком давлении керамики из нитрида кремния. Неорганические материалы, 1997, т. 33, No 10, с. 1269-1272).A known method of producing ceramics consisting of Si 3 N 4 and titanium nitride (TiN). The method consists in mixing and pressing powders of silicon nitride and titanium nitride with aluminum and yttrium oxides. Sintering of samples is carried out at temperatures of 1200-1800 ° C and a pressure of 2.5 GPa for 30 seconds in containers of lithographic stone (VB Shapilo et al. Features of sintering at high pressure of ceramic from silicon nitride. Inorganic materials, 1997, t 33, No. 10, pp. 1269-1272).

Известен способ получения композита системы Si3N4-TiN (В.С. Урбанович, Р.А. Андриевский, С.С. Турбинский, К.И. Янушкевич. Структура и свойства нанокомпозитов на основе нитридов кремния и титана, спеченных при высоких давлениях. Тезисы докладов второй Всероссийской конференции по наноматериалам «НАНО 2007», 13-16 марта 2007, Новосибирск, стр. 249). Исходную шихту, состоящую из порошков аморфного нитрида кремния с размером частиц до 13 нм и нанокристаллического нитрида титана с размером частиц 80 нм, смешивают и подвергают уплотнению при давлении до 4 ГПа при температурах до 1800°C.A known method for producing a composite of the Si 3 N 4 -TiN system (V. S. Urbanovich, R. A. Andrievsky, S. S. Turbinsky, K. I. Yanushkevich. Structure and properties of nanocomposites based on silicon and titanium nitrides, sintered at high pressures Abstracts of the second All-Russian conference on nanomaterials "NANO 2007", March 13-16, 2007, Novosibirsk, p. 249). The initial mixture, consisting of powders of amorphous silicon nitride with a particle size of up to 13 nm and nanocrystalline titanium nitride with a particle size of 80 nm, is mixed and compacted at a pressure of up to 4 GPa at temperatures up to 1800 ° C.

Известен способ получения композитов, описанный в патенте RU №2382690 опубликованный 27.02.2010 B22F 009/02, B22F 009/16, B22F 001/00, «Способ получения композиционного керамического порошка на основе нитрида кремния и нитрида титана». Готовят экзотермическую смесь смешением ферросилиция, содержащего 65-95 мас. % Si, ильменита, содержащего 60-65 мас. % диоксида титана, и предварительно азотированного ферросилиция, при соотношение компонентов в смеси: ферросилиция - 40-55 мас. %, ильменита - 20-40 мас. % и азотированного ферросилиция - 25-40 мас. %. После экзотермического синтеза осуществляют доазотирование смеси в течение 30-40 минут с последующим измельчением.A known method for producing composites described in patent RU No. 2382690 published 02.27.2010 B22F 009/02, B22F 009/16, B22F 001/00, "A method for producing a composite ceramic powder based on silicon nitride and titanium nitride." An exothermic mixture is prepared by mixing ferrosilicon containing 65-95 wt. % Si, ilmenite, containing 60-65 wt. % titanium dioxide, and pre-nitrided ferrosilicon, with a ratio of components in the mixture: ferrosilicon - 40-55 wt. %, ilmenite - 20-40 wt. % and nitrated ferrosilicon - 25-40 wt. % After exothermic synthesis, nitriding of the mixture is carried out for 30-40 minutes, followed by grinding.

Известен способ получения нанокомпозитов TiN-Si3N4 (Ostap В. Zgalat-Lozinskyy et. al. RCS of TiN-Si3N4 nanocomposites. In book: Science of sintering: current problems and new trends, 2003, Beograd, Serbian, p. 138-143). Композит состава 95 мас. % TiN + 5 мас. % Si3N4 и 50 мас. % TiN + 50 мас. % Si3N4 получают смешением порошков нитридов кремния и титана с добавками оксида иттрия и оксида алюминия, далее проводят спекание композиций в атмосфере водорода или азота при температурах 1500-1700°C.A known method of producing nanocomposites TiN-Si 3 N 4 (Ostap B. Zgalat-Lozinskyy et. Al. RCS of TiN-Si 3 N 4 nanocomposites. In book: Science of sintering: current problems and new trends, 2003, Beograd, Serbian, p. 138-143). The composite composition of 95 wt. % TiN + 5 wt. % Si 3 N 4 and 50 wt. % TiN + 50 wt. % Si 3 N 4 is obtained by mixing powders of silicon nitride and titanium with additives of yttrium oxide and alumina, then sintering the compositions in an atmosphere of hydrogen or nitrogen at temperatures of 1500-1700 ° C.

