Композиционная керамика
Композиционная керамика на основе реакционно-спеченного нитрида кремния (РСНК-КО) представляет собой высокотехнологичный композиционный керамический материал.
Изделия из РСНК-КО изготавливаются по технологии горячего литья заготовки с последующим реакционным спеканием керамической массы.
Матрица из нитрида кремния обеспечивает низкую усадку при спекании, высокие диэлектрические свойства и химическую инертность материала к расплавам металлов, солей, кислот до 13000С. Максимальная рабочая температура до 14000С.
Крупнокристаллические включения придают материалу уникальную термостойкость: крупногабаритные изделия с толщиной стенки 3…5 мм выдерживают более 10 термоударов с температуры 12000С при закалке в воду (керамика из оксидов алюминия, циркония и других материалов разрушается после однократного испытания).
Существующая технология формирования изделий из РСНК-КО позволяет в сравнительно широких пределах регулировать пористость, плотность керамики и внедрять в матрицу равномерно распределенные композиционные добавки, в частности, крупнокристаллические оксиды металлов, теплопроводные ферросилициды, каталитически активные дисперсные включения никеля, платины, и др.
Материал обладает хорошей формуемостью изделий, отсутствием усадки при спекании в сочетании с химической- и термо- стойкостью.
Благодаря безусадочной технологии готовое изделие не требует дополнительной обработки и может включать резьбы, фланцы, поверхности под уплотняемые прокладки и другие элементы с высокой точностью размеров.
В настоящее время освоено производство небольшими партиями тиглей для плавки металлов (латунь, бронза, золото, цинк свинец и др.), закладных деталей печей, форсунок, изоляторов и др.
С нашим участием малыми инновационными предприятиями ЗАО «НТО ПРИБОРСЕРВИС» и ООО «Перспективные технологии МАИ» разрабатывается технология изготовления деталей сложной формы из композиционной керамики на основе нитрида кремния с использованием технологии формирования заготовок методом послойного струйного моделирования (3D-прототипирования) и последующего вакуумного реакционного спекания, которая позволит получать изделия сложной формы, армированные путем введения ориентированных неорганических волокон и дисперсных наполнителей.
Такие детали и изделия могут использоваться в ответственных теплонапряженных деталях воздушно-реактивных двигателей, жидкостно-ракетных двигателей, двигателей внутреннего сгорания, в разрядных камерах ионно-плазменных двигателей, в элементах химической аппаратуры, в вакуумных ионно-плазменных технологических устройствах, в деталях энергетического оборудования, в изделиях радиоэлектронной аппаратуры, в элементах оснастки литейных производств, оснастки для фьюзинга и моллирования стекла, в конструкциях перспективных средств передвижения и т.д. и т.п.
Изделия из РСНК-КО – реакционно-спеченный нитрид кремния – композит характеризуют:
- Повышенная стойкость в окислительных и нейтральных средах до 14000С;
- Высокие механические свойства при температурах до 13500С;
- Стойкость к расплавам металлов Al, Mg, Zn, Pb, Au, Ag, Cu и их сплавам;
- Увеличенный по сравнению с графитовыми тиглями в несколько раз ресурс;
- Изделия с толщиной стенки 3…5 мм выдерживают 10 термических ударов с температуры 12000С при закалке в воду.
Изделия из РСНК-КО прошли апробацию на ювелирных заводах ООО МЭЮЗ и ЗАОО «Победа», а также фирме по производству литейного оборудования ООО «Я сам». Ведутся мелкосерийные поставки муфелей для индукционных печей на ЗАОО «Победа».
Одним из наиболее простых и эффективных направлений внедрения на российском рынке изделий на основе нитрида кремния является изготовление дымоотводящих конструкций (дымоходов) для выведения продуктов сгорания в котлах, банных печах и каминах и т.д. и т.п. В настоящее время наиболее распространёнными конструкциями дымоходов являются «сэндвичи», т.е. конструкции состоящие из внутренней трубы из нержавеющей стали, минерального утеплителя и внешней трубы из оцинкованного железа или нержавеющей стали.
Большинство организаций, производящих печи для бытового применения (например, для саун и бань), — Harvia, Kastor, Термофор, Варвара, Вулкан, Везувий, Ижкомцентр ВВД, Кирасир и др., не указывают температуру топочных газов на выходе из печи, оставляя решение проблемы пожаробезопасности на усмотрение потребителя.
