Способ получения сверхтвердых поликристаллов на основе нитрида бора плотных модификаций

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СВЕРХТВЕРДЫХ ПОЛИКРИСТАЛЛОВ НА ОСНОВЕ НИТРИДА БОРА ПЛОТНЫХ МОДИФИКАЦИЙ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Сенють Владимир Тадеушевич Валькович Игорь Владимирович Ковалева Светлана Анатольевна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси(57) Способ получения поликристаллического сверхтвердого материала на основе нитрида бора плотных модификаций, при котором смешивают порошок вюрцитного нитрида бора и порошок кубического нитрида бора, размер зерен которого составляет 1-40 мкм, добавляют в смесь порошок алюминия в количестве 1-10 от массы смеси порошков кубического и вюрцитного нитрида бора, осуществляют отжиг полученной шихты в восстановительной атмосфере при температуре 750-1000 С в течение 1-3 ч, прессуют из шихты заготовку и спекают прессованную заготовку при давлении 4,5-6,5 ГПа и температуре 1900-2300 С в течение 30-60 с. Изобретение относится к технологии получения в условиях высоких давлений и температур поликристаллов на основе кубического нитрида бора (КНБ) из смеси порошков КНБ и вюрцитного(ВНБ). Полученные поликристаллы могут быть использованы в качестве инструментального материала для лезвийной обработки деталей из закаленных сталей, высокопрочных чугунов, жаропрочных никельсодержащих твердых сплавов, напыленных и наплавленных покрытий. Одним из методов получения поликристаллических сверхтвердых материалов (ПСТМ) на основе КНБ является способ синтеза из гексагональной модификации нитрида бора в условиях высоких давлений и температур без участия катализатора или с его добавлением. Таким способом получают поликристаллы, известные под марками Белбор и Эльбор. Для осуществления фазового перехода в нитриде бора с образованием КНБ и его спекания применяют давления 8-10 ГПа и температуры 2300-2500 С 1. К недостаткам данного материала можно отнести его хрупкость, что не позволяет осуществлять обработку изделий в условиях прерывистого резания, недостаточно высокий выход годного продукта и высокую себестоимость изготовления поликристаллов вследствие необходимости использования сверхвысоких давлений, что приводит к быстрому разрушению аппаратов высокого давления (АВД). 18630 1 2014.10.30 Известен способ получения ПСТМ на основе ВНБ и КНБ, известный под маркой ПТНБ, которые получают спеканием при высоких давлениях и температурах смесей порошков ВНБ и КНБ, причем содержание ВНБ может варьироваться в пределах от 20 до 80 мас. . Материал обладает высокой прочностью, но при этом характеризуется большей неоднородностью зеренной структуры по сравнению с другими марками поликристаллов 2. Известен способ синтеза поликристаллов на основе КНБ из ВНБ. По данному способу получают поликристаллы, известные под маркой Гексанит, они состоят из нитрида бора вюрцитной и кубической модификаций, причем последняя образуется в результате фазового перехода под давлением из ВНБ, который служит также в качестве связующего 3. Недостаток способа заключается в его трудоемкости и высокой себестоимости получаемого материала. Известны способы изготовления в условиях высоких давлений и температур ПСТМ,известных под марками Киборит и , получаемых путем спекания частиц КНБ размером 3-20 мкм с использованием в качестве связующего алюминия 4 либо нитридов тугоплавких соединенийи 5. Данные поликристаллические материалы получают при давлениях 5-6 ГПа и температурах менее 2000 С, что, с одной стороны, увеличивает срок службы АВД, с другой стороны, позволяет получать заготовки больших линейных размеров. При этом повышается ударная вязкость таких ПСТМ, но одновременно снижается их твердость из-за более низкой твердости связующего. Ближайшим аналогом предлагаемого способа получения поликристаллов на основе кубическогоявляется способ, предложенный в 6. В соответствии с указанным способом, спрессованную смесь вюрцитного и кубического нитрида бора (массовое соотношение ВНБКНБ(65-35)(35-65), размер зерна КНБ 3-40 мкм, помещают в АВД типа тороид и подвергают воздействию давления 6,512,5 ГПа и температуры 1650-2500 С, что соответствует области термодинамической стабильности КНБ, в течение 1-5 мин. По окончании выдержки температуру снижают до комнатной, а давление - до атмосферного одновременно со скоростью 200-250 С на 1 ГПа. Указанный способ имеет ряд недостатков, связанных с необходимостью использования достаточно высокого давления 6,5-12,5 ГПа и длительной изотермической выдержки спекания в течение 1-5 мин. Кроме того, для предотвращения растрескивания материала после спекания требуется снижать температуру со скоростью 200-250 С на 1 ГПа давления,что усложняет практическую реализацию способа. Задачей настоящего изобретения является создание способа получения сверхтвердых поликристаллов на основе нитрида бора плотных модификаций, позволяющего снизить себестоимость процесса изготовления сверхтвердого материала, повысить качество и режущие свойства инструмента на их основе. Техническим результатом изобретения является снижение давления и температуры фазового превращения вюрцитногов кубическую модификацию, уменьшение времени спекания материала, снижение дефектности материала, повышение выхода годного продукта. Указанная задача решается в способе получения поликристаллического сверхтвердого материала (сверхтвердых поликристаллов) на основе нитрида бора плотных модификаций,при котором смешивают порошок ВНБ и порошок КНБ, размер зерен которого составляет 1-40 мкм, добавляют в смесь