SE511312C2 - Sätt att tillverka whiskerförstärkt keramik s - Google Patents

Description

Um 10 b) UI 511 312 2 GB 2214178 beskriver tillverkning av whiskerförstärkt keramik med frystorkning av en whisker/pulver suspension. Den' resulterande kakan krossas för att bryta upp agglomeraten och siktas genom en l mm sikt. Pulvret pressas och sintras sedan.

Pulvret som erhålls efter siktning har mycket dåliga flödesegenskaper och metoden kan endast användas för tillverkning av kroppar av enkel form såsom cylindrar, cirkelrunda skivor etc.. som därefter slipas till slutlig form och dimension.

Ett sätt att erhålla en whiskerförstàrkt keramisk kropp med en struktur väsentligen fri från granulgränser och en väsentligen en-dimensionell whiskerorientering med formsprutning visas i svenska patentansökan 9100895-3.

I svenska patentansökan 9201376-2 beskrivs ett sätt att forma keramiska kroppar medelst temperaturinducerad flockulering vilken, om den appliceras på whiskerförstärkta keramiska kroppar, ger en struktur väsentligen fri från granulgränser och med en isotrop whiskerorientering.

Trycksintringstekniker som varmpressning eller varmisostatisk pressning behövs normalt för whiskerförstärkt aluminiumoxidmaterial om whiskerinnehållet överskrider 10-15 vikt-%. Varmpressning är den föredragna metoden för detaljer med enkel geometrisk form. HIP behöver inkapsling (gastàt inneslutning) eftersom sluten porositet inte kan erhållas med användning av trycklös sintring. Glasinkapsling är den föredragna metoden för komplicerade former.

Whiskerförstärkt keramik framställs med användning av dispersioner av pulvret och whisker i en vätska. Ytterligare steg i behandlingen av slurryn inkluderar normalt ett granuleringssteg med användning av spraytorkning, frystorkning eller helt enkelt granulering i en blandare eller liknande metoder. Pulvret som erhållits innehåller grovt sfäriska agglomerat med storlekar från 25 till 200 um som erbjuder bättre flödesegenskaper än ogranulerat pulver vilket är väsentligt för likformig fyllning av dynan.

Pulvret som skall förtätas förkompakteras normalt i grafit-dynan för att reducera stackhöjden och öka antalet detaljer som kan framställas i en varmpressningsomgång. Alltför 10 15 20 30 511 312 3 löst pulver kan leda till inhomogen densitet i den sintrade detaljen eftersom pulverflödet i varmpressen är begränsat beroende pà dynväggsfriktion och speciellt för whiskerförstärkt material även beroende pà stort flödesmotständ i själva pulvret på grund av whiskerna.

Ett alternativ till att producera granulerat pulver för att fylla grafitdynan kan vara att förforma den önskade formen (d v s en skiva) med användning av konsolidering i en impermeabel form. Åtskilliga tekniker är kända och är i princip möjliga till exempel konsolidering av en polymerisationreaktion (Gel Casting), destabilisering (Direct Coagulation Consolidation, DCC), polykondensationsreaktioner (Hydrolysis Assisted Solidification, HAR) eller frysning.

Men var och en av de existerande metoderna har olägenheter, säsom användning av giftiga initiatorer i vatten- baserad gelgjutning, expansion och iskristaller i vatten- baserade system, eller sammandragning vid användning av organiska lösningsmedel i frysformning eller làg vätkroppsstyrka i DCC och HAR.

Stärkelsepartiklar har tidigare använts som filler i olika keramiska material för att producera material med styrd porositet. Potentiella tillämpningar omfattar stöd för keramiska membran, filter, gasbrännare och biokeramik.

Porstorleken hos det keramiska materialet beror pä den ursprungliga storleken av stärkelsepartiklarna.

Det har nu överraskande visat sig att stärkelsekonsolidering kan användas för att tillverka förformer _för varmpressning av whiskerförstärkt keramik.

Stärkelsepartiklarna används som en konsolidator/bindefas för att producera förformer för varmpressing av ickeporös höghällfast whiskerförstärkt keramik.

Fig 1 visar i lOO X mikrostrukturen av aluminiumoxid-25 vikt% kiselkarbidwhiskers med användning av spraytorkat pulver.

Fig 2 visar i 100 X mikrostrukturen av aluminiumoxid-25 vikt% kiselkarbidwhisker med användning av risstärkelsekonsolidering. 10 30 511 312 4 Föreliggande uppfinning avser speciellt tillverkning av whiskerförstärkta skär företrädesvis för bearbetning av varmhàllfasta legeringar där spànbrytare pà skäret inte behövs varför konsolidering till enkel geometrisk form är den föredragna utföringsformen d v s varmpressning. I kontrast till skär för stàlbearbetning, som kräver spànbrytare, behövs konsolidering med inkapslad HIP-sintring.

Enligt föreliggande uppfinning föreligger nu ett sätt att tillverka en whiskerförstärkt keramisk kropp med pulvermetallurgiska metoder, d v s, dispersion i en lämplig vätska, konsolidering, pressning och sintring. Som resultat erhàlls en keramisk kropp med homogen struktur med väsentligen inga granulgränser.

