Перспективные материалы для нефтегазовых объектов (стр. 25 )

Особенностью оксида циркония (ZrO2) является слабокислотная или инертная природа, низкий коэффициент теплопроводности. Рекомендуемые температуры применения керамики из ZrO2 составляют 2000 - 2200 °С; она используется для изготовления огнеупорных тиглей для плавки металлов и сплавов, как тепловая изоляция печей, аппаратов и реакторов, в качестве покрытия на металлах для защиты последних от действия температур.

Керамика на основе оксидов магния и кальция стойка к действию основных шлаков различных металлов, в том числе и щелочных. Термическая стойкость их низкая. Оксид магния при высоких температурах летуч, оксид кальция способен к гидратации даже на воздухе. Их применяют для изготовления тиглей, кроме того, MgO используют для футеровки печей, пирометрической аппаратуры и т. д.

Керамика на основе оксида бериллия отличается высокой теплопроводностью, что сообщает ей высокую термостойкость. Прочностные свойства материала невысокие. Оксид бериллия обладает способностью рассеивать ионизирующее излучение высоких энергий, имеет высокий коэффициент замедления тепловых нейтронов, применяется для изготовления тиглей для плавки некоторых чистых металлов, в качестве вакуумной керамики в ядерных реакторах.

Керамика на основе оксидов тория и урана имеет высокую температуру плавления, но обладает высокой плотностью и радиоактивна. Эти виды керамики применяют для изготовления тиглей для плавки родия, платины, иридия и других металлов, в конструкциях электропечей (ThO2), для тепловыделяющих элементов в энергетических реакторах (UO2).

4.2. Бескислородная керамика

К тугоплавким бескислородным соединениям относятся соединения элементов с углеродом (МеС) - карбиды, с бором (МеВ) - бориды, с азотом (MeN) - нитриды, с кремнием (MeSi) - силициды и с серой (MeS) - сульфиды. Эти соединения отличаются высокими огнеупорностью (2500 - 3500 °С), твердостью (иногда как у алмаза) и износостойкостью по отношению к агрессивным средам. Материалы обладают высокой хрупкостью. Сопротивление окислению при высоких температурах (окалиностойкость) карбидов и боридов составляет 900 - 1000 °С, несколько ниже оно у нитридов. Силициды могут выдерживать температуру 1300 - 1700 °С (на поверхности образуется пленка кремнезема).

Карбиды. Широкое применение получил карбид кремния - карборунд (SiC). Он обладает высокой жаростойкостью (1500 - 1600°С), высокой твердостью, устойчивостью к кислотам и неустойчивостью к щелочам; применяется в качестве нагревательных стержней, защитных покрытий графита и в качестве абразива.

Бориды. Эти соединения обладают металлическими свойствами, их электропроводность очень высокая (порядка (12 - 57) · 10 -1 Ом· м). Они износостойки, тверды, стойки к окислению. В технике получили распространение дибориды тугоплавких металлов (TiB2, ZrB2 и др.). Их легируют кремнием или дисилицидами, что делает их устойчивыми до температуры их плавления. Диборид циркония стоек в расплавах алюминия, меди, чугуна, стали и др. Его используют для изготовления труб, емкостей, тиглей и термопар, работающих при температуре свыше 2000 °С в агрессивных средах. Покрытия из боридов повышают твердость, химическую стойкость и износостойкость изделий.

Нитриды. Неметаллические нитриды являются высокотермостойкими материалами, имеют низкие теплопроводность и электропроводимость. При обычной температуре это изоляторы, а при высоких температурах–полупроводники. С повышением температуры коэффициент линейного расширения и теплоемкость увеличиваются. Твердость и прочность этих нитридов меньше, чем твердость и прочность карбидов и боридов. В вакууме при высоких температурах они разлагаются. Они стойки к окислению, действию металлических расплавов.

Нитрид бора α - BN - «белый графит» - имеет гексагональную, графитоподобную структуру. Это мягкий порошок, стойкий к нейтральной и восстановительной атмосфере, используется как огнестойкий смазочный материал, изделия из него термостойки. Спеченный нитрид бора - хороший диэлектрик при 1800 °С в бескислородной среде. Наиболее чистый нитрид бора применяется в качестве материала обтекателей антенн и электронного оборудования летательных аппаратов. Другой модификацией является β-BN - алмазоподобный нитрид бора с кубической структурой, называемый эльбором. Его получают при высоком давлении и температуре 1360 °С в присутствии катализатора. Плотность эльбора составляет 3450 кг/м3, температура плавления 3000 °С. Он является заменителем алмаза, стоек к окислению до 2000 °С (алмаз начинает окисляться при температуре 800°С).

Нитрид кремния (Si3N4) более других нитридов устойчив на воздухе и в окислительной атмосфере до 1600 °С. По удельной прочности при высоких температурах Si3N4 превосходит все конструкционные материалы, а по стоимости он дешевле жаропрочных сплавов в несколько раз. Нитрид кремния прочный, износостойкий, жаропрочный материал. Он применяется в двигателях внутреннего сгорания (головки блока цилиндров, поршни и др.), стоек к коррозии и эрозии, не боится перегрева теплонагруженных деталей.