Недостатками вышеперечисленных способов получения композита системы Si3N4-TiN являются использование дорогостоящих чистых порошков или предварительно синтезированных исходных компонентов шихты, использование активирующих добавок, невозможность контролировать интенсивную рекристаллизацию при процессе спекания, недопустимость получения функциональной детали с нанодисперсной микроструктурой и длительность процесса подготовки шихты (смешение исходных компонентов в шаровой мельнице в течение 10 часов).The disadvantages of the above methods for producing a composite of the Si 3 N 4 -TiN system are the use of expensive pure powders or pre-synthesized initial components of the charge, the use of activating additives, the inability to control intensive recrystallization during sintering, the inadmissibility of obtaining a functional part with a nanodispersed microstructure and the duration of the process of preparing the charge (mixing starting components in a ball mill for 10 hours).

Наиболее близким является способ получения композита, описанный в патенте RU №2544942 опубликованный 20.03.2013 С04В 035/596, С04В 035/628, B82Y 030/00, «Способ получения нанокомпозита из керамического порошка», где описывается способ получения композиционного материала на основе нитрида кремния и нитрида титана, полученного из жидкофазного алкоголята титана. Способ получения нанокомпозита включает смешивание керамических частиц Si3N4 в этаноле с последующим добавлением в полученную суспензию жидкофазного алкоголята титана и предварительный нагрев суспензии до получения порошкообразной массы. Далее органическая часть выпаривается при 60°C в течение 24 часов и при 120°C в течение 2 часов, на второй стадии при 300-600°C происходит образование анатаза и полное удаление органической составляющей, далее азотирование в среде аммиака при 800-1200°C до образования нитрида титана.The closest is the method of producing the composite described in patent RU No. 2544942 published 03/20/2013 С04В 035/596, С04В 035/628, B82Y 030/00, "Method for producing a nanocomposite from ceramic powder", which describes a method for producing a composite material based on nitride silicon and titanium nitride obtained from liquid phase titanium alcoholate. A method of producing a nanocomposite includes mixing ceramic particles of Si 3 N 4 in ethanol, followed by adding titanium alcohol phase alcoholate to the resulting suspension and pre-heating the suspension to obtain a powdery mass. Then the organic part is evaporated at 60 ° C for 24 hours and at 120 ° C for 2 hours, in the second stage at 300-600 ° C the formation of anatase and the complete removal of the organic component occurs, then nitriding in ammonia at 800-1200 ° C to the formation of titanium nitride.

Недостатком известного способа является его много стадийность, длительность процесса подготовки порошка и неэкологичность процесса, так как в процессе приготовления порошка происходит удаление большой доли органической составляющей.The disadvantage of this method is its many stages, the duration of the powder preparation process and the environmental process, since in the process of preparing the powder, a large proportion of the organic component is removed.

Задачей заявляемого изобретения является получение композиционной керамики в один технологический процесс совмещающий спекание и азотирование.The task of the invention is to obtain composite ceramics in one process combining sintering and nitriding.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное изобретение, является обеспечение возможности получения керамического композита Si3N4-TiN с однородной микроструктурой в одну стадию путем азотирования металлического титана, непосредственно во время горячего прессования, при этом материал становится токопроводящим, сохраняет механическую прочность на уровне чистого нитрида кремния и повышается микротвердость композита.The technical result to which the claimed invention is directed is to provide the possibility of obtaining a ceramic composite Si 3 N 4 -TiN with a homogeneous microstructure in one step by nitriding metal titanium directly during hot pressing, while the material becomes conductive, maintains mechanical strength at pure silicon nitride and increases the microhardness of the composite.

