Шихта для получения поликристаллического композиционного сверхтвердого материала

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ШИХТА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КОМПОЗИЦИОННОГО СВЕРХТВЕРДОГО МАТЕРИАЛА(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Авторы Ракицкая Людмила Иосифовна Аниченко Николай Георгиевич(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Шихта для получения поликристаллического композиционного сверхтвердого материала, включающая алмаз, кубический нитрид бора и металл, выбранный из группы,включающей алюминий, хром и марганец, отличающаяся тем, что дополнительно содержит графит и/или графитоподобный нитрид бора при следующем соотношении компонентов, мас.алмаз 5-90 кубический нитрид бора 5-90 металл 1-10 графит и/или графитоподобный нитрид бора 2-40. Изобретение относится к области получения поликристаллических композиционных сверхтвердых материалов (ПКСТМ) и может быть использовано при изготовлении поликристаллов с повышенной стойкостью к абразивному износу. Известна шихта 1, состоящая из графитоподобного нитрида бора (ГНБ) и наполнителя. Недостатком ее является сравнительно низкая абразивная стойкость. Известна шихта 2, состоящая из графита и металла-катализатора. Недостатком ее является сравнительно низкая термостойкость. Известна шихта 3, состоящая из плотных модификаций нитрида бора или алмаза и связующего. Недостатком ее является сравнительно низкая абразивная стойкость и прочность. Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является шихта, содержащая следующие компоненты в мас.алмаз - 10-90 КНБ - 10-90 металл 14073 1 2011.02.28 4-20. В качестве металла используют кремний, железо, никель, кобальт, хром, марганец,медь, титан, цирконий, алюминий 4. Недостатком материала из данной шихты является относительно низкие абразивная стойкость и прочность. Задачей настоящего изобретения является повышение прочности, термической и абразивной стойкости материала. Поставленная задача достигается тем, что шихта для получения поликристаллического композиционного сверхтвердого материала, включающая алмаз, кубический нитрид бора и металл, выбранный из группы, включающей алюминий, хром и марганец, дополнительно содержит графит и/или графитоподобный нитрид бора при следующем соотношении компонентов, мас.алмаз - 5-90, кубический нитрид бора - 5-90, металл - 1-10,графит и/или графитоподобный нитрид бора - 2-40. Введение в исходную шихту графита и/или ГНБ позволяет получать поликристаллы, в которых отдельные частицы сверхтвердого материала непосредственно связаны между собой, образуя жесткий каркас из сросшихся между собой зерен алмаза и КНБ со связью алмаз-алмаз, алмаз-КНБ, КНБ-КНБ. Каркас из сросшихся зерен СТМ несет ответственность за прочность и износостойкость поликристалла, обеспечивая их высокие значения. Образование жесткого каркаса из зерен КНБ и алмаза при использовании предлагаемой шихты осуществляется следующим образом. При прессовании исходных заготовок графит и/или ГНБ заполняют пространство между зернами КНБ и алмаза. В процессе нагрева заготовки под высоким давлением нитрид бора взаимодействует с металлом из группы , , . Взаимодействие состоит из следующих стадий 1. Взаимодействие нитрида бора и металла с образованием нитрида металла и свободного бора (-ат.). 2. Взаимодействие свободного бора с избыточным металлом дающее соответствующий борид металла (МеВат) 5. Бор также взаимодействует с углеродом с образованием карбида бора. Образующийся в процессе взаимодействия нитрид металла инициирует превращение ГНБ в КНБ, а свободный бор и карбид бора инициируют превращение графита в алмаз. Образующиеся в межзеренном пространстве алмаз и кубический нитрид бора связывают отдельные зерна между собой, образуя жесткий каркас,пустоты в котором заполнены продуктами взаимодействия - , , 4. При отклонении от указанных в формуле соотношений компонент шихты поставленная задача не достигается. При содержании в шихте графита и/или ГНБ менее 2 мас.