Способ синтеза поликристаллического сверхтвердого материала на основе кубического нитрида бора

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ СИНТЕЗА ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СВЕРХТВЕРДОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Сенють Владимир Тадеушевич Кучинский Владимир Михайлович Валькович Игорь Владимирович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси(56)603299, 1979. ВИТЯЗЬ П.А. и др. Процеси механчно обробки в машинобудуванн. - 2011. Вип. 10. - С. 88-98.92007535 , 1995.1390995 1, 1986.92/17618.07291734 , 1995.10582 2, 2008.2026810 1, 1995.2059025 1, 1996.2066294 1, 1996.(57) Способ синтеза поликристаллического сверхтвердого материала на основе кубического нитрида бора, при котором смешивают порошок гексагонального нитрида бора с 0,510 мас.порошка алюминия, осуществляют отжиг смеси в парах галогенидов алюминия при температуре 600-1000 С в течение 0,5-3,0 ч, прессуют заготовку и спекают ее при давлении 4,0-6,5 ГПа при 1700-2300 С в течение 15-60 с. Изобретение относится к технологии синтеза в условиях высоких давлений и температур поликристаллического сверхтвердого материала (ПСТМ) на основе кубического нитрида бора (КНБ) из графитоподобной модификации(ГНБ) с относительно небольшим содержанием добавок. Полученные поликристаллы могут быть использованы в качестве инструментального материала для тонкого и чистового точения и фрезерования без ударов деталей из закаленных сталей твердостью 5570 э, высокопрочных чугунов и твердых сплавов ВК 15, ВК 20 и ВК 25, труднообрабатываемых напыленных и наплавленных покрытий, а также для изготовления абразивного порошка. Одним из методов синтеза поликристаллов на основе КНБ является способ синтеза из гексагональной модификациив условиях высоких давлений и температур без участия катализатора (т.н. метод прямого превращения). Формирование поликристаллов в данном случае происходит при давлениях не менее 7 ГПа и температурах не ниже 2300 С 1. К основному недостатку данного способа получения ПСТМ на основе КНБ можно отнести использование сверхвысоких давлений и температур, что приводит к быстрому раз 18274 1 2014.06.30 рушению твердосплавных центральных вставок аппаратов высокого давления (АВД). Другой недостаток способа - чувствительность к снижению рабочего давления в камере АВД в ходе его эксплуатации, что приводит к ухудшению физико-механических характеристик синтезируемого материала и прекращению фазового превращения при давлениях ниже 7 ГПа. Кроме того, в полученном по данному способу материале размер зерен КНБ превышает 1 мкм, что обуславливает его достаточно высокую хрупкость. Известен способ прямого синтеза поликристаллов КНБ из пиролитического 2. Синтез материала по данному способу осуществляется при давлениях 7-9 ГПа, при этом для формирования однородной структуры образца необходимо использовать достаточно сложный режим нагрева реакционной ячейки. Известен также способ получения ПСТМ на основе вюрцитного нитрида бора (ВНБ) под маркой Гексанит. По данному способу получают поликристаллы, состоящие из нитрида бора вюрцитной и кубической модификаций, причем последняя образуется в результате фазового перехода под давлением из ВНБ, который служит в качестве связующего. Размер частиц КНБ в поликристаллах данной марки составляет от долей до нескольких микрометров, содержание вюрцитного нитрида бора в материале находится в пределах 2040 мас. . Однако для получения ПСТМ по данному способу необходимы давления, превышающие 7,7 ГПа и температуры свыше 2300 С, что приводит к быстрому выходу из строя АВД и определяет достаточно высокую стоимость данного материала и изделий на его основе. Кроме того, наличие в материале относительно большого количества ВНБ снижает твердость поликристаллов 3. Известен способ получения поликристаллов на основе КНБ, известных под маркой Эльбор, синтез которых осуществляется путем воздействия высоких давлений и температур на гексагональный (графитоподобный)в присутствии добавок, оказывающих каталитическое воздействие на процесс фазового превращения в кубическую модификацию 4. В качестве катализатора по данному способу используютили его соединения - бориды или нитриды. Недостатки способа применение сверхвысоких давлений (8 ГПа и выше), присутствие в поликристаллах достаточно крупных включений магния и его соединений, склонность материала к растрескиванию. Ближайшим аналогом предлагаемого