I metoden enligt föreliggande uppfinning blandas omsorgsfullt det keramiska pulvret innehållande konventionella sintringhjälpmedel och/eller korntillväxthämmare företrädesvis vid dispersion i vatten eller ett organiskt lösningsmedel.

Dispersionen kan underlättas/förbättras genom tillsats av organiska additiv och/eller vid justering av pH-värdet vid dispersion i vatten. Torrhalten i dispersionen skall vara i området 10-50 volym-%, företrädesvis 30-45 volym-%. Till dispersionen tillsätts ytterligare 1-15 vikt-%, företrädesvis 2-8 vikt-%, stärkelse. Med stärkelse menas här de naturligt existerande polymerföreningar eller modifikationer därav, extraherade fràn frön frän säd eller rötter av olika växter formade till partiklar. Form och storlek för partiklarna varierar och beror pà frän vilken växt de härstammar.

Stärkelsen kan vara i kemiskt modifierad form till exempel med eterifiering för att göra den mera stabil mot mekanisk behandling och sura betingelser. Efter det att stärkelsen har blivit lämpligt fördelad hålls den resulterande suspensionen i en plast- eller metallform med formen av förformen (diameter och höjd). Konsolidering, omvandling av suspensionen från fluiditet till styvhet, ästadkommes genom uppvärmning till 50- 100 OC, företrädesvis 70-90 i 2-4 timmar under täckning av formen med ett lock för att undvika vattenavdunstning. Locket avlägsnas för att avsluta torkningen i formen efter konsolideringssteget. Efter avslutad torkning avlägsnas 10 15 k) U! 30 L» kl) 511 312 5 organiskt material och försintring av förformen i luft i omkring 10 h vid omkring 600 OC. Därefter varmpressas förformen vid 1850 OC och omkring 25 MPa. Som resultat av varmpressningen erhålls en disk som sågas till ämnen och slipas till skär av önskad form och dimension.

Metoden enligt föreliggande uppfinning är tillämplig pà alla slag av whiskerförstärkta keramiska material omfattande dessutom konventionella sintringshjälpmedel och/eller 2-50, enkristallwhiskers och/eller fiber och/eller platelets korntillväxthämmare, företrädesvis 15-35 volym-% och/eller submikrona partiklar av karbider, nitrider och/eller Ti, Hf, Ta, och/eller Nb eller fasta lösningar därav. Whisker/fibermaterialet består av hårformade borider av Si, Zr, monokristaller/polykristaller med en diameter av 0.2-10 pm och en längd av 2.5-100 pm och ett längd/diameter förhållande av företrädesvis 5-10. Platelets är enkristallplattor med en diameter av 0.5-40 pm och ett diameter/tjockleksförhållande av 5-50, företrädesvis 10-20. De submikrona partiklarna har vanligen en storlek <500 nm.

Kornstorleken hos den keramiska matrisen skall vara pm, företrädesvis <4 pm. Matrisen är baserad på keramiska oxider, företrädesvis Al2O3, eller keramiska nitrider, företrädesvis Si3N4, möjligt ytterligare innehållande hårda karbider och/eller nitrider och/eller borider och/eller bindemetall. Den keramiska matrisen skall företrädesvis innehålla <20 volym-% ZrO2. Den relativa densiteten skall vara helst 99 %.

Metoden har jämfört med kända metoder åtskilliga fördelar åtminstone 95 %, företrädesvis 98 %, - Pulverblandningshanteringen elimineras fullständigt vilket erbjuder reducerat antal produktionssteg med bättre produktionsekonomi. Den reducerar även risken av uppkomst av luftburna whiskers vilket är en potentiell hälsorisk och reducerar följaktligen behovet av personlig skyddsutrustning - Användning av konsoliderade förformer med en högre gröndensitet än (förkompakterade) löst agglomererade pulver medför en mera likformig sintrad densitet hos slutprodukten (t ex mindre variation i prestanda hos skären). 10 15 l\) LA 30 u: V1 511 312 6 I kontrast till spraytorkat pulver erhàlls en mycket mer (EP-Å- erhålls en mycket likformig mikrostruktur. 579 587), I kontrast till frysgranulering som ger en likformig mikrostruktur, högre gröndensitet, vilket ger mindre textur hos whiskerna i det sintrade materialet eftersom den lodräta rörelsen för stämpeln är väldigt mycket reducerad.

Texturen (T) (grad av orientering) av whiskerna i det sintrade materialet kan bestämmas med röntgendiffraktion.

Förutsatt att SiC-fasen föreligger som > 95% kubiska ß-SiC- whiskers. . . . . 0,5 T = [(s1c1/S1C2>p/<(s1c1/s1c2)C] där SiC1 = intensiteten från [1010]-toppen av den hexagonala a-SiC SiC2 = summan av intensitet frän [lll]-toppen av den kubiska ß-SiC och [0002]-toppen av den hexagonala a-SiC p = plan vinkelrätt mot pressningsriktningen c = plan parallellt med pressningsriktningen Typiskt värde för spraytorkat material är T = 2,5-3,0 och (T=4,0-5,0).