Поставленный технический результат достигается смешением порошка нитрида кремния со спекающей добавкой и металлическим титаном в среде изопропанола в планетарной мельнице, сушкой полученной смеси при 120°C, добавлением 3 мас. % водного 10% раствора поливинилпирролидона, формованием заготовок с удельным давлением 100 МПа при комнатной температуре и спекание в среде высокочистого азота в печи горячего прессования при температуре 1650°C в течение 60 минут при максимальном удельном давлении 30 МПа.The technical result is achieved by mixing the silicon nitride powder with a sintering additive and metallic titanium in isopropanol medium in a planetary mill, drying the resulting mixture at 120 ° C, adding 3 wt. % aqueous 10% solution of polyvinylpyrrolidone by molding blanks with a specific pressure of 100 MPa at room temperature and sintering in a high purity nitrogen medium in a hot pressing furnace at a temperature of 1650 ° C for 60 minutes at a maximum specific pressure of 30 MPa.

Отличие от прототипа состоит в том, что на стадии смешивания компонентов используется металлический титан, полученный методом плазмохимического синтеза. Спекание производится методом горячего прессования. Применение металлического титана способствует увеличению подвижности зерен нитрида кремния в процессе спекания и снижению значения пористости изделия.The difference from the prototype is that at the stage of mixing the components, metal titanium obtained by plasma chemical synthesis is used. Sintering is carried out by hot pressing. The use of metallic titanium increases the mobility of the grains of silicon nitride during sintering and reduces the porosity of the product.

Изделия из предложенного керамического материала получают следующим образом:Products from the proposed ceramic material are obtained as follows:

В качестве исходного материала использовали коммерческий нитрид кремния (ООО «Плазмотерм»). Порошок металлического титана получен плазмохимическим методом в Институте металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова (ИМЕТ РАН) размер частиц 25-30 мкм (рис. 1). Порошки нитрида кремния и спекающей добавки алюмината кальция (Тэвк=1600°C), взятые в необходимых количествах, смешивают с металлическим титаном в планетарной мельнице в течение 60 мин в среде изовпропилового спирта. Полученную смесь высушивают до полного удаления спирта при 120°C. Высушенную смесь протирают через сито и прессуют методом двухстороннего прессования в металлической пресс-форме с приложением давления 100 МПа при комнатной температуре. Полученные сырцы подвергают горячему прессованию в графитовой пресс-форме при 1650°C в течение 60 минут в среде азота, давление прессования 30 МПа. В таблице №1 представлены свойства полученных керамических материалов на основе нитрида кремния со спекающей добавкой алюмината кальция и разным содержанием нитрида титана. Из данных в таблице №1 видно, что предел прочности при изгибе с увеличением содержания металлического титана в исходной шихте снижается от 565 МПа до 365 МПа (соотвественно для 5 и 30 мас. % Ti), при этом композит начинает проводит электрический ток, только при содержание титана ≥20 мас. %.As the starting material used commercial silicon nitride (LLC Plazmotherm). Powder of titanium metal obtained by plasma-chemical method at the Institute of Metallurgy and Materials A.A. Baykova (IMET RAS) particle size 25-30 microns (Fig. 1). The powders of silicon nitride and sintering additive of calcium aluminate (T evk = 1600 ° C), taken in the required quantities, are mixed with titanium metal in a planetary mill for 60 min in isovpropyl alcohol. The resulting mixture was dried until the alcohol was completely removed at 120 ° C. The dried mixture is wiped through a sieve and pressed by double-sided pressing in a metal mold with a pressure of 100 MPa at room temperature. The obtained raw materials are subjected to hot pressing in a graphite mold at 1650 ° C for 60 minutes in a nitrogen environment, the pressing pressure of 30 MPa. Table No. 1 presents the properties of the obtained ceramic materials based on silicon nitride with a sintering additive of calcium aluminate and different contents of titanium nitride. From the data in table No. 1 it can be seen that the flexural strength with an increase in the content of titanium metal in the initial charge decreases from 565 MPa to 365 MPa (respectively for 5 and 30 wt.% Ti), while the composite begins to conduct electric current, only at titanium content ≥20 wt. %

Пример 1. Готовят шихту следующего состава, мас. %: нитрид кремния - 90, алюминат кальция - 10; металлический титан - 5 (относительно общей массы нитрида кремния со спекающей добавкой).Example 1. Prepare a mixture of the following composition, wt. %: silicon nitride - 90, calcium aluminate - 10; titanium metal - 5 (relative to the total mass of silicon nitride with a sintering additive).

