Способ получения порошков кубического нитрида бора

(51)01 21/064 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКОВ КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт механики и надежности машин Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Витязь Петр Александрович Сенють Владимир Тадеушевич Гамеза Людмила Михайловна Стефанович Александр Александрович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт механики и надежности машин Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Способ получения порошка кубического нитрида бора, включающий загрузку порошка гексагонального нитрида бора и рабочих тел в камеру устройства, обеспечивающего создание рабочими телами высоких давлений и сдвиговых деформаций, и обработку порошка в этих условиях, отличающийся тем, что рабочие тела и порошок гексагонального нитрида бора загружают в массовом соотношении (10-50)1, а обработку осуществляют в течение 5-60 мин. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после загрузки порошка гексагонального нитрида бора и рабочих тел в камеру устройства дополнительно вводят 3-20 мас.ультрадисперсных порошков алмаза или кубического нитрида бора. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что порошок кубического нитрида бора дополнительно подвергают химической очистке от гексагонального нитрида бора. Изобретение относится к области синтеза сверхтвердых материалов, в частности к получению порошков кубического нитрида бора (КНБ). Получаемые порошки могут использоваться в качестве свободного абразива, для изготовления паст, в инструменте,предназначенном для обработки различных материалов (стали, чугуна, керамики, стекла). Одним из методов получения порошков КНБ является их синтез в условиях высоких статических давлений и температур в присутствии катализаторов из числа щелочных и щелочноземельных металлов и их нитридов, боридов, а также фторидов, гидридов и др. 1. Кристаллизация порошков КНБ с использованием высоких статических давлений и температур начинается при достижении в реакционном объеме пороговой температуры,составляющей в зависимости от используемого катализатора 1000-1700 С при давлении не ниже 4,0 ГПа. К недостаткам данного способа получения порошков КНБ можно отне 8324 1 2006.08.30 сти использование дорогостоящих прессов усилием 530 т.с. и более, необходимость применения специальной оснастки с наковальнями из твердого сплава ВК-6 и ВК-15, позволяющей генерировать высокие давления, использование экологически небезопасных катализаторов синтеза. К разновидностям этого метода можно отнести способ получения КНБ без использования катализаторов синтеза, суть которого заключается в использовании давлений и температур, при которых происходит прямой переход гексагонального нитрида бора (ГНБ) в кубический 2. Однако в этом случае резко повышаются давление (до 7 ГПа) и температура синтеза (до 1700-2300 С), что снижает срок службы оснастки, уменьшается также в 5-10 раз полезный объем камеры высокого давления. Получаемый продукт представляет собой поликристаллы на основе КНБ, которые необходимо механически диспергировать для получения порошка. Известен способ синтеза порошков КНБ методом взрыва (динамический синтез). Однако основным продуктом, получаемым с помощью данного метода, является вюртцитный нитрид бора (ВНБ), выход порошков КНБ составляет при использовании данного метода не более 53. Кроме того, для реализации данного способа также необходимы специализированные взрывные камеры, что повышает себестоимость порошка. Известен способ синтеза КНБ, осуществляемый с помощью сдвигового аппарата высокого давления с алмазными наковальнями, в котором процесс образования КНБ из ромбоэдрического нитрида бора проходит при комнатной температуре при наложении сдвиговой деформации 4. Однако в этом случае давление, которое необходимо приложить к образцу для реализации необратимого перехода, составляет 5,6 ГПа. Таким образом, известные способы получения порошков КНБ, применяемые в промышленном масштабе, требуют для своей реализации дорогостоящее оборудование и специальную оснастку. Другие методы получения КНБ находятся на стадии исследований и реализованы лишь в лабораторных условиях. Ближайшим аналогом предлагаемого способа получения порошков кубического нитрида бора является способ, предложенный в работе 5. По данному способу реакционная шихта на основе гексагонального нитрида бора обрабатывается в вибромельнице, а затем подвергается сжатию на прессовой установке в аппарате высокого давления до давления 7,7 ГПа. В этом случае достигается снижение температуры синтеза на 200 С при прочих равных условиях по сравнению с необработанной шихтой. Однако в данном способе в результате предварительной обработки не преодолевается активационный барьер образования сверхтвердых фаз, следствием чего является необходимость использования дополнительного воздействия на шихту высоких статических давлений и температур. Задачей изобретения является получение высокодефектной структуры в исходном порошке гексагонального нитрида бора путем реализации схемы напряженнодеформированного состояния высокое давлениесдвиг, что приводит к образованию зародышей сверхтвердой фазы нитрида бора в процессе механической обработки исходного графитоподобного нитрида бора. Результатом изобретения является