Шихта для получения композиционного сверхтвердого материала на основе алмаза, кубического нитрида бора и ультрадисперсного алмаза

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ШИХТА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО СВЕРХТВЕРДОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ АЛМАЗА,КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА И УЛЬТРАДИСПЕРСНОГО АЛМАЗА(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Автор Старченко Игорь Михайлович Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Шихта для получения поликристаллического композиционного сверхтвердого материала, включающая графит, графитоподобный нитрид бора, бор и алюминий и/или нитрид алюминия, отличающаяся тем, что дополнительно содержит ультрадисперсные алмазы при следующем соотношении компонентов, мас.графит 5-90 графитоподобный нитрид бора 5-90 бор 1-5 алюминий и/или нитрид алюминия 1-10 ультрадисперсные алмазы 0,1-30,0. Изобретение относится к технологии получения поликристаллических композиционных сверхтвердых материалов (ПКСТМ) и может быть использовано для изготовления поликристаллов с повышенной стойкостью к износу для элементов сверхтвердого инструмента. Известные способы получения поликристаллических композиционных сверхтвердых материалов на основе сверхтвердых модификаций нитрида бора и углерода основаны на одновременном воздействии на исходную шихту высокими давлениями и температурой в области стабильности их сверхтвердых фаз. В качестве исходной шихты при этом может быть использован графитоподобный нитрид бора либо графит 1, расположенные в контакте с катализатором, который понижает параметры синтеза сверхтвердых компонентов ПКСТМ, например температуру, давление или время синтеза. В качестве катализаторов синтеза для алмаза используются переходные металлы восьмой группы периодической системы, а также хром, марганец, тантал. Для кубического 10930 1 2008.08.30 нитрида бора - щелочные и щелочно-земельные металлы и их нитриды, а также фториды и гидриды. Катализаторы и продукты их взаимодействия с шихтой, которые остаются в поликристалле, снижают его физические и эксплуатационные свойства, например термо- и абразивную стойкость, существенно ограничивая технологические возможности создания инструмента на основе поликристалла. Известно 2, что повысить микротвердость и прочность на сжатие поликристаллов можно введением неметаллической добавки - бора. Однако зерна в поликристаллах в этом случае были связаны недостаточно прочно, что обусловливало относительно низкую абразивную стойкость. В патенте 3 эти недостатки преодолеваются введением в шихту дополнительно графитоподобного нитрида бора и алюминия и/или нитрида алюминия. Термобарическая обработка приводит к совместному превращению углерода и нитрида бора в плотные модификации, при этом зерна алмаза прочно скреплены зернами кубического нитрида бора. На границах зерен происходит образование карбида бора, нитрида и боридов алюминия. Графитоподобный нитрид бора взаимодействует с алюминием с образованием нитрида алюминия, а бор взаимодействует с графитом с образованием карбида бора. Образующиеся нитрид алюминия и карбид бора инициируют превращение графитоподобного нитрида бора в кубический и графита в алмаз, что приводит к образованию поликристаллического сверхтвердого компакта. Для изготовления качественных поликристаллических композиционных сверхтвердых материалов обычно используют различные методы спекания порошков СТМ с зернами различного размера и цементирующими и пластифицирующими добавками в качестве связующего. Поликристаллические композиционные сверхтвердые материалы получают объемным сочетанием компонентов, один из которых пластичен (связующее), а другой обладает высокой прочностью, твердостью, стойкостью против абразивного изнашивания и жесткостью (наполнитель). Необходимые инструментальные свойства обеспечиваются высокодисперсной структурой связки. Существует принципиальная необходимость сохранить в синтезируемом материале ультратонкую структуру либо во всей его массе, либо в межзеренной области, выполняющей