Ett material enligt uppfinningen har ett T-värde av 2.0- ännu högre för frystorkat material 2.5 företrädesvis omkring 2.25 vilket betyder att egenskaperna är mindre orienteringsberoende. Speciellt kommer sprickor parallella med spànsidan att erfara högre motstånd mot utbredning vilket betyder mindre tendens för flagning eller top-slice brott.

Exempel l En blandning av aluminiumoxid(Ceralox APA 0,5)-25 vikt-% kiselkarbid whisker (ACMC SC-9) magnesiumoxid och yttriumoxid som sintringshjälpmedel innehållande liten mängd fördelades i vatten med användning av DISPEX som 6 vikt-% 2 Stärkelse dispersionsmedel. Pulversatsen bestod av 40 volym-%. um risstärkelsepartiklar (Modifierad ris stärkelse, Remyline DR, AB R. Lundberg) cylindrisk plastform täckt med en teflonfilm. och suspensionen hälldes i en 10 20 b) ÄJ1 511 312 7 Vid uppvärmning i luft i 3 timmar vid 75 OC konsoliderades för- formen och kunde efter ytterligare torkning avlägsnas fràn formen.

Förformen försintrades därefter i luft i 10 h vid 600 OC och varmpressades därefter vid 1850 °C och 28 MPa.

Ett spraytorkat pulver av samma nominella sammansättning varmpressades till en skiva under identiska villkor för jämförelse.

De sintrade skivorna diamantságades till skärämnen (ISO RNGN 120700 To1o20) Exempel 2 Proven fràn föregående exempel provades i en spàrnings- och vidgningsoperation med kylmedel i Inconel 718.

Följande skàrbetingelser användes: Skärhastighet: 250 m/min Matning: 0.15 mm/varv Skärdjup: 6 mm Skärvätska: Ja Ett ingrepp definieras som en spärningsoperation följt av 0 en vidgning till 30 6 i tvà steg.

(VBMAX) > 0.50 mm uppmàttes, och dessutom antalet cykler till livslängd (VbmaX)> Antalet cykler till en fasförslitning 1 mm och/eller stort toppslicebrott.

Resultatet visas i Tabell 4 (Fasförslitning) och Tabell 5 (Livslängd) Tabell 4 Antal cykler till Vbmax = 0,5 mm Variant Antal cykler Medel Variation Rel Spraytorkat 5,7 5,5 6,3 4,1 5,4 1,0 1,0 Uppfinning 6,8 5,6 7,6 5,7 6,4 0,9 1,2 Tabell 5 Antal cykler till Livslängd Variant Antal cykler Medel Variation Rel Spaytorkat __ 11 7 11 5 8,5 3,0 1,0 Uppfinning 11 10 12 13 11,5 1,3 1,4 511312 8 Det kan observeras att en ökning av slitstyrkan med 20% uppnås men ökningen i livslängd är 40% huvudsakligen beroende på reducerad tendens för spànsideflagning (beroende på whiskerorientering) och mindre variation i prestanda (beroende på likformighet i mikrostrukturen).

Claims (6)

10 15 20 25 30 9 t 511312 Ešâï

1. Keramisk kropp omfattande 2-50 volym-% SiC- whiskers av vilka SiC-fasen föreligger som >95% kubisk a-SiC i en keramisk matris vari strukturen och sammansättningen är likformig, fri från granulgränser och med en likformig fördelning av whiskers och vari orienteringen av whiskerna är tre-dimensionell k ä n n e t e c k n a d av att graden av orientering (textur) för whiskerna bestämd genom röntgen- diffraktion är 2.0 T = [p/<c1°'5 där SiC1 = intensiteten från {1010}-toppen av hexagonal B-SiC SiC2 = summan av intensiteten från {l1l}-toppen av den kubiska a-SiC och {OOO2}-toppen av den hexagonala ß-SiC p är från ett plan vinkelrätt mot pressnings- riktningen c år från ett plan parallellt med pressnings- riktningen.

2. Kropp enligt föregående krav k ä n n e - t e c k n a d av att T är omkring 2.25.

3. Kropp enligt något av kraven 1-2 k ä n n e - t e c k n a d av att sagda keramisk matris är baserad på keramiska oxider, företrädesvis Al2O3.

4. Kropp enligt något av kraven 1-3 k ä n n e - t e c k n a d av att sagda keramiska matris ytterligare innehåller hårda karbider och/eller nitrider och/eller borider och/eller bindemetall.

5. Kropp enligt något av kraven 1-4 k ä n n e - t e c k n a d av att sagda matris dessutom innehåller <2O volym-% ZrO2.

6. Kropp enligt något av kraven 1-5 k à n n e - t e c k n a d av att sagda kropp är ett skärverktyg med enkel geometri d v s utan spånbrytare.