Способ получения порошка кубического нитрида бора

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКА КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Витязь Петр Александрович Грицук Виталий Дмитриевич Гамеза Людмила Михайловна Сенють Владимир Тадеушевич Унярха Люция Степановна Антонович Ярослав Валентинович Целуевский Михаил Станиславович Мосунов Евгений Игоревич Веремейчик Владимир Александрович Ржецкий Владимир Анатольевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси(57) Способ получения порошка кубического нитрида бора, при котором готовят шихту,содержащую 5-17 мас.смеси порошков магния и алюминия, взятых в эвтектическом соотношении, 0,2-3,0 мас.гидрида титана и 80,0-94,8 мас.графитоподобного нитрида бора, осуществляют ее термообработку при температуре 450 С в течение 4 часов, а затем шихту прессуют и термообрабатывают при температуре 1400-1900 С и давлении 3,55,0 ГПа в течение 12-60 секунд. Изобретение относится к технологии получения абразивных материалов, а именно к области получения порошков кубического нитрида бора, предназначенных для получения сверхтвердых композиционных материалов. Известен способ получения порошка кубического нитрида бора, заключающийся в воздействии высокими давлениями и температурой в области термодинамической стабильности кубического нитрида бора на шихту из гексагонального нитрида бора, кристаллов кубического нитрида бора и активирующей добавки - порошка магния, обработанного раствором семиводного сернокислого железа. Массовое отношение гексагонального нитрида бора и добавки 7525. Содержание кубического нитрида бора - 4,4-22,0 мас. , зернистость - 80/63 (Патент РФ 2241661, опубл. 2004.12.10. Способ получения кубического нитрида бора / Боримский А.И., Новиков Н.В., Боримский И.А.) 10580 1 2008.04.30 Недостатком указанного способа является то, что получают порошки с размерами кристаллитов свыше 40 мкм, которые не являются наилучшими, с точки зрения размерного фактора, для получения сверхтвердых композиционных материалов, а также количество катализатора, состоящего в основном из магния (25 ), что снижает количество участвующего в синтезе порошка гексагонального нитрида бора. Известен также катализатор для синтеза кубического нитрида бора на основе магния,представляющий собой сплав магния с металлом, выбранным из группы, включающей кальций, кобальт, медь, цинк, редкоземельный элемент, мишметалл при следующем содержании компонентов, мас.магний 50-95, металл 5-50 (Патент РФ 1111305, опубл. 1999.07.10. Катализатор для синтеза кубического нитрида бора / Бурдина К.П., Полушин Н.И., Калашников Я.А., Семененко К.Н., Вербецкий В.Н.). Недостатком указанного катализатора на основе магния для синтеза порошков кубического нитрида бора является большое содержание магния в сплаве - свыше 50 , что повышает себестоимость продукции. В качестве ближайшего аналога выбран способ получения кубического нитрида бора,заключающийся в двухступенчатой термообработке шихты, приготовленной из смеси 517 мас.катализатора, 0,5-5,0 мас.активирующей добавки цинка и графитоподобного нитрида бора - остальное, вначале при температуре 600-900 С в течение 2-х часов, а затем при 1100-1400 С и давлении 3,5-5,0 ГПа (Патент РФ 2051085, опубл. 1995.12.27. Способ получения порошка кубического нитрида бора / Бурдина К.П., Семененко К.Н., Севастьянова Л.Г., Кулинич С.А.). Согласно вышеприведенному способу, получают кристаллиты кубического нитрида бора размерами 40-80 мкм, выход кубического нитрида бора - 43-57 . Недостатком указанного способа является то, что получаемые кристаллиты имеют размеры свыше 40 мкм,в то время как для получения сверхтвердых композиционных материалов высокого качества необходимы порошки с размерами кристаллитов 1-10 мкм. Задачей настоящего изобретения является получение порошков кубического нитрида бора с размерами частиц менее 10 мкм. Задача решена в способе, который заключается в двухстадийной термообработке шихты, приготовленной из смеси 5-17 мас.порошков магния и алюминия, взятых в эвтектическом соотношении, 0,2-3,0 мас.актвирующей добавки гидрида титана и 80,094,8 мас.графитоподобного нитрида бора, причем, согласно изобретению, осуществляют ее термообработку при температуре 450 С в течение 4-х часов, а затем шихту прессуют и термообрабатывают при температуре 1400-1900 С и давлении 3,5-5,0 ГПа в течение 12-60 секунд. Получение порошков кубического нитрида бора с размерами частиц менее 10 мкм достигается как за счет применения катализатора на основе порошков магния и алюминия в виде порошка эвтектического сплава, так и за счет введения газообразующей добавки,которая способствует не только активации шихты, но и увеличению давления внутри реакционного объема. Несколько более высокие давления и температуры при синтезе, которые сохраняются на протяжении всего времени синтеза благодаря газообразующей способности гидрида титана, способствуют образованию большего числа кристаллитов, а размеры их при этом уменьшаются. Эвтектический магний-алюминиевый сплав обладает большей каталитической эффективностью по сравнению с чистым магнием при получении порошков КНБ. Это следует из того факта, что, несмотря на то что содержание магния в сплаве составляет лишь третью часть по сравнению с количеством вводимого согласно прототипу магния, тем не менее выход порошков кубического нитрида бора составил 45-65 по сравнению с 43-57 для прототипа, причем на 70 порошки состоят из фракции 5/1, которая наиболее востребована при производстве сверхтвердых композиционных материалов для режущего инструмента, остальные порошки имеют размеры 610 мкм. 2 10580 1 2008.04.30 Следует отметить, что при содержании в шихте эвтектического магний-алюминиевого сплава менее 5 мас.