роль цементирующей и пластифицирующей связки. Шихта для получения ПСТМ 3 по своей сущности наиболее близка к предлагаемому изобретению и выбрана в качестве прототипа. Общим существенным признаком прототипа и заявляемого объекта является присутствие в шихте графита, графитоподобного нитрида бора, бора и алюминия и/или нитрида алюминия. Задачей, решаемой настоящим изобретением, является повышение абразивной стойкости поликристаллического сверхтвердого материала за счет сохранения в синтезируемом материале ультратонкой структуры, выполняющей роль цементирующей и пластифицирующей связки. Поставленная задача решается тем, что шихта для получения поликристаллического композиционного сверхтвердого материала, включающая графит, графитоподобный нитрид бора, бор и алюминий и/или нитрид алюминия, дополнительно содержит ультрадисперсный алмаз (УДА) при следующем соотношении компонентов, мас.графит 5-90 графитоподобный нитрид бора 5-90 бор 1-5 алюминий и/или нитрид алюминия 1-10 ультрадисперсные алмазы 0,1-30,0. Сопоставительный анализ нового решения с прототипом показывает, что заявляемая шихта отличается от известной тем, что содержит дополнительно ультрадисперсный алмаз. Таким образом, заявляемая шихта соответствует критерию изобретения новизна. 2 10930 1 2008.08.30 Известно 4-6, что УДА, вводимые в шихту, служат идеальными критическими зародышами роста, как отдельно, для синтеза алмаза и кубического нитрида бора, а также их же, как составляющих поликристаллического сверхтвердого материала. Ультрадисперсные алмазы по своим свойствам существенно отличаются от других синтетических алмазов. Они имеют очень малые размеры частиц - 1-10 нм., совпадающие с размерами критического зародыша для условий синтеза алмаза и кубического нитрида бора и близкую к ним кристаллическую структуру, что делают их незаменимыми в качестве готовых критических зародышей. За счет наличия в шихте готовых критических зародышей роста существенно снижаются параметры синтеза сверхтвердых составляющих поликристаллического композиционного сверхтвердого материала. Ультрадисперсный алмаз, оставаясь в поликристаллическом композиционном сверхтвердом материале, являясь сверхтвердым материалом, служит цементирующей и пластифицирующей связкой для кристаллов алмаза и кубического нитрида бора. Присутствие в шихте комплекса веществ, обладающих высокой каталитической активностью, способствует полному превращению исходных неплотных материалов в плотные фазы и формированию мелкозернистой структуры получаемого поликристалла. Введение в шихту бора в количестве, меньшем 1 мас. , алюминия и/или нитрида алюминия, меньшем 1 мас. , и ультрадисперсного алмаза, меньшем 0,1 мас. , не обеспечивает необходимого каталитического действия, в результате чего в поликристалле остается некоторое количество слоистых фаз (графита и гексагонального нитрида бора), снижающих его прочностные свойства. Большое количество добавок, превышающее 30 мас. , также приводит к снижению прочности композита из-за снижения доли основного функционального материала. При содержании в шихте графита в количестве, меньшем 5 мас. , падает износостойкость поликристалла, при содержании нитрида бора в количестве, меньшем 5 мас. ,уменьшается его работоспособность из-за уменьшения термостойкости материала. Композит из равномерно распределенных зерен алмаза и кубического нитрида бора,связанных цементирующей и пластифицирующей связкой из ультрадисперсного алмаза, с распределенными в ней нитридом алюминия, карбидом бора и боридов алюминия, обладает высокой прочностью, износостойкостью и обеспечивает свойство самозатачиваемости. Последнее осуществляется за счет присутствия в составе композиционного материала твердых и сверхтвердых составляющих с различной термостойкостью, теплопроводностью, твердостью и абразивностью ультрадисперсного алмаза, нитрида алюминия, карбида бора и боридов алюминия. Присутствие нескольких фаз с различающимися твердостью и износостойкостью приводит к тому, что более крупные зерна алмаза и несколько уступающие им по твердости зерна кубического нитрида