При испытаниях в г. Воронеже в 2011 г. трёх распространённых у потребителя бытовых банных печей было обнаружено, что температура на выходе печей колеблется от 650 до 850 градусов Цельсия. При этом, температура топочных газов в дымоходах из нержавеющих сталей не должна превышать 500˚С в соответствии с требованиями п.6.6.13. СНиП 41-01-2003.
Внутренняя труба «сэндвича», контактирующая с раскалёнными до 750 о — 800о С топочными газами, требует изготовления из жаростойких нержавеющих сталей (марок AISI 310, AISI 316, AISI 321), выдерживающих указанные температуры. При этом срок эксплуатации даже таких «сэндвичей» составляет 1-2 года (в зависимости от условий эксплуатации). К сожалению, изготовители «сэндвичей», вместо указанных марок, используют менее термостойкие, но дешевые марки, что приводит к многочисленным случаям возгораний. По статистике МЧС РФ (http://www.mchs.gov.ru) в результате неисправностей и нарушения правил эксплуатации печного отопления в 2015 г. произошло 24 794 пожаров.
Наиболее перспективными конструкциями являются «сэндвичи» с внутренней трубой из керамических материалов c жаропрочность до 1000°С. В настоящее время на российском рынке дымоходов представлены только керамические дымоходы производства Германии (Schiedel (http://www.schiedel.ru ), ТОNА (http://www.tona.ru ) и др.) и Италии (EFFE 2 (http://www.effe2.ru )). В России только ООО «Инжкомцентр ВВД» г. Климовск (http://www.vvd.su ) занимается на основе немецкой керамики фирмы ТОNА производством «сэндвич»-дымоходов.
Таким образом, в настоящее время имеется настоятельная необходимость в импортозамещении керамических элементов дымоотводящих конструкций, что будет соответствовать вступившему в силу с 1 июля 2015 года закону «О промышленной политике» (http://www.kom-dir.ru/article/309-importozameshchenie-v-rossii-2015 ).
Детали керамических дымоходов из композиционной керамики на основе реакционно-спеченного нитрида кремния (РСНК-КО) по жаропрочности и расчётному сроку службы (при более низкой расчётной стоимости на рынке РФ) превзойдут продукцию фирм Schiedel http://www.schiedel.ru, ТОNА http://www.tona.ru (Германия) и EFFE 2 http://www.effe2.ru (Италия).
Разработана технология изготовления пористых пластин для рассекателей газовых горелок, излучателей газовых теплогенераторов, каталитических горелок с активными включениями металлов и другого теплотехнического оборудования.
Свойства и опыт применения композиционной керамики.
Разработанная композиционная керамика РСНК-КО обладает следующими сравнительными характеристиками:
| Параметр | Горячепрессованный Si3N4 (производство НПО Композит) | РСНК-КО |
|---|---|---|
| Плотность (г/см-3) | 3.18 | 2,76 |
| Модуль Юнга (ГПа) | 285 | регулируемый 250±30 |
| Прочность при изгибе (МПа) | 675 | максимальная 185±10 |
| Твердость (ГПа) | 16 | 16 |
| Термический коэффициент расширения ( x 10-6/°C) | 3,2 | регулируемый 1,8…5,4 |
| Теплопроводность (Вт/м*K) | 25 | 12±10 |
| Максимальная рабочая температура (°C) | 1350 | 1350 |
Уступая по некоторым параметрам керамике горячепрессованного Si3N4, РСНК-КО имеет преимущество в способе формования, и, следовательно, в себестоимости производства изделий.
По РСНК-КО имеются лабораторные данные на истираемость в условиях трения в паре с абразивными материалами. Данные были получены при контролируемой силе прижима абразивных материалов (шкурки различных марок, шлифовальных и заточных абразивных камней). Сравнительные данные показывают, что на истираемость керамики не уступает, а в паре с некоторыми абразивными материалами – превосходит алунд (керамика с высоким содержанием оксида алюминия в корундовой модификации), другие керамические материалы.
Материал хорошо режется алмазными дисками и возможно получение колец с полированной торцевой поверхностью из трубных заготовок.