снижается прочность поликристаллов ввиду того, что этого количества недостаточно для заполнения межзеренного пространства и образования непосредственных связей между зернами алмаза и КНБ. При содержании в шихте графита и/или графитоподобного нитрида бора более 40 мас.также снижается прочность поликристаллов, поскольку в результате фазового превращения гексагональных модификаций в плотные, которое идет с уменьшением объема, давление в реакционном объеме снижается, ввиду чего возможно неполное превращение графита в алмаз и ГНБ в КНБ. Ниже приведены примеры получения поликристаллов из предлагаемой шихты. Пример. Исходная шихта представляла собой гомогенную смесь алмаза, КНБ, ГНБ,графита и порошка алюминия при следующем содержании компонентов, мас.алмаз - 40,КНБ - 30, ГНБ - 15, графит - 10, алюминий - 5. В качестве исходных компонентов использовались порошки гексагонального нитрида бора со средней зернистостью 5 мкм, кубического нитрида бора зернистостью 1-5 мкм, графита спектральной чистоты зернистостью 1-5 мкм,алмаза зернистостью 1-10 мкм, порошок алюминия зернистостью 5-10 мкм. Для получения гомогенной смеси компоненты шихты перемешивались в яшмовой ступке в этиловом спирте до полного испарения спирта. Из шихты прессовали исходные заготовки, которые затем подвергали воздействию давления 8,0 ГПа и температуры 2500 К в течение 20 с на прессовой установке ДО 137 А усилием 500 т.с., в устройствах высокого давления типа 14073 1 2011.02.28 наковальня с лункой в контейнере, спрессованном из шихты на основе литографского камня, после чего нагрев отключали и снижали давление до атмосферного. Были синтезированы поликристаллы в виде диска диаметром 8 мм и высотой 3 мм и в виде цилиндра диаметром 4 мм и высотой 4,5 мм. Для определения предела прочности на сжатие поликристаллов они шлифовались по боковой поверхности до соотношения высоты к диаметру, равному 1,5, и с торцов - для обеспечения параллельности опорных поверхностей. Испытания проводились методом одноосного сжатия при комнатной температуре на прессе с плоскопараллельными плитами. Предел прочности на сжатие вычислялся как отношение нагрузки, разрушающей поликристалл (кг), к исходной площади контактной поверхности (мм 2). Предел прочности на сжатие у полученных поликристаллов равен 3,5 ГПа. Были проведены испытания абразивной стойкости поликристаллов при обтачивании абразивного круга из карбида кремния (зеленого) марки К 363 С 12 МСМ 2 К 10, имеющего диаметр 250 мм и ширину 25 мм. Режимы испытания. Поликристаллы закреплялись в державке под углом 10-20, подача 0,1 мм/об., глубина снимаемого слоя 0,1 мм,линейная скорость в зоне съема 6,2-6,6 м/с. Стойкость к абразивному износу определялась по величине радиального износа ПКСТМ на километр пути обтачивания, которая составила 0,009 мм/км. Был проведен рентгеновский качественный анализ ПКСТМ, который установил наличие КНБ, алмаза, , 4, . Результаты испытаний физико-механических свойств ПКСТМ, полученных по известному и заявляемому способу сведены в таблицу. Использование заявляемого способа по сравнению с известным обеспечивает следующие технико-экономические преимущества 1. Увеличение абразивной стойкости в 10 раз. 2. Увеличение прочности к одноосному сжатию в 1,7 раза. 3. Увеличение термостойкости в 1,3 раза. Состав шихты, мас.п/п 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 прототип алмаз КНБ графит ГНБ Свойства ПКСТМ термостой абразивная прочность на стойстойкость,сжатие, ГПа кость, К мм/км 1300 3,5 0,009 1200 2,5 0,05 1150 2,7 0,03 1000 1,6 0,15 900 1,75 0,10 1100 2,5 0,04 950 1,8 0,20 1100 2,3 0,03 1200 2,6 0,06 1100 2,0 0,05 1000 1,7 0,10 1000 1,5 0,13 1100 2,9 0,01 1200 3,3 0,015 1300 3,5 0,01 1000 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4