способа синтеза поликристаллов на основе кубическогоявляется способ, предложенный в 5. В соответствии с указанным способом порошок гексагонального или вюрцитногоподвергают обработке в АВД в условиях высоких давлений и температур, причем для снижения параметров синтеза, увеличения скорости фазового превращения, повышения качества поликристаллов КНБ в исходную шихту вводят порошкообразный алюминий в количестве 1-20 мас. , после чего шихту перемешивают в вибромельнице, шаровой мельнице либо других специальных устройствах для равномерного распределения компонентов по объему. Затем из шихты прессуют заготовки под давлением 0,01-1 ГПа, которые затем помещают в АВД и подвергают одновременной обработке в условиях высоких давлений (5-9 ГПа) и температур (1500-2800 С) в течение 1-10 мин. В результате получают поликристаллический сверхтвердый материал на основе кубического нитрида бора,пригодный для лезвийной обработки закаленных сталей. Однако указанный способ синтеза поликристаллов имеет ряд недостатков. Несмотря на то, что алюминий по отношению к нитриду бора является каталитически активным металлом, что позволяет снизить давление превращения гексагональногов кубическую модификацию, реализация процесса получения инструментального материала и в данном случае практически осуществляется только при давлениях не ниже 7 ГПа. При малых количествах вводимой добавки алюминия необходимо длительное перемешивание шихты,но и в этом случае наблюдается неравномерное распределение частиц алюминия, что также снижает механические и эксплуатационные характеристики спеченного материала. Размеры частиц КНБ в поликристаллах превышают 1 мкм, что обусловливает хрупкость поликристаллов и ограничивает область их применения. 2 18274 1 2014.06.30 Задачей настоящего изобретения является создание способа получения поликристаллов на основе КНБ, позволяющего снизить себестоимость процесса изготовления поликристаллов, повысить качество и режущие свойства инструмента на их основе. Техническим результатом изобретения является снижение давления фазового превращения в кубическую модификацию , повышение дисперсности зерен КНБ, равномерное распределение частиц тугоплавких соединений по объему материала, снижение их размеров. Указанная задача решается в способе синтеза поликристаллического сверхтвердого материала на основе КНБ, при котором смешивают порошок гексагонального нитрида бора с 0,5-10 мас.порошка алюминия, осуществляют отжиг смеси в парах галогенидов алюминия при температуре 600-1000 С в течение 0,5-3,0 ч, прессуют заготовку и спекают ее при давлении 4,0-6,5 ГПа при 1700-2300 С в течение 15-60 с. Активность алюминия как катализатора значительно усиливается при уменьшении размеров его частиц. В результате высокотемпературного отжига гексагональногов парах галогенов алюминия (летучих метастабильных соединений алюминия) происходит осаждение алюминия на поверхности частиц ГНБ в виде кластеров и/или наноструктурных слоев с частичным растворением алюминия в нитриде бора. Кроме того, вследствие химических реакцийсна поверхности частиц ГНБ образуются наноразмерные борид 2 и нитрид алюминия . Последний также способствует фазовому превращению гексагональногов кубический. Алюминий в процессе высокотемпературного отжига частично переходит в наноструктурный оксид алюминия переменного состава, который дополнительно способствует дисперсному упрочнению и измельчению структуры синтезируемых поликристаллов. Кроме того, в процессе отжига в защитной (восстановительной) атмосфере осуществляется дополнительная активация гексагонального , повышается дефектность его структуры, происходит возбуждение валентных электронов . Это приводит к увеличению скорости превращения и снижению технологических параметров синтеза кубической модификации . Одновременно при высокотемпературном отжиге в атмосфере происходит рафинирование (очистка) поверхности частиц гексагонального , модифицирование ее азотом. Это позволяет улучшить стехиометрию КНБ, уменьшить обеднение его азотом,что повышает качество получаемого материала. При температуре отжига ниже 600 С и (или) при времени отжига менее 0,5 ч не достигается снижения давления при спекании в условиях высоких давлений и температур. Более высокая чем 1000 С температура отжига и (или) время изотермической выдержки более 3 ч не приводят к заметному улучшению качества спеченных поликристаллов КНБ. Введение алюминия в количестве менее 0,5 мас.