бора постепенно обнажаются из поликристалла, обеспечивая его высокую работоспособность. Нитрид алюминия, карбид бора, бориды алюминия, распределенные в цементирующей и пластифицирующей связке из ультрадисперсного алмаза, сами являются высокотвердыми и тугоплавкими материалами и не приводят к потере механических свойств поликристалла. Таким образом, заявляемое решение соответствует критерию существенные отличия. Использование предлагаемой шихты для получения поликристаллического материала алмаз - кубический нитрид бора - УДА из графита и графитоподобного нитрида бора с использованием цементирующей и пластифицирующей связки из УДА осуществляется следующим образом. Из порошков графита, аморфного бора, графитоподобного нитрида бора, алюминия и/или нитрида алюминия и ультрадисперсного алмаза приготавливается смесь с заданным соотношением компонентов и тщательно перемешивается. Из приготовленной смеси прессуются таблетки, которые подвергаются термобарической обработке в области стабильности плотных модификаций (алмаза и кубического нитрида бора). Примеры получения поликристаллического материала алмаз - кубический нитрид бора - ультрадисперсный алмаз) из предлагаемой шихты. 3 10930 1 2008.08.30 Пример. Исходная шихта приготавливалась в виде гомогенной смеси графита, аморфного бора,графитоподобного нитрида бора, порошка алюминия и ультрадисперсного алмаза при следующем соотношении компонентов, мас.графит 40,0 аморфный бор 5 графитоподобный нитрид бора 40,0 алюминий 4 ультрадисперсные алмазы 11. ультрадисперсный алмаз - 11. Использовались порошки ультрадисперсного алмаза высокой степени очистки с размером частиц 4-10 нм, удельной площадью поверхности 30050 м 2/г и содержанием несгораемого остатка до 2 мас.(УДА-ГО ТУ 080-167-21-90). В качестве исходных материалов использовались 1. Графит марки ГС-2 2. Аморфный бор 3. Гексагональный нитрид бора (ТУ 2036-1045-88) 4. Порошок алюминия АСД -1 5. Порошок УДА-ГО производства НПО Синта (ТУ 080-167-21-90). Для получения гомогенной смеси компоненты шихты перемешивали в вибромельнице. Из шихты прессовались таблетки, которые затем помещались в цилиндрические нагреватели из смеси графита с нитридом бора, а затем в контейнеры высокого давления типа наковальня с лункой. Такая сборка подвергалась воздействию высоких давления и температуры в области стабильности плотных фаз углерода и нитрида бора на прессовой установке ДО 138 А. Рентгеновский фазовый анализ показал, что образцы содержат алмаз, кубический нитрид бора, ультрадисперсный алмаз, нитрид алюминия, карбид бора и бориды алюминия А 1 В 2 и А 1 В 12. Предел прочности на сжатие поликристаллов оказался равным 3,6 ГПа. Стойкость к абразивному износу составила 0,003 мм/км. Результаты испытаний свойств ПКСТМ, полученных из предлагаемой шихты, сведены в таблицу. Результаты проведенных испытаний показывают, что материал, полученный из заявленной шихты, обеспечивает более высокую абразивную стойкость поликристаллического композиционного сверхтвердого материала при сравнимой прочности на сжатие с материалом, полученным из шихты прототипа. Состав шихты и свойства поликристаллического композиционного сверхтвердого материала Состав шихты, мас.Свойства Алюминий Прочность Абразивнаяп/п Нитрид Графит Бор и/или нитрид УДА на сжатие,стойкость,бора алюминия ГПа мкм/км 1 6 1 91 1 1 2,2 360 2 91 1 5 2 1 2,1 340 3 46 0,5 46 4 3,5 2,5 270 4 44,9 5 48,05 2 0,05 2,2 230 5 4 1 91,0 3 1 2,7 220 6 92,0 1 4 2 1 2,3 250 7 30 3 30 5 32 2,4 210 8 46 1 46 3 4 3,2 4 9 40,0 5 40,0 4 11 3,6 3 10 41 4 41 6 8 3,5 5 11 32 6 52 5 5 3,4 6 прототип 46,5 2 46,5 5 3,6 5 4 10930 1 2008.08.30 Источники информации 1. Патент США 4150098, НКИ 75-238,1981. 2. Мазуренко , Гатальский Г.В., Ракицкий Э.Б. и др. Алмазообразование и взаимодействие в системе углерод - бор при высоких давлении и температуре // Неорганические материалы. - 1995. - Т. 31. -1. - С. 51-54. 3. Патент РБ 7925. - 2006.04.30 4. Патент РБ 461. - 2002.03.30. 5. Патент РБ 531. - 2002.06.30. 6. Патент РБ 508. - 2002.03.30. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5