Порошок нитрида кремния смешивают в тефлоновом барабане со спекающей добавкой алюмината кальция (Тпл=1600°C), из расчета общей массы полученной шихты в смесь вводят металлический титан. Смешение и измельчение проводят в планетарной мельнице в течение 60 минут в среде изовпропилового спирта. В качестве мелящих тел используют шары из диоксида циркония диаметром 5 мм. Полученную смесь высушивают при 120°C на воздухе до полного удаления спирта. Высушенную смесь протирают через сито 0063, отвешивают необходимое количество шихты, добавляют в нее 3 мас. % водного 10% раствора поливинилпирролидона и проводят предварительное двухстороннее прессование в металлической пресс-форме при комнатной температуре. Полученный сырец подвергается горячему прессованию и азотированию в графитовой пресс-форме при 1650°C в течение 60 минут в среде высокочистого азота. Полученный керамический композит Si3N4-TiN имеет прочность при изгибе при комнатной температуре 580 МПа, плотность 3,02 г/см3, открытую пористость 0,09% и не проводит электрический ток.Silicon nitride powder is mixed in a Teflon drum with a sintering additive of calcium aluminate (T PL = 1600 ° C), based on the total weight of the resulting mixture, titanium metal is introduced into the mixture. Mixing and grinding is carried out in a planetary mill for 60 minutes in isovpropyl alcohol. As grinding bodies, balls of zirconium dioxide with a diameter of 5 mm are used. The resulting mixture was dried at 120 ° C in air until the alcohol was completely removed. The dried mixture is wiped through a 0063 sieve, the necessary amount of charge is weighed, 3 wt. % aqueous 10% solution of polyvinylpyrrolidone and conduct preliminary bilateral pressing in a metal mold at room temperature. The resulting raw material is subjected to hot pressing and nitriding in a graphite mold at 1650 ° C for 60 minutes in a high-purity nitrogen environment. The obtained ceramic composite Si 3 N 4 -TiN has a bending strength at room temperature of 580 MPa, a density of 3.02 g / cm 3 , an open porosity of 0.09% and does not conduct electric current.

Пример 2. Готовят шихту следующего состава, мас. %: нитрид кремния - 90, алюминат кальция - 10; металлический титан - 30 (относительно общей массы нитрида кремния со спекающей добавкой).Example 2. Prepare a mixture of the following composition, wt. %: silicon nitride - 90, calcium aluminate - 10; titanium metal - 30 (relative to the total mass of silicon nitride with a sintering additive).

Порошок нитрида кремния смешивают в тефлоновом барабане со спекающей добавкой алюмината кальция (Тпл=1600°C), из расчета общей массы полученной шихты в смесь вводят металлический титан. Смешение и измельчение проводят в планетарной мельнице в течение 60 мин в среде изовпропилового спирта. В качестве мелящих тел используют шары из диоксида циркония диаметром 5 мм. Полученную смесь высушивают при 120°C на воздухе до полного удаления спирта. Высушенную смесь протирают через сито 0063, отвешивают необходимое количество шихты, добавляют в нее 3 мас. % водного 10-% раствора поливинилпирролидона и проводят предварительное двухстороннее прессование в металлической пресс-форме при комнатной температуре. Полученный сырец подвергается горячему прессованию и азотированию в графитовой пресс-форме при 1650°C в течение 60 минут в среде высокочистого азота. Полученный керамический композит Si3N4-TiN имеет прочность при изгибе при комнатной температуре 365 МПа, плотность 3,41 г/см3, открытую пористость 0,09% и удельное электрическое сопротивление 3 Ом*см.Silicon nitride powder is mixed in a Teflon drum with a sintering additive of calcium aluminate (T PL = 1600 ° C), based on the total weight of the resulting mixture, titanium metal is introduced into the mixture. Mixing and grinding is carried out in a planetary mill for 60 min in isovpropyl alcohol. As grinding bodies, balls of zirconium dioxide with a diameter of 5 mm are used. The resulting mixture was dried at 120 ° C in air until the alcohol was completely removed. The dried mixture is wiped through a 0063 sieve, the necessary amount of charge is weighed, 3 wt. % aqueous 10-% solution of polyvinylpyrrolidone and conduct preliminary bilateral pressing in a metal mold at room temperature. The resulting raw material is subjected to hot pressing and nitriding in a graphite mold at 1650 ° C for 60 minutes in a high-purity nitrogen environment. The resulting ceramic composite Si 3 N 4 -TiN has a bending strength at room temperature of 365 MPa, a density of 3.41 g / cm 3 , an open porosity of 0.09%, and a specific electrical resistance of 3 Ohm * cm.

