Шихта для получения порошка кубического нитрида бора

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ШИХТА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКА 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) Шихта для получения порошка кубического нитрида бора в области его термодинамической стабильности, включающая нитрид лития, графитоподобный нитрид бора и минерализующую добавку, отличающаяся тем, что в качестве минерализующей добавки содержит порошок нитрида алюминия при следующем соотношении компонентов,мас.нитрид лития 10 нитрид алюминия 0,3-3,0 графитоподобный нитрид бора остальное. Изобретение относится к технологии получения абразивных материалов, а именно к области получения порошков кубического нитрида бора, предназначенных для получения сверхтвердых композиционных материалов. Известна шихта для получения порошков кубического нитрида бора, состоящая из 50 мас.графитоподобного нитрида бора и 50 мас.катализатора, представляющего собой смесь фторида лития и нитрида магния, взятых в соотношении 31. Синтез производится в аппаратах типа белт при воздействии высокого давления (7,0 ГПа) и высокой температуры (1200 С) в течение 10 минут на указанную смесь. Выход порошков кубического нитрида бора размерами 5-10 мкм составляет 901. К недостаткам указанной шихты следует отнести то, что применяющийся нитрид магния является нестойким, интенсивно разлагающимся соединением, поэтому для промышленных целей он явно неудобен, поскольку заготовки для синтеза с таким катализатором 12835 1 2010.02.28 не могут заготавливаться впрок вследствие быстрого окисления и разложения. К недостаткам получения порошков кубического нитрида бора в данном случае следует отнести также относительно высокие давления, требующие применения такого сложного аппарата высокого давления, как белт, а также достаточно большое время синтеза - 10 минут. Известен также способ получения порошка кубического нитрида бора, в котором используется шихта, содержащая графитоподобный нитрид бора с катализатором - 517 мас.смеси лития, магния и кальция или их нитридов в массовом соотношении 10,50,3 соответственно, затем вводят 0,5-5 мас.порошка металлического цинка, прессуют, обрабатывают при 600-900 С в атмосфере сухого очищенного азота в течение 1-2 ч,воздействуют статическим давлением 3,5-5,0 ГПа при 1100-1400 С и выдерживают при указанных параметрах в течение 60-180 с. Выход кубического нитрида бора составил 4357 , а размер кристаллитов 40-80 мкм 2. Недостатком указанного способа является то, что в результате синтеза получают порошки с размерами кристаллитов свыше 80 мкм, которые при получении сверхтвердых композиционных материалов снижают их качество. Известна также шихта для получения порошка кубического нитрида бора, включающая мелкодисперсные порошки фторида лития, азида натрия, поливинилового спирта,нитрида кремния и графитоподобного нитрида бора при следующем соотношении компонентов, мас.фторид лития - 5,0-25,0 азид натрия - 5,0-25,0 поливиниловый спирт 0,1-2,5 нитрид кремния - 1,0-10,0 графитоподобный нитрид бора - остальное. Синтез порошков кубического нитрида бора проводился в аппаратах высокого давления типа наковальня с лункой при давлении 4,0-5,0 ГПа и температуре 1200-1350 С в течение 15-20 секунд. Размер частиц кристаллов кубического нитрида бора основной фракции находится в пределах 5-10 мкм 3. Недостатком указанной шихты является то, что в результате синтеза получают порошки с размерами кристаллитов свыше 5 мкм, что так же, как и в предыдущем аналоге,снижает качество получаемых сверхтвердых материалов. 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, 2 О 5, 35. Синтез порошков кубического нитрида бора проводился при давлении (Р) 4,0-4,5 ГПа и температуре (Т) свыше 1200 С в течение 6 минут. Размеры кристаллов в основном составляли 250-80 мкм 4. Недостатком указанного способа является то, что в результате синтеза получают порошки с размерами кристаллитов свыше 80 мкм, что снижает качество получаемых сверхтвердых материалов. Задачей настоящего изобретения является уменьшение дисперсности порошка кубического нитрида бора до размеров частиц не более 5 мкм, что позволит улучшить качество сверхтвердых композиционных материалов. Задача решена при использовании шихты для синтеза порошка кубического нитрида бора, которая состоит из графитоподобного нитрида бора, нитрида лития и минерализующей добавки, в качестве которой используют порошок нитрида алюминия в количестве 0,3-3,0 мас. , а синтез производится при давлении 4,0-5,0 ГПа в области температур 1400-1550 С в течение 12-20 секунд. Получение порошков кубического нитрида бора с размерами частиц менее 5 мкм достигается вследствие применения минерализующей добавки - нитрида алюминия. Проведенные рентгеновские исследования показали, что при введении 0,3-3,0 мас.нитрида алюминия в реакционную смесь, состоящую из графитоподобного нитрида бора и 10 мас.нитрида лития, при воздействии на нее давлением 4,0 ГПа и температурой 2 12835 1 2010.02.28 1400 С в течение 12 секунд образуется более 80 мас.микропорошка кубического нитрида бора зернистостью 5/1, причем содержание фракции 5/3 составляет 90 от общего выхода. Введение нитрида алюминия в количестве менее 0,3 мас.не приводит к существенному увеличению выхода порошков кубического нитрида бора и уменьшению его зернистости. Введение нитрида алюминия 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 4,0 ГПа приводит к укрупнению порошков и уменьшению их выхода, а давление свыше 5,0 ГПа экономически нецелесообразно. Термообработка шихты при температуре менее 1400 С не дает высокого выхода микропорошков кубического нитрида бора, а при температуре свыше 1550 С наблюдается спекание микропорошка в плотный компакт, который необходимо подвергать дроблению,что экономически нецелесообразно. Предлагаемая шихта для получения порошков кубического нитрида бора иллюстрируется следующими примерами. Пример 1 Производится взвешивание порошков гексагонального нитрида бора в количестве 89,7 мас. , нитрида лития в количестве 10,0 мас.и нитрида алюминия в количестве 0,3 мас. . Смесь порошков тщательно перемешивают в смесителе типа пьяная бочка,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 4,0 ГПа, затем производят нагрев до 1400 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 80 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 89 мас.гексагонального нитрида бора, 10 мас.нитрида лития, 1 мас.нитрида алюминия. Контейнер с брикетом сжимают до давления 4,5 ГПа, затем производят нагрев до 1450 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 85 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 87,5 мас.гексагонального нитрида бора, 10 мас.нитрида лития, 2,5 мас.нитрида алюминия. Контейнер с брикетом сжимают до давления 5,0 ГПа, затем производят нагрев до 1550 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 90 мас. , размер частиц колеблется в диапазоне от 1 до 5 мкм. 12835 1 2010.02.28 Для сопоставления выходных данных по заявляемому изобретению и прототипу были изготовлены образцы по способу-прототипу. Данные сравнительных испытаний сведены в таблицу. Выход Зернистость микромикропопорошков рошков КНБ,КНБ, мкм 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 1.4810479, 1989. 2.2051085 С 1, 1995. 3. РБ 11017 С 1, 2008. 4.2226474, 1974. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4