недостаточно для полного превращения гексагональногов кубический при давлениях и температурах, указанных выше. При использовании более 10 мас.алюминия снижаются механические и эксплуатационные характеристики материала. При давлениях спекания менее 4,0 ГПа в поликристаллах остается значительное (более 15 ) количество ГНБ, а при давлениях свыше 6,5 ГПа возрастает себестоимость изготовления материала при незначительном улучшении его характеристик. Спекание при температуре ниже 1700 С приводит к увеличению времени спекания, что также удорожает производство материала, а нагрев до температур более 2300 С в указанном диапазоне давлений вызывает обратное превращение кубическогов гексагональный. Длительность нагрева при спекании менее 15 с недостаточна для спекания материала, а выдержка более 60 с приводит к росту себестоимости изготовления материала и снижению его режущих свойств. Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами. Пример 1. 50 г порошка ГНБ перемешивают в смесителе с 5 г алюминиевой пудры в течение 30 мин до получения однородной смеси, затем шихту помещают в герметичный контей 3 18274 1 2014.06.30 нер и нагревают до температуры 700 С в атмосфере паров галогенов алюминия (например, хлорида алюминия, который образуется при нагреве алюминиевой пудры с хлоридом аммония) в течение 3 ч. После чего в стальной пресс-форме при давлении прессования 0,1 ГПа изготовляют из полученной шихты прессовки, которые помещают в аппарат высокого давления и затем спекают при давлении 5,0 ГПа и температуре 2200 С в течение 30 с. Полученные заготовки с размером частиц менее 1 мкм, заправленные в резец, использовали для резания стали ХГВ с твердостью 62 Сэ при следующих режимах скорость резания - 155 м/мин, продольная подача - 0,06-0,075 мм/об., глубина резания - 0,2 мм, время точения - 1 мин. В данных условиях резания износ резца по задней поверхности составил 0,08 мм при шероховатости обработанной поверхности, достижимой при использовании композитов Белбор или Гексанит. Пример 2. По примеру 1 порошок ГНБ перемешивают с алюминиевой пудрой в смесителе, затем отжигают в атмосфере паров галогенов алюминия при температуре 1000 С в течение 0,5 ч. После чего в стальной пресс-форме при давлении 1 ГПа из шихты изготовляют прессовки, которые помещают в аппарат высокого давления и затем спекают при давлении 6,5 ГПа и температуре 2300 С в течение 60 с. Полученные заготовки заправляют в резец и испытывают при таких же режимах резания стали ХГВ с твердостью 62 Сэ. При этом износ по задней поверхности резца составил 0,04 мм, а шероховатость обработанной поверхностиоказалась равной 0,3 мкм, что лучше, чем при использовании резцов из композитов Композит-05 и Эльбор. Основными преимуществами применения заявляемого способа получения поликристаллического сверхтвердого материала на основе КНБ являются следующие 1) используются недорогие исходные компоненты и снижаются параметры спекания под давлением, что удешевляет производство сверхтвердого материала 2) материал обладает высокодисперсной зеренной структурой (размеры зерен КНБ и связки находятся в нано- и субмикродиапазоне зернистостей), что снижает вероятность образования дефектов (трещин, сколов) как при спекании материала, так и при изготовлении и эксплуатации инструмента на его основе 3) повышается качество лезвийной обработки инструментом,оснащенным разработанным материалом. Источники информации 1. Бритун В.Ф., Олейник Г.С., Пилянкевич А.Н., Джамаров С.С. Структурообразование сверхтвердых материалов, получаемых в условиях прямого превращения графитоподобногов сфалеритный / Обработка материалов при высоких давлениях. - Киев ИПМ,1987. - С. 4-10. 2. Мазуренко А.М., Ракицкий Э.Б., Ракицкая Л.И., Занкевич В.А., Добрянский В.М.,Серафимович А.И. Особенности образования КНБ из пиролитического нитрида бора и его свойства. Техника и технологии высоких давлений Сб. научн. докладов - Минск Ураджай. - 1990. - С. 189-196. 3. Курдюмов А.В., Олейник Г.С., Песин В.А., Пилянкевич А.Н. Формирование текстуры поликристаллов в процессе горячего прессования вюрцитного нитрида бора при высоких давлениях // Порошковая металлургия. - 1986. -4. - С.96-100. 4. Синтетические сверхтвердые материалы В 3-х т. Т. 1. Синтез сверхтвердых материалов / Редкол. Н.В.Новиков (отв. ред.) и др. - Киев Наукова думка, 1986. - С. 175. 5. А.с. СССР 603299, 1979 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4