Figure 00000001
Figure 00000001

Claims (1)

Способ изготовления керамики на основе композита нитрид кремния - нитрид титана, включающий смешение порошка нитрида кремния со спекающей добавкой и металлическим титаном в среде изопропанола в планетарной мельнице, сушку полученной смеси при 120°С, добавление 3 мас. % водного 10% раствора поливинилпирролидона, формование заготовок при комнатной температуре и спекание в среде высокочистого азота, отличающийся тем, что в качестве исходного армирующего компонента используют металлический титан, полученный плазмохимическим методом, формование заготовок проводят холодным одноосным двусторонним прессованием в стальной пресс-форме при давлении 100 МПа, последующее спекание и азотирование проводят в одну стадию методом горячего прессования в графитовой пресс-форме при температуре 1650°С с максимальным удельным давлением 30 МПа в течение 60 минут в атмосфере азота.A method of manufacturing ceramics based on a composite of silicon nitride - titanium nitride, comprising mixing silicon nitride powder with a sintering additive and metallic titanium in an isopropanol medium in a planetary mill, drying the resulting mixture at 120 ° C, adding 3 wt. % aqueous 10% solution of polyvinylpyrrolidone, forming blanks at room temperature and sintering in high-purity nitrogen medium, characterized in that metal titanium obtained by the plasma-chemical method is used as the initial reinforcing component, the blanks are formed by cold uniaxial double-sided pressing in a steel mold under pressure 100 MPa, subsequent sintering and nitriding is carried out in one stage by hot pressing in a graphite mold at a temperature of 1650 ° C with maximum at a pressure of 30 MPa for 60 minutes in a nitrogen atmosphere.
RU2018138560A 2018-11-01 2018-11-01 Method of making ceramics based on silicon nitride - titanium nitride composite RU2697987C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018138560A RU2697987C1 (en) 2018-11-01 2018-11-01 Method of making ceramics based on silicon nitride - titanium nitride composite

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018138560A RU2697987C1 (en) 2018-11-01 2018-11-01 Method of making ceramics based on silicon nitride - titanium nitride composite

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2697987C1 true RU2697987C1 (en) 2019-08-21

Family

ID=67733655

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018138560A RU2697987C1 (en) 2018-11-01 2018-11-01 Method of making ceramics based on silicon nitride - titanium nitride composite

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2697987C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2734682C1 (en) * 2019-11-12 2020-10-21 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) Method of making silicon nitride ceramic with calcium aluminate sintering additive with low melting
RU2784667C1 (en) * 2022-09-15 2022-11-29 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) Method for producing a ceramic composite based on silicon nitride-titanium nitride

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS57111281A (en) * 1980-12-27 1982-07-10 Kyoto Ceramic Manufacture of silicon nitride sintered body
US4521525A (en) * 1984-05-29 1985-06-04 Gte Products Corporation Silicon nitride bodies
EP0589411A2 (en) * 1992-09-21 1994-03-30 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Silicon nitride sintered body and process for producing the same
RU2382690C1 (en) * 2008-09-30 2010-02-27 Томский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук (ТНЦ СО РАН) Method of receiving of composite ceramic powder on basis of silicium nitride and titanium nitride
RU2540674C2 (en) * 2013-02-27 2015-02-10 Общество с ограниченной ответственностью "Малое инновационное предприятие "Реализация инженерно-технических целей порошковой металлургии" Method of making articles from silicon nitride
RU2544942C1 (en) * 2013-12-16 2015-03-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВПО МГТУ "СТАНКИН") Method of obtaining nanocomposite from ceramic powder
US9533918B2 (en) * 2011-09-30 2017-01-03 United Technologies Corporation Method for fabricating ceramic material