порошок алюминия в количестве 1-10 от массы смеси порошков КНБ и ВНБ, осуществляют отжиг полученной шихты в восстановительной атмосфере при температуре 750-1000 С в течение 1-3 ч, прессуют из шихты заготовку и спекают прессованную заготовку при давлении 4,5-6,5 ГПа и температуре 1900-2300 С в течение 30-60 с. В результате высокотемпературного отжига в восстановительной атмосфере смеси порошков алюминия, ВНБ и КНБ происходит осаждение алюминия на поверхность частиц шихты на основе плотных модификаций . В результате воздействия высокой тем 2 18630 1 2014.10.30 пературы алюминий частично расходуется на образование наноразмерных борида 2 и нитрида алюминия , способствующих интенсификации процесса спекания, а также дисперсному упрочнению и измельчению структуры сверхтвердых поликристаллов. Кроме того, алюминий, находящийся на поверхности частиц ВНБ в виде кластеров и/или тонких пленок, способствует фазовому превращению ВНБ в КНБ при более низких давлениях с сохранением наноструктуры исходного ВНБ. Режимы спекания, размеры зерен КНБ и количество добавки алюминия обусловлены следующим. При температуре отжига ниже 750 С и (или) при времени отжига менее 1 ч не происходит полное фазовое превращение ВНБ в КНБ при данных условиях спекания. Температура отжига выше 1000 С и время изотермической выдержки более 3 ч не приводят к улучшению качества спеченных сверхтвердых поликристаллов КНБ. Добавка алюминия в количестве менее 1 мас.недостаточна для образования достаточного количества наноразмерных соединений алюминия. При использовании более 10 мас.алюминия снижаются механические и эксплуатационные характеристики материала. При использовании в шихте зерен КНБ размером менее 1 мкм возрастает пористость материала, а применение порошка с размером зерна выше 40 мкм вызывает его охрупчивание. При давлениях спекания менее 4,5 ГПа качество материала недостаточно для его использования в лезвийном инструменте, а при давлениях свыше 6,5 ГПа возрастает себестоимость изготовления материала при незначительном улучшении его характеристик. Спекание при температуре ниже 1900 С приводит к увеличению времени спекания, что также удорожает производство материала, а нагрев до температур более 2300 С в указанном диапазоне давлений вызывает обратный переход плотных модификацийв ГНБ. Длительность нагрева менее 30 с недостаточна для спекания материала, а нагрев более 60 с приводит к ухудшению его режущих свойств из-за рекристаллизации наноструктурного КНБ. Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами. Пример 1. 30 г смеси порошков КНБ зернистостью 20-40 мкм и ВНБ, взятых в соотношении 11,перемешивают в смесителе с 3 г алюминиевой пудры в течение 30 мин до получения однородной смеси, затем шихту помещают в герметичный контейнер и нагревают до температуры 750 С в атмосфере аммиака в течение 3 ч. После чего из полученной шихты в стальной пресс-форме при давлении прессования 0,1 ГПа изготовляют прессовки, которые помещают в аппарат высокого давления и затем спекают при давлении 5,5 ГПа и температуре 2200 С в течение 35 с. Полученные заготовки, заправленные в резец, использовали для резания стали 35 ХГСА с твердостью 62 э при следующих режимах скорость резания - 160 м/мин, продольная подача - 0,07-0,075 мм/об., глубина резания - 0,2 мм, время точения - 1 мин. В данных условиях резания износ резца по задней поверхности составил 0,07 мм при шероховатости обработанной поверхности, достижимой при использовании композита К-05. Пример 2. По примеру 1 смесь порошков КНБ зернистостью 1-3 мкм и ВНБ, взятых в соотношении 4060 мас. , перемешивают с алюминиевой пудрой в смесителе, затем отжигают в атмосфере аммиака при температуре 1000 С в течение 2 ч. После чего в стальной прессформе при давлении 0,8 ГПа из шихты изготовляют прессовки, которые помещают в аппарат высокого давления и затем спекают при давлении 6,0 ГПа и температуре 2000 С в течение 50 с. Полученные заготовки заправляют в резец и испытывают при таких же режимах резания стали 35 ХГСА с твердостью 62 э. При этом износ по задней поверхности резца составил 0,05 мм, а шероховатость обработанной поверхностиоказалась равной 0,45 мкм, что достигается на данной операции при использовании резцов из композитов К-07 и Киборит. 3 18630 1 2014.10.30 Основными преимуществами применения заявляемого способа получения поликристаллического сверхтвердого материала на основе КНБ являются следующие 1) снижаются параметры спекания под давлением, что удешевляет производство сверхтвердого материала 2) материал состоит из зерен КНБ микронного диапазона и наноструктурных зерен КНБ, образованных из ВНБ, что снижает вероятность образования трещин как при получении материала, так и при его пайке и эксплуатации инструмента на его основе 3) расширяется диапазон зернистостей порошков КНБ, используемых для изготовления материала. Источники информации 1. 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. 2. Витязь П.А., Грицук В.Д., Сенють В.Т. Синтез и применение сверхтвердых материалов. - Минск Белорусская наука, 2005. - 359 С. 3. Курдюмов А.В., Пилянкевич А.Н. Фазовые превращения в углероде и нитриде бора. Киев Наук. думка, 1979. - 188 с. 4. Шульженко А.А., Клименко С.А. Поликристаллические сверхтвердые материалы в режущем инструменте. Ч. 1. нструментальний свт. - 1999. -4-5. - С. 14-16. 5. Получение, свойства и применение порошков алмаза и кубического нитрида бора / Под. ред. П.А. Витязя. - Минск Беларуская навука, 2003. - 335 с. 6. Патент РФ 2157335, 2000 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4