Взаимодействие карбида кремния с СаО-содержащими материалами (волластонитом)

В 1961 г. С. Г. Воронов и Э. Э. Тележкина впервые применили волластонит (метасиликат кальция) в качестве компонента керамической связки для карбида кремния. Исследования показали, что прочность на разрыв абразивного черепка из SiC на волластонитовой связке при одинаковой твердости лишь на 10- 15% выше, чем прочность на разрыв черепка на промышленной связке КЗ, однако новый инструмент имел повышенные эксплуатационные свойства. Так, при шлифовании ножей твердосплавных фрез съем металла увеличился на 50%, а удельная производительность — в среднем в 1,5 раза. Испытания, проведенные в 1970;1972 годах при шлифовании стержней болтов из сплава ВТ-16, а также при круглом наружном шлифовании (в центрах) металлорежущего инструмента из кобальтовых и ванадиевых быстрорежущих сталей новых марок, показали значительное преимущество абразивного инструмента на волластонитовой связке.

Нам представлялось, что положительный эффект при эксплуатации инструмента из карбида кремния на волластонитовой связке вызван упрочнением связи между карбидом кремния и связкой за счет образования промежуточного контактного слоя.

Для изучения взаимодействия карбида кремния 64С40 с СаО-содержашими материалами были использованы волластонитовый концентрат Кайташского месторождения, керамическая связка (30% огнеупорной латненской глины, 58% белогорского полевого шпата и 12% волластонитового концентрата) и порошкообразный оксид кальция марки Ч (96% СаО, 3% СаС0₃). Зерно 64С40 состояло из 98,9% SiC; 0,02% Si0₂; 0,87% Si_CB; 0,10% Fe; 0,04% С_св 1105|.

Химический состав волластон итового концентрата и волластонитовой связки приведен в табл. 2.73.

Навески этих материалов порознь и в смесях с карбидом кремния в соотношении 1: 1 подвергались термической обработке в воздушной среде при температурах 1250 и 1350 °C с выдержкой 1 и 8 ч.

Таблица 2. 73.

Химический состав волластонитового концентрата и волластонитовой связки.

В полученных образцах петрографическим методом в аншлифах и иммерсионных препаратах анализировались состояние связки, новообразования в ней на контакте с карбидом кремния, изменение окраски карбида кремния, состояние поверхности его зерен до и после термической обработки. Аншлифы были использованы также для локального микроспектрального анализа в целях определения возможности проникновения кальция в карбид кремния в процессе термической обработки. Микрофотография волластонитового концентрата после термической обработки при 1250 °C представлена на рис. 2.36, где отчетливо видны кристаллы волластонита в стекле.

Рис. 2.36. Микрофотофафия волластонитового концентрата после термообработки при 1250 °C (свет отраженный, увеличение х250):

1— кристаллы волластонита; 2— стекло Термическая обработка карбида кремния в смеси с волластонитовым концентратом сопровождается изменением обычной светло-зеленой окраски SiC на молочно-голубую и травянисто-зеленую. Поверхность зерен карбида кремния сильно протравливается, на ней появляются червеобразные углубления. На границе зерна с волластонитовым концентратом отчетливо видно приконтактное минералообразование с размером кристаллов 3−4 мкм, растущих от зерна в стекло. Приконтактная зона самого карбида кремния несколько резорбирована.

На рис. 2.37 представлены микрофотографии образца, состоящего из смеси карбида кремния с волластонитовым концентратом после термической обработки при 1250 °C с выдержкой 8 ч.

Рис. 2.37. Микрофотографии образца из смеси карбида кремния с волластонитовым концентратом:

а — протравленная поверхность зерна карбида кремния с червеобразными углублениями (свет проходящий, увеличение хбОО); б— поверхность образца с отчетливой кристаллизацией на контакте зерна с волластонитовым концентратом (свет отраженный, увеличение х800): /— зерно карбила кремния; 2— волластонитовый концентрат; 3— кристаллизация на границе зерна с волластонитом Взаимодействие карбида кремния с волластонитовой связкой также приводит к изменению окраски SiC и протравливанию поверхности его зерен. При просмотре аншлифа с максимальным увеличением оптического микроскопа не удается обнаружить кристаллизацию связки и минералообразование на ее границе с карбидом кремния. Сама связка представлена неоднородным стеклом, что хорошо видно на рис. 2.38. Однако буроватая окраска приконтактной зоны карбида кремния и сноповидный эффект двупреломления на плоскости базиса [0001), как и в случае взаимодействия карбида кремния с волластонитовым концентратом, говорит о наличии в приконтактной зоне тончайших субмикроскопи;

Рис. 2.38. Микрофотография образца из смеси карбида кремния с волластонитовой связкой после термообработки при 1250 °C с выдержкой 8 ч (свет отраженный, увеличение х250): / — зерно карбида кремния; 2 — Волластон итовая связка ческих новообразований, обнаружить которые можно, по-видимому, с помощью электронного микроскопа.

Регистрограммы, полученные с помощью локального лазерного микроспектрального анализа, представлены на рис. 2.39. Из регистрограммы (см. рис. 2.39, а) видно, что при его взаимодействии как с волластонитовым концентратом.

Рис. 2.39. Регистрограммы спектральной линии кальция (л = 315,8 мк) в спектрах различных микроучастков зерна карбида кремния: а— обработка в различных смесях при 1250 *С с различной выдержкой: 1— исходное зерно карбида кремния, прокаленное с выдержкой 8 ч; 2, 3— зерно, обработанное волластонитовым концентратом с выдержкой 1 и 8 ч соответственно; 4— зерно, обработанное волластонитовой связкой с выдержкой 8 ч; 5— зерно, обработанное порошкообразной СаО марки Ч с выдержкой 8 ч; б — обработка волластонитовым концентратом при различной температуре с выдержкой 1ч:/— исходное зерно карбида кремния, прокаленное при 1250 'С; 2, 3— центр зерна, обработанного при 1250 и 1350 'С соответственно; 4. 5— периферия зерна, обработанного при 1250 и 1350 «С соответственно; б, 7— граница связки с зерном, обработанным при 1250 и 1350 °C соответственно и волластонитовой связкой, так и с порошкообразным СаО происходит проникновение кальция в карбид кремния. Регистрограмма на рис. 2.39, б (температуры 1250 и 1350 °C, выдержка 1 ч) показывает проникновение кальция в зерно карбида кремния по его глубине. С увеличением температуры глубина проникновения кальция в зерно увеличивается.

Таким образом, можно считать, что улучшение свойств абразивного черепка из карбида кремния на керамической связке с добавлением СаО-содержащих материалов вызвано контактным минералообразованием на границе зерна карбида кремния с СаО-содержашей связкой.

С применением методики 1106] был разработан оптимальный состав связки с использованием волластонитового концентрата: полевой шпат — 64—52%, огнеупорная глина — 24−30%, волластонитовый концентрат — 12—18%. Прочность образцов, изготовленных на этой связке при ее содержании в количестве 20 вес. ч., составила 10,0−12,8 МПа при испытании на разрыв и 22,0−34,0 МПа — на изгиб (для черепка из 63С зернистостью № 16), 6,8—10,5 МПа — на разрыв и 22,0−27,0 МПа — на изгиб (для черепка 63С зернистостью № 25) и 6,0- 7,2 МПа — на разрыв и 13,0—13,7 МПа — на изгиб (для черепка зернистостью № 40). При этом химический состав связки был таким, %: Si0₂ 54−64, А1₂0₃ 16−25, К₂0 4,5−8,0, Na₂0 1,5−6,0, СаО 6,0−17 [107].