Композиционный материал на основе кубического нитрида бора

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА(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) Композиционный материал на основе кубического нитрида бора, включающий нитрид титана, нитрид алюминия и кубический нитрид бора, отличающийся тем, что дополнительно содержит ультрадисперсные алмазы при следующем соотношении компонентов, мас.нитрид титана 20-35 нитрид алюминия 5-15 кубический нитрид бора 40-74 ультрадисперсные алмазы 1-10. Изобретение относится к производству сверхтвердых материалов при высоких давлениях и температурах и предназначено для инструментального производства для оснащения лезвийных инструментов, которые работают в условиях непрерывного и прерывистого резания закаленных сталей, чугунов, твердых сплавов и других труднообрабатываемых материалов. Известен композиционный материал, получаемый из смеси 95-85 мас.порошка кубического нитрида бора с размерами частиц менее 10 мкм, 5-15 мас.металлической добавки в виде смеси в соотношении от 2,31 до 1,81 порошка алюминия и магния с размерами частиц менее 40 мкм воздействием давления в пределах от 6 до 8 ГПа и температуры от 1500 до 1700 С в течение времени от 30 до 90 с, затем температуры от 900 до 1000 С с выдержкой в течение от 30 до 90 с 1. Недостатком композиционного материала являются невысокие пластические свойства, приводящие к снижению эксплуатационных показателей. В качестве прототипа выбран композиционный материал 2, включающий компоненты, взятые в соотношениях, выраженных в мас.нитрид титана - 20-35, нитрид алюминия - 5-15, алюминия - 1-10, кубический нитрид бора - 40-74. 14921 1 2011.10.30 Недостатком данного композиционного материала является недостаточное соотношение пластичности и хрупкости связующего материала, связанное с использованием в качестве компонентов связующего чужеродных кубическому нитриду бора материалов с отличающимися от него различными коэффициентами термического расширения. Это приводит к недостаточной эксплуатационной стойкости режущего инструмента. Задачей настоящего изобретения является улучшение свойств связующей составляющей композиционного материала на основе кубического нитрида бора. Поставленная задача достигается тем, что в композиционный материал на основе кубического нитрида бора, включающий нитрид титана, нитрид алюминия и кубический нитрид бора, дополнительно вводятся ультрадисперсные алмазы при следующем соотношении компонентов, мас.нитрид титана 20-35 нитрид алюминия 5-15 кубический нитрид бора 40-74 ультрадисперсные алмазы 1-10. Улучшение свойств композиционного материала в значительной степени достигается благодаря тому, что в состав связки для микропорошков кубического нитрида бора кроме нитрида титана, нитрида алюминия входит ультрадисперсный алмаз с размерами частиц порядка 4 нм. Ультрадисперсные алмазы приводят к получению тончайших цементирующих зерна кубического нитрида бора прослоек и получению более плотной структуры композиционного материала. Нет необходимости в трудоемкой операции нанесения покрытий из борида или нитрида титана на порошки кубического нитрида бора. Величина пористости композиционного материала в основном не превосходит 0,2-0,3 . Заготовки обладают более высокими коэффициентом трещиностойкости (14-17 МПам 1/2) и твердостью (38-42 ГПа по Кнуппу). Стойкость резцов при обработке стали ХВТ 62 при скорости точения 80100 м/мин, продольной подаче 0,1 мм/об, глубине точения 0,5 мм составила 80-90 мин. Сверхтвердый композиционный материал на основе кубического нитрида бора характеризуется следующими примерами. Пример 1. Спрессованную при давлении 2,1 кгс/см 2 заготовку в виде таблетки, состоящую из смеси порошков нитрида титана (20 мас. ), нитрида алюминия (5 