выход порошков КНБ составляет менее 30-40 , а при содержании свыше 17 мас.спек плохо поддается измельчению, а также производство порошка КНБ удорожается из-за большого содержания катализатора. Введение гидрида титана в количестве менее 0,2 мас.не дает значительного эффекта по возрастанию давления и выходу порошков, а при содержании свыше 3,0 мас.возрастает число опытов с разгерметизацией контейнера и выбросом содержимого контейнера из зоны реакции. Предлагаемый способ получения порошков кубического нитрида бора иллюстрируется следующими примерами. Пример 1 Эвтектический сплав, полученный путем смешивания порошков магния и алюминия в эвтектическом соотношении и подвергнутых в течение 4 часов нагреву при 450 С, взятый в количестве 5 мас. , 0,2 мас.гидрида титана и порошок гексагонального нитрида бора в количестве 94,5 мас.тщательно перемешивают, затем производят прессование порошка в брикет диаметром 10 мм и высотой 11 мм под давлением 2104 кгс/см 2,помещают брикет внутрь трубчатого графитового нагревателя, предварительно размещенного в теплоэлектроизоляционном контейнере, с торцов которого устанавливают токопроводящие шайбы. Снаряженный таким образом контейнер помещают в камеру высокого давления типа наковальня с лункой, в которой сжимают брикет под давлением 3,5 ГПа, затем производят нагрев до 1400 С и осуществляют выдержку в течение 30 с. После выдержки отключают нагрев и давление снижают до атмосферного. Извлекают брикет из контейнера и производят очистку порошка кубического нитрида бора от побочных продуктов реакции синтеза любым из известных способов. Выход порошка составил в данном эксперименте 53 мас. , размер частиц колеблется в диапазоне от 1 до 10 мкм. Пример 2 Выполняют те же операции, что и в п. 1, только брикет состоит из 10 мас.эвтектического магний-алюминиевого сплава, 2,0 мас.гидрида титана и порошка гексагонального нитрида бора в количестве 88 мас. , сжимают брикет до давления 4,5 ГПа, затем производят нагрев до 1600 С и осуществляют выдержку в течение 12 с. После выдержки нагрев отключают и снижают давление до атмосферного. Извлекают брикет из контейнера и производят очистку порошка кубического нитрида бора от побочных продуктов реакции синтеза любым из известных способов. Выход порошка составил в данном эксперименте 59 мас. , размер частиц колеблется в диапазоне от 1 до 7 мкм. Пример 3 Выполняют те же операции, что и в п. 1, только брикет состоит из 12 мас.магнийалюминиевого эвтектического сплава, 2 мас.гидрида титана, 86 мас.графитоподобного нитрида бора. Прессуют брикет из указанной смеси, сжимают его под давлением 5,0 ГПа, производят нагрев до 1800 С и осуществляют выдержку в течение 30 с. Выход порошка составил в данном эксперименте 70 мас. , размер частиц колеблется в диапазоне от 1 до 5 мкм. Пример 4 Выполняют те же операции, что и в п. 2, только брикет состоит из 17 мас.магнийалюминиевого эвтектического сплава, 3 мас.гидрида титана, 80 мас.графитоподобного нитрида бора, брикет сжимают под давлением 5,0 ГПа, производят нагрев до 1900 С и осуществляют выдержку в течение 60 с. Выход порошка составил в данном эксперименте 65 мас. , размер частиц колеблется в диапазоне от 0,5 до 5 мкм. Пример 5 Берут порошки магния и алюминия в количествах, соответствующих сплаву на их основе эвтектического состава в количестве 5 мас. , добавляют 0,2 мас.гидрида титана и порошок ГНБ - остальное, тщательно перемешивают и подвергают нагреву в течение 4 часов при 450 С. Затем производят прессование шихты в брикет диаметром 10 мм и вы 3 10580 1 2008.04.30 сотой 11 мм, который помещают внутрь графитового нагревателя, расположенного в теплоэлектроизоляционном контейнере, по торцам устанавливают теплоизоляционные шайбы. Контейнер устанавливают в аппарат высокого давления, прикладывают давление 4,0 ГПа и температуру 1500 С в течение 45 с. После термообработки извлекают брикет,производят очистку порошка кубического нитрида бора от примесей любым из известных способов. Получили порошок с размером частиц 1-10 мкм, его выход составил 75 мас. ,из которых 70 приходится на фракцию 1-3 мкм. Для сопоставления выходных данных по заявляемому изобретению и прототипу были изготовлены образцы по способу-прототипу. Данные сравнительных испытаний сведены в таблицу. Условия второй стадии термобарической обработки Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4