Шихта для получения композиционного сверхтвердого материала на основе алмаза, кубического нитрида бора и ультрадисперсного алмаза

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ШИХТА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО СВЕРХТВЕРДОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ АЛМАЗА,КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА И УЛЬТРАДИСПЕРСНОГО АЛМАЗА(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Автор Старченко Игорь Михайлович(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Шихта для получения поликристаллического композиционного сверхтвердого материала, включающая графит, графитоподобный нитрид бора и бор, отличающаяся тем,что дополнительно содержит ультрадисперсный алмаз при следующем соотношении компонентов, мас.графит 590 графитоподобный нитрид бора 590 бор 18 ультрадисперсный алмаз 0,130,0. Изобретение относится к технологии получения поликристаллических композиционных сверхтвердых материалов (ПКСТМ) и может быть использовано для изготовления поликристаллов с повышенной стойкостью к износу для элементов сверхтвердого инструмента. Известные способы получения ПКСТМ на основе сверхтвердых модификаций нитрида бора и углерода основаны на воздействии на шихту высокими давлениями и температурой в области стабильности их сверхтвердых фаз. В качестве исходной шихты при этом может быть использован графитоподобный нитрид бора либо графит 1, расположенные в контакте с катализатором, который понижает параметры синтеза сверхтвердых компонентов ПКСТМ, например температуру, давление или время синтеза. В качестве катализаторов синтеза для алмаза используются переходные металлы восьмой группы периодической системы, а также хром, марганец, тантал важными катализа 10863 1 2008.06.30 торами-растворителями являются сплавы никеля с железом и никеля с марганцем. Для кубического нитрида бора - щелочные и щелочно-земельные металлы и их нитриды, а также фториды и гидриды. Катализаторы, которые остаются в поликристалле, снижают его физические и эксплуатационные свойства, например термо- и абразивную стойкость. Известно 2, что повысить микротвердость и прочность на сжатие поликристаллов можно введением неметаллической добавки - бора. Однако зерна в поликристаллах в этом случае были связаны недостаточно прочно, что обусловливало относительно низкую абразивную стойкость. В патенте 3 эти недостатки преодолеваются введением в шихту дополнительно графитоподобного нитрида бора и алюминия и/или нитрида алюминия. Термобарическая обработка приводит к совместному превращению углерода и нитрида бора в плотные модификации, при этом зерна алмаза прочно скреплены зернами кубического нитрида бора. На границах зерен происходит образование карбида бора, нитрида и боридов алюминия. Графитоподобный нитрид бора взаимодействует с алюминием с образованием нитрида алюминия, а бор взаимодействует с графитом с образованием карбида бора. Образующиеся нитрид алюминия и карбид бора инициируют превращение графитоподобного нитрида бора в кубический и графита в алмаз, что приводит к образованию ПКСТМ. Термобарическая обработка приводит к совместному превращению углерода и нитрида бора в плотные модификации, при этом зерна алмаза прочно скреплены зернами кубического нитрида бора. Для изготовления качественных ПКСТМ обычно используют различные методы спекания порошков СТМ с зернами различного размера и цементирующими и пластифицирующими добавками в качестве связующего. ПКСТМ получают объемным сочетанием компонентов, один из которых пластичен (связующее), а другой обладает высокой прочностью, твердостью, стойкостью против абразивного изнашивания и жесткостью (наполнитель). Необходимые инструментальные свойства обеспечиваются высокодисперсной структурой связующего. Существует принципиальная необходимость сохранить в синтезируемом материале ультратонкую структуру в межзеренной области, выполняющей роль цементирующей и пластифицирующей связки. Шихта для получения ПКСТМ 3 по своей сущности наиболее близка к предлагаемому изобретению и выбрана в качестве прототипа. Общим существенным признаком прототипа и заявляемого объекта является присутствие в шихте графита, графитоподобного нитрида бора и бора. Задачей, решаемой настоящим изобретением, является повышение абразивной стойкости ПКСТМ за счет сохранения в материале ультратонкой структуры, выполняющей роль цементирующей и пластифицирующей связки. Поставленная задача решается тем, что шихта для получения поликристаллического композиционного сверхтвердого материала на основе алмаза и кубического нитрида бора,включающая графит, графитоподобный нитрид бора и бор, дополнительно содержит ультрадисперсный алмаз (УДА) при следующем соотношении компонентов, мас.графит 5-90 графитоподобный нитрид бора 5-90 бор 1-8 ультрадисперсный алмаз 0,1-30,0. Сопоставительный анализ нового решения с прототипом показывает, что заявляемая шихта отличается от известной тем, что содержит дополнительно ультрадисперсный алмаз. Таким образом, заявляемая шихта соответствует критерию изобретения новизна. Известно 4-6, что кристаллы УДА, вводимые в шихту, служат идеальными критическими зародышами роста как отдельно, для синтеза алмаза и кубического нитрида бора,а также их же, как составляющих ПКСТМ. 