Таблица 4.2

Свойства бескислородной керамики

Название	Температура плавления, °С	Плотность, кг/м3	Предел прочности при 20 °С, МПа	Модуль упругости, ГПа	Коэффициент линейного расширения, ά·106,1/с	Коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К)
при растяжении	при изгибе	при сжатии
Карбид кремния SiC	2600	3200	155	–	2250	394	5,2	16,7 (200-1400)
Диборид титана TiB2	2980	4520	140	246	1350	–	8,1	–
Диборид циркония ZrB2	3040	6090	–	–	–	–	6,88	–
Нитрид бора BN "белый графит"	2350	2340	50 - 110 (25); 0,7 - 1 (1000)	50 - 110	500 - 600	8,65 (25); 1,16 (1000)	7,51	15 - 12,3 (300-1000)
Нитрид кремния Si3N4	1780 - 1820	3200	–	160	–	317	2,75	30
Дисилицид молибдена MoSi2	2030	6240	281 (980)	473 (980)	1130 (20); 340 (1400)	430	8,3	48,5 (900)
Примечание: в скобках указана температура испытания, оС

Силициды отличаются от карбидов и боридов полупроводниковыми свойствами, окалиностойкостью, они стойки к действию кислот и щелочей. Их можно применять при температуре 1300 - 1700 °С, при 1000 °С они не реагируют с расплавленным свинцом, оловом и натрием. Дисилицид молибдена (MoSi2) используется наиболее широко в качестве стабильного электронагревателя в печах при температуре 1700 °С в течение нескольких тысяч часов. Из спеченного MoSi2 изготовляют лопатки газовых турбин, сопловые вкладыши двигателей; его используют как твердый смазочный материал для подшипников, для защитных покрытий тугоплавких металлов от высокотемпературного окисления.

Сульфиды. Из сульфидов нашел практическое применение только дисульфид молибдена (MoS2), имеющий высокие антифрикционные свойства. Его применяют в качестве сухого вакуумстойкого смазочного материала. Рабочие температуры на воздухе от - 150 до 435 °С, в вакууме до 1100 °С, в инертной среде до 1540 °С. Дисульфид молибдена электропроводен, немагнитен, стоек к радиации, воде, инертным маслам и кислотам, кроме крепких НС1, НNO3 и царской водки. При температуре выше 400 °С начинается процесс окисления с образованием оксидной пленки, а при 592 °С образуется МоО3, являющийся абразивом.

Свойства бескислородной керамики приведены в табл. 4.2.

4.3. Проблемы применения технической керамики

Керамика как конструкционный материал привлекает все большее внимание конструкторов. Она чрезвычайно многообразна по своему химическому составу, физико-механическим свойствам и технологии получения. Целые классы керамических материалов, такие, как оксиды, нитриды, карбиды, имеют уникальное сочетание конструкционных свойств. Их основными достоинствами являются: возможность эксплуатации при высоких температурах, небольшая плотность (в два-три раза меньшая, чем у жаропрочных материалов), твердость, близкая к твердости алмаза, отличные диэлектрические характеристики, высокая химическая стойкость, в том числе на воздухе. К тому же природные запасы этих материалов неисчерпаемы - из них состоит практически вся земная кора. Возможные температуры эксплуатации жаропрочных сталей и сплавов 800 - 1200° С, молибдена - 1500° С, вольфрама - 1800° С, а оксидов, карбидов, боридов и нитридов – 1600 - 2500° С.

Достоинства керамических материалов уже сегодня обеспечили им самое разнообразное применение. Вот лишь некоторые примеры использования их в современной технике: детали газотурбинных и дизельных двигателей, тепловыделяющие элементы ядерных реакторов, легкая броня и элементы теплозащиты космических кораблей, тонкостенные поплавки и контейнеры для глубоководной техники, резцы для обработки металлов и оснастка для горячего деформирования металлов, плунжеры и уплотнительные кольца в насосах для перекачки агрессивных сред, элементы особоточных гироскопов и платы ЭВМ, подшипники и т. д.

Применение керамики обеспечивает повышенные эффективности новых и традиционных видов оборудования. Например, в результате использования керамической теплоизоляции внутренней полости цилиндра дизельного двигателя сокращаются потери тепла и, следовательно, снижается расход топлива. Главным направлением повышения эффективности газотурбинного двигателя (ГТД) является обеспечение возможности повышения температуры рабочего газа. Применение керамики позволит поднять ее с 1200 до 1600 °С и, таким образом, получить двигатель с качественно новыми характеристиками. Турбинные лопатки получают из смеси оксидов циркония и алюминия. В результате фазовых превращений оксида циркония и изменения в связи с этим его объема в зернах оксида алюминия возникает множество микротрещин, которые служат препятствием для макротрещин и гасят напряжения, возникающие в лопатках при больших ударных нагрузках. Это способствует повышению прочности, вязкости разрушения и сопротивления термической усталости.