мас. ), ультрадисперсного алмаза (1 мас. ) с размерами частиц 4-6 нм и микропорошка кубического нитрида бора с размерами частиц 1-5 мкм в качестве основной фракции, тщательно смешанных в спирте в течение 2 ч, помещают внутрь трубчатого графитового нагревателя, предварительно размещенного в контейнере высокого давления, с торцов которого устанавливают заглушки, спрессованные из смеси графита и гексагонального нитрида бора. Контейнер помещают в камеру высокого давления, в которой сжимают шихту при давлении 4,5 ГПа,затем проводят термообработку при температуре 700 С в течение 5 с, затем при 1300 С в течение 10 с и, наконец, при 1700 С в течение 15 с. Нагрев отключают, выдерживают таблетку под давлением в течение 10 с, после чего давление снижают до атмосферного. Величина пористости материала - 0,3 . Коэффициент трещиностойкости - 14 МПам 1/2 твердость - 38 ГПа по Кнуппу. Из полученной заготовки готовят пластину 120408, которую испытывают на режущую способность при обработке стали марки 9 твердостью 62-66 при непрерывном точении при скорости резания 100 м/мин, подаче 0,1 мм/об, глубине резания 0,2 мм. При точении в течение 30 мин износ составляет 0,08. Пример 2. Выполняют те же операции, что и в примере 1, только используют таблетку, состоящую из смеси порошков нитрида титана (30 мас. ), нитрида алюминия (10 мас. ), ультрадисперсного алмаза (2 мас. ) и микропорошка кубического нитрида бора с размерами 2 14921 1 2011.10.30 частиц 1-5 мкм. Давление обработки составляет 5 ГПа, а спекание производят вначале при температуре 800 С в течение 10 с, затем при 1400 С в течение 20 с и, наконец, при 1800 С в течение 20 с. Затем нагрев отключают, выдерживают под давлением в течение 10 с, после чего давление снижают до атмосферного. Величина пористости материала - 0,2 . Коэффициент трещиностойкости - 16 МПам 1/2 твердость - 40 ГПа по Кнуппу. Из полученной заготовки готовят пластину 120408, которую испытывают на режущую способность при обработке стали марки 9 твердостью 62-66 при непрерывном точении при скорости резания 100 м/мин, подаче 0,1 мм/об, глубине резания 0,2 мм. При точении в течение 30 мин износ составил 0,07 мм. Пример 3. Выполняют те же операции, что и в примере 1, только используют таблетку, состоящий из смеси порошков нитрида титана (35 мас. ), нитрида алюминия (15 мас. ), ультрадисперсного алмаза (10 мас. ) и микропорошка кубического нитрида бора с размерами частиц 1-5 мкм. Давление составляет 5,5 ГПа, а спекание производят вначале при температуре 900 С в течение 10 с, затем при 1500 С в течение 20 с и при 1900 С в течение 60 с. Нагрев отключают, выдерживают таблетку под давлением в течение 10 с, после чего давление снижают до атмосферного. Величина пористости материала - 0,2 . Коэффициент трещиностойкости - 17 МПам 1/2 твердость - 42 ГПа по Кнуппу. Из полученной заготовки готовят пластину 120408, которую испытывают на режущую способность при обработке закаленной стали марки 9 твердостью 6266 при непрерывном точении при скорости резания 100 м/мин, подаче 0,1 мм/об, глубине резания 0,2 мм. При точении в течение 30 мин износ составил 0,07 мм. Преимуществом изготовления такого сверхтвердого композиционного материала при работе его в режущем инструменте при непрерывном и прерывистом точении является простота изготовления. Для сопоставления физико-механических свойств композиционных сверхтвердых материалов на основе кубического нитрида бора по данному изобретению и прототипу были изготовлены образцы по способу-прототипу. Данные сравнительных испытаний сведены в таблицу. Коэффици- Износ при ТемСостав ДавлеВремя Пори- Твердость ент трещиточении пераисходной пу, ГПа в течение мас.С 1/2 30 мин, мм МПам Известная шихта (прототип) 1 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4