упрощение технологии синтеза КНБ, снижение его себестоимости. Указанная задача решается в способе получения порошка КНБ, включающего загрузку исходного порошка графитоподобного нитрида бора и рабочих тел в рабочую камеру устройства для механической активации и последующую обработку в условиях высоких давлений и сдвиговых деформаций, при этом, согласно изобретению, обработку шихты осуществляют в течение 5-60 минут при соотношении массы рабочих тел (шаров) и шихты (10-50)1. Целесообразно для увеличения выхода продукта вводить в шихту в качестве зародышей ультрадисперсные порошки алмаза и КНБ в количестве 3-20 от массы порошка ГНБ. 2 8324 1 2006.08.30 Для решения проблемы получения порошков КНБ использован метод фазовых переходов в условиях высоких давлений в сочетании со сдвиговой деформацией, для осуществления которого можно использовать аппараты для проведения механосинтеза аттриторы, вибрационные и планетарные мельницы, диспергаторы и другие подобные устройства. Одним из важных условий твердофазных превращений является снижение энергии активации фазового превращения. В высокодефектных структурах активационный барьер превращения снижается вследствие высокой энергии упругого искажения кристаллической решетки вблизи дефектов. Следовательно, при относительно низких температурах следует ожидать образования зародышей сверхтвердых фаз. По мере увеличения длительности процесса механической активации возрастает объемная доля этих фаз. Использование времени обработки более 5 минут при отношении массы рабочих тел и размалываемых частиц в пределах (10-50)1 обеспечивает переход ГНБКНБ с образованием частиц субмикронных размеров. При времени обработки менее 5 минут количество образующихся зародышей невелико, содержание частиц КНБ в обработанном порошке не превышает 1 мас. . Увеличение времени обработки свыше 60 минут увеличивает себестоимость процесса получения КНБ с помощью данного метода. Кроме того, большое время выдержки приводит к обратному переходу КНБГНБ. При использовании зародышей на основе ультрадисперсных порошков алмаза и КНБ менее 3 мас.эффект от использования добавки снижается, добавки более 20 мас.не увеличивают выход КНБ,увеличивается доля сростков на основе зародышей КНБ. Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами. Пример 1. Берут 10 г порошка ГНБ и 200 г рабочих тел (шаров) и помещают в реакционную камеру аттритора. Затем в течение 5 минут проводят обработку порошка рабочими телами. Получают до 3 мас.от массы исходного порошка ГНБ частиц КНБ субмикронных размеров в виде сростков и отдельных кристаллов. После обработки порошок КНБ подвергают химической очистке от ГНБ любым известным способом, например, обрабатывая шихту в расплаве КОН или . Пример 2. Берут 20 г порошка ГНБ и 800 г рабочих тел (шаров) и обрабатывают порошок рабочими телами в реакционной камере планетарной мельницы в течение 20 минут. Получают до 8 мас.от массы исходного порошка частиц КНБ субмикронных размеров в виде сростков и отдельных кристаллов. После обработки порошок подвергают химической очистке от ГНБ (пример 1). Пример 3. Берут 15 г порошка ГНБ и 450 г рабочих тел (шаров), добавляют 15 мас.порошков ультрадисперсного алмаза и обрабатывают порошки в реакционной камере вибрационной мельницы в течение 25 минут рабочими телами. Получают до 12 мас.КНБ субмикронных размеров в виде сростков и отдельных кристаллов. После обработки порошок подвергают химической очистке от ГНБ (пример 1) и ультрадисперсного алмаза любым известным способом, например в 3 при повышенной температуре. Пример 4. Берут 15 г порошка ГНБ и 450 г рабочих тел (шаров), добавляют 15 мас.микропорошков КНБ и обрабатывают порошки в реакционной камере диспергатора в течение 40 минут рабочими телами. Получают дополнительно до 18 мас.КНБ субмикронных размеров в виде сростков и отдельных кристаллов. После обработки порошок подвергают химической очистке от ГНБ (пример 1). Основными преимуществами заявляемого способа получения порошка КНБ по сравнению с известными являются следующие 1) процесс получения порошка КНБ проводится без использования сложного прессового оборудования и специализированной оснастки,3 8324 1 2006.08.30 что упрощает технологию получения порошка КНБ 2) процесс получения КНБ по предлагаемому способу может осуществляться без участия стандартных катализаторов синтеза, что значительно снижает себестоимость получаемых частиц КНБ. Источники информации 1. Синтетические сверхтвердые материалы. В 3-х т. Т.1. Синтез сверхтвердых материалов / Ред.кол. Новиков Н.В. (отв. ред.) и др. - Киев Наукова думка, 1986. - С. 175. 2. Мазуренко , Ракицкий Э.Б., Добрянский В.М., Ракицкая Л.И. Синтез высокоплотных модификаций нитрида бора с использованием импульсного нагрева Сборник научных докладов Техника и технологии высоких давлений - Минск Ураджай, 1990. С. 151-157. 3. Курдюмов А.В., Островская Н.Ф., Ярош В.В., Ярош Н.В. Фазовые и структурные превращения в нитриде бора при ударном сжатии // Сверхтвердые материалы. - 1996.6. - С. 49-53 4. Синтез, спекание и свойства сверхтвердых материалов Сб. научн. тр. / Отв. ред. А.А. Шульженко НАН Украины. Ин-т сверхтвердых материалов им. В.Н.Бакуля. - К.,2000. - 218 с. 5..., ,// . . . - 1998. - . 78,5. - .10651072. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4