2 10863 1 2008.06.30 Ультрадисперсный алмаз, оставаясь в ПКСТМ, являясь сверхтвердым материалом,служит цементирующей и пластифицирующей связкой для кристаллов алмаза и кубического нитрида бора. Присутствие в шихте комплекса веществ, обладающих высокой каталитической активностью, способствует полному превращению исходных неплотных материалов в плотные фазы и формированию мелкозернистой структуры получаемого поликристалла. Введение в шихту бора в количестве, меньшем 1 мас. , и ультрадисперсного алмаза,меньшем 0,1 мас. , не обеспечивает необходимого каталитического действия, в результате чего в поликристалле остается некоторое количество графита и гексагонального нитрида бора, снижающих его прочностные свойства. Большое количество добавок, превышающее 30 мас. , также приводит к снижению прочности композита из-за снижения доли основного функционального материала. При содержании в шихте графита в количестве, меньшем 5 мас. , падает износостойкость поликристалла, при содержании нитрида бора в количестве, меньшем 5 мас. ,уменьшается его работоспособность из-за уменьшения термостойкости материала. Композит из распределенных зерен алмаза и кубического нитрида бора, связанных цементирующей и пластифицирующей связкой из ультрадисперсного алмаза, с распределенным в ней карбидом бора, обладает высокой прочностью, износостойкостью и обеспечивает свойство самозатачиваемости. Последнее осуществляется за счет присутствия в составе композиционного материала твердых и сверхтвердых составляющих с различной термостойкостью, теплопроводностью, твердостью и абразивностью алмаза, кубического нитрида бора, УДА и карбида бора. Присутствие нескольких фаз с различающимися твердостью и износостойкостью приводит к тому, что более крупные зерна алмаза и несколько уступающие им по твердости зерна кубического нитрида бора постепенно обнажаются из поликристалла, обеспечивая его высокую работоспособность. Карбид бора, распределенный в цементирующей и пластифицирующей связке из УДА, является высокотвердым и тугоплавким материалом и не приводит к потере механических свойств поликристалла. Таким образом, заявляемое решение соответствует критерию существенные отличия. Использование предлагаемой шихты для получения поликристаллического материала алмаз-кубический нитрид бора-УДА из графита и графитоподобного нитрида бора с использованием цементирующей и пластифицирующей связки из УДА осуществляется следующим образом. Из порошков графита, аморфного бора, графитоподобного нитрида бора и УДА приготавливается смесь с заданным соотношением компонентов и тщательно перемешивается. Из приготовленной смеси прессуются таблетки, которые подвергаются термобарической обработке в области стабильности плотных модификаций (алмаза и кубического нитрида бора). Примеры получения поликристаллического материала алмаз-кубический нитрид бора-УДА из предлагаемой шихты. Пример. Исходная шихта приготавливалась в виде гомогенной смеси графита, аморфного бора,графитоподобного нитрида бора и УДА при следующем соотношении компонентов,мас.графит 40,0 аморфный бор 5,0 графитоподобный нитрид бора 45,0 ультрадисперсный алмаз 10,0. Использовались порошки УДА высокой степени очистки с размером частиц 4-10 нм,удельной площадью поверхности 30050 м 2/г и содержанием несгораемого остатка до 2 мас.(УДА-ГО ТУ 080-167-21-90). 3 10863 1 2008.06.30 В качестве исходных материалов использовались 1. Графит марки ГС-2 2. Аморфный бор 3. Гексагональный нитрид бора (ТУ 2036-1045-88) 4. Порошок УДА-ГО производства НПО Синта (ТУ 080-167-21-90). Для получения гомогенной смеси компоненты шихты перемешивали в вибромельнице. Из полученной шихты прессовались таблетки, которые затем помещались в цилиндрические нагреватели из смеси графита с нитридом бора, а затем в контейнеры высокого давления типа наковальня с лункой. Сборка подвергалась воздействию высоких давления и температуры в области стабильности плотных фаз углерода и нитрида бора на прессовой установке ДО 138 А. Рентгеновский фазовый анализ показал, что образцы содержат алмаз, кубический нитрид бора, УДА и карбид бора. Предел прочности на сжатие поликристаллов оказался равным 3,5 ГПа. Стойкость к абразивному износу составила 0,004 мм/км. Результаты испытаний поликристаллических композиционных сверхтвердых материалов, полученных из предлагаемой шихты, сведены в таблицу. Результаты проведенных испытаний показывают, что материал, полученный из заявленной шихты, обеспечивает более высокую абразивную стойкость ПКСТМ при сравнимой прочности на сжатие с материалом, полученным из шихты прототипа. Состав шихты и свойства поликристаллического композиционного сверхтвердого материала Состав шихты, мас.Свойства Прочность Абразивнаяп/п Ультрадисперсный Графит Бор Нитрид бора на сжатие, стойкость,алмаз ГПа мкм/км 1 6 1 92 1 2,0 370 2 91 2 5 2 2,1 350 3 48 0,5 48 3,5 2,2 280 4 44,9 7 48,05 0,05 2,3 320 5 4 1 94,0 1 2,7 300 6 94,0 1 4 1 2,3 250 7 31 3 31 35 2,5 260 8 47,5 1 47,5 4 3,2 12 9 40,0 5 45,0 10 3,5 4 10 41 8 41 10 3,2 5 11 42 6 42 10 3,5 6 прототип 46,5 2 46,5 5 А 1 3,6 5 Источники информации 1. Патент США 4150098, НКИ 75-238, 1981. 2. Мазуренко , Гатальский Г.В., Ракицкий Э.Б. и др. Алмазообразование и взаимодействие в системе углерод-бор при высоких давлении и температуре // Неорганические материалы. - 1995. - Т. 31. -1. - С. 51-54. 3. Патент РБ 7925, 2006.04.30. 4. Патент РБ 461, 2002.03.30. 5. Патент РБ 531, 2002.06.30. 6. Патент РБ 508, 2002.03.30. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4