Способ получения кубического нитрида бора

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Гамеза Людмила Михайловна Антонович Ярослав Валентинович Целуевский Михаил Станиславович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси(57) Способ получения кубического нитрида бора, заключающийся в воздействии на реакционную смесь, включающую порошки нитрида лития, графитоподобного нитрида бора и минерализующую добавку, высоких давления и температуры, соответствующих области стабильности кубического нитрида бора, отличающийся тем, что в качестве минерализующей добавки используют порошок нитрида титана при следующем соотношении компонентов, мас.нитрид лития 10 нитрид титана 0,5-3,0 графитоподобный нитрид бора остальное,а термобарическую обработку ведут при давлении 5,3-5,8 ГПа в области температур 13801580 С в течение 12-20 с. Изобретение относится к технологии получения абразивных материалов, а именно к области получения порошков кубического нитрид бора, предназначенных для получения сверхтвердых композиционных материалов. Известен способ получения порошка кубического нитрида бора (КНБ), заключающийся в том, что порошок графитоподобного нитрида бора (ГНБ) смешивают с катализатором 5-17 мас.смеси лития, магния и кальция или их нитридов в массовом соотношении 1 0,50,3 соответственно, вводят 0,5-5 мас.порошка металлического цинка, прессуют,термообрабатывают при 600-900 С в атмосфере сухого очищенного азота 1-2 ч, воздействуют статическим давлением 35-50 кбар при 1100-1400 С, выдерживают 60-180 с. Выход кубического нитрида бора 43-57 , размер кристаллитов 40-80 мкм 1. Недостатком указанного способа является то, что в результате синтеза получают порошки с размерами кристаллитов свыше 40 мкм, которые при получении сверхтвердых композиционных материалов снижают их качество. 12567 1 2009.10.30 В качестве ближайшего аналога выбран способ получения порошка кубического нитрида бора, заключающийся в воздействии высоких давлений и температур в области стабильности кубического нитрида бора на реакционную смесь, состоящую из 80 мас.графитоподобного нитрида бора, 10 мас.нитрида лития и 0,5-7,0 мас.фосфора, а также различных минерализующих добавок (МД) - , , 424, 4. Фосфор вводился также в виде соединений ВР, 25, 35. Синтез порошков кубического нитрида бора проводился при давлении (Р) 4,0-4,5 ГПа и температуре (Т) свыше 1200 С в течение 6 мин. Размеры кристаллов в основном составляли 250-80 мкм 2. Недостатком указанного способа является то, что в результате синтеза получают порошки с размерами кристаллитов свыше 40 мкм, что снижает качество получаемых сверхтвердых материалов. Задачей настоящего изобретения является уменьшение дисперсности порошка кубического нитрида бора до размеров частиц не более 5 мкм. Задача решена в способе, который заключается в воздействии высоких давления и температуры в области стабильности кубического нитрида бора на реакционную смесь, состоящую из графитоподобного нитрида бора, нитрида лития и минерализующей добавки,причем, согласно изобретению, в качестве минерализующей добавки используют порошок нитрида титана в количестве 0,5-3,0 мас. , а синтез производится при давлении 5,3-5,8 ГПа в области температур 1380-1580 С в течение 12-20 с. Получение порошков кубического нитрида бора с размерами частиц менее 5 мкм достигается, во-первых, вследствие применения минерализующей добавки - нитрида титана и, во-вторых, вследствие проведения синтеза при несколько более высоких, нежели в прототипе, параметрах при давлении 5,3 ГПа и температурах 1380-1580 С. Проведенные рентгеновские исследования показали, что нитрид титана, помимо минерализующего, обладает также и катализирующим характером. Так, при введении в графитоподобный нитрид бора 1 мас.нитрида титана, без введения нитрида лития в качестве катализатора, образуется 0,6 мас.кубического нитрида бора. Несколько более высокие давления и температуры при синтезе, а также наличие нитрида титана, который может также выступать еще и в качестве гетерогенной затравки, способствуют образованию большего числа кристаллитов, а размеры их при этом уменьшаются. При введении 1 мас.нитрида титана в реакционную смесь, состоящую из 89 мас.графитоподобного нитрида бора и 10 мас.нитрида лития, а также при воздействии на нее давлением 5,3 ГПа и температурой 1480 С в течение 15 с образуется 70 мас.порошка кубического нитрида бора зернистостью 5/1, причем содержание фракции 5/3 составляет 80 от общего выхода. Введение нитрида титана в количестве менее 0,5 мас.не приводит к существенному увеличению выхода порошков кубического нитрида бора и уменьшению его зернистости. Введение нитрида титана в количестве свыше 3,0 мас.приводит к снижению выхода микропорошков кубического нитрида бора вследствие образования соединений, увеличивающих вязкость расплава. Термообработка шихты при давлении менее 5,3 ГПа приводит к укрупнению порошков, а давление свыше 5,8 ГПа экономически нецелесообразно. Термообработка шихты при температуре менее 1380 С не дает высокого выхода микропорошков кубического нитрида бора, а при температуре свыше 1580 С выход также снижается вследствие выхода из поля термодинамической стабильности кубического нитрида бора при указанных соотношениях катализатора и минерализаторов в шихте. Предлагаемый способ получения порошков кубического нитрида бора иллюстрируется следующими примерами. Пример 1. Производится взвешивание порошков гексагонального нитрида бора в количестве 89,5 мас. , нитрида лития в количестве 10,0 мас.и нитрида титана в количестве 0,5 мас. . Смесь порошков тщательно перемешивают в смесителе типа пьяная бочка, затем произ 2 12567 1 2009.10.30 водят 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 5, 3 ГПа, затем производят нагрев до 1380 С и осуществляют выдержку в течение 12 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 60 мас. , размер частиц колеблется в диапазоне от 1 до 5 мкм. Пример 2. Выполняют те же операции, что и в п. 1, только брикет состоит из 88 мас.гексагонального нитрида бора, 10 мас.нитрида лития, 1 мас.нитрида титана. Контейнер с брикетом сжимают до давления 5,8 ГПа, затем производят нагрев до 1480 С и осуществляют выдержку в течение 15 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 68 мас. , размер частиц колеблется в диапазоне от 1 до 5 мкм. Пример 3. Выполняют те же операции, что и в п. 1, только брикет состоит из 88,5 мас.гексагонального нитрида бора, 10 мас.нитрида лития, 1,5 мас.нитрида титана. Контейнер с брикетом сжимают до давления 5,8 ГПа, затем производят нагрев до 1520 С и осуществляют выдержку в течение 20 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 70 мас. , размер частиц колеблется в диапазоне от 1 до 5 мкм. Для сопоставления выходных данных по заявляемому изобретению и прототипу были изготовлены образцы по способу-прототипу. Данные сравнительных испытаний сведены в таблицу. Условия термобариче- Выход мик- Зернистость ской обработки ромикропорошков порошков МД,Р, ГПа Т, С 12567 1 2009.10.30 Предложенный способ позволяет получить выход большего числа кристаллитов кубического нитрида бора по сравнению с прототипом и с размерами частиц 1-5 мкм, что, в свою очередь, позволяет значительно улучшить качество и выход сверхтвердых композиционных материалов на его основе. Источники информации 1.2051085, 1995. 2.2226474, 1974 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4