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS57111281A (en) * 1980-12-27 1982-07-10 Kyoto Ceramic Manufacture of silicon nitride sintered body
US4521525A (en) * 1984-05-29 1985-06-04 Gte Products Corporation Silicon nitride bodies
EP0589411A2 (en) * 1992-09-21 1994-03-30 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Silicon nitride sintered body and process for producing the same
RU2382690C1 (en) * 2008-09-30 2010-02-27 Томский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук (ТНЦ СО РАН) Method of receiving of composite ceramic powder on basis of silicium nitride and titanium nitride
US9533918B2 (en) * 2011-09-30 2017-01-03 United Technologies Corporation Method for fabricating ceramic material
RU2540674C2 (en) * 2013-02-27 2015-02-10 Общество с ограниченной ответственностью "Малое инновационное предприятие "Реализация инженерно-технических целей порошковой металлургии" Method of making articles from silicon nitride
RU2544942C1 (en) * 2013-12-16 2015-03-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВПО МГТУ "СТАНКИН") Method of obtaining nanocomposite from ceramic powder

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2734682C1 (en) * 2019-11-12 2020-10-21 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) Method of making silicon nitride ceramic with calcium aluminate sintering additive with low melting
RU2784667C1 (en) * 2022-09-15 2022-11-29 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) Method for producing a ceramic composite based on silicon nitride-titanium nitride
RU2835280C1 (en) * 2024-06-14 2025-02-24 Евгений Васильевич Иваницкий Current-conducting structural metal-ceramic material of increased processability by methods of diamond-electrochemical grinding

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhang et al. Reactive hot pressing of ZrB2–SiC composites
JP5057327B2 (en) Boron carbide ceramics and method for producing the same
Lan et al. Mechanical properties and thermal conductivity of dense β-SiAlON ceramics fabricated by two-stage spark plasma sintering with Al2O3-AlN-Y2O3 additives
Lukianova et al. Microstructure of spark plasma-sintered silicon nitride ceramics
Basu et al. Development of WC–ZrO2 nanocomposites by spark plasma sintering
CN106083068A (en) A kind of preparation method of water base pelletize the directly silicon nitride ceramics of cold isostatic compaction
Baharvandi et al. Processing and mechanical properties of boron carbide–titanium diboride ceramic matrix composites
US5773733A (en) Alumina-aluminum nitride-nickel composites
Sasai et al. High pressure consolidation of B6O-diamond mixtures
JP3559382B2 (en) Method for producing silicon nitride based sintered body
RU2697987C1 (en) Method of making ceramics based on silicon nitride - titanium nitride composite
JP2011063453A (en) Boron carbide-silicon carbide composite ceramic and method for producing the same
Wu et al. In-situ reactive synthesis of Si 2 N 2 O ceramics and its properties
JP4809096B2 (en) TiB2-based Ti-Si-C composite ceramics and method for producing sintered body thereof
Petrovsky et al. Densification, microstructure and properties of electroconductive Si3N4–TaN composites. Part I: Densification and microstructure
JPH09183662A (en) Production of aluminum nitride sintered compact and aluminum nitride powder
JP2642184B2 (en) Method for producing aluminum nitride-hexagonal boron nitride sintered body
CN100429176C (en) A method for preparing nanocomposite ceramic materials by in-situ reaction
Lysenkov et al. Si 3 N 4–TiN composites produced by hot-pressing Silicon Nitride and Titanium powders
JP2000277815A (en) Thermoelectric material containing dispersed short thin metallic wires and its manufacture
JP2003221280A (en) Conductive silicon nitride-based composite sintered body and method for producing the same
JP5728684B2 (en) Free-cutting ceramics and manufacturing method thereof
Wyzga et al. The effect of high-energy methods of forming on the sintering behaviour and properties of Si3N4-based materials
JP2008297188A (en) Method for producing tungsten-doped zirconium boride
Wu et al. Preparation and Characterization of (Mo, W) Si 2-SiC Composites by In Situ Microwave Reaction Sintering