close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY7925

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
BY (11) 7925
(13) C1
(19)
(46) 2006.04.30
(12)
7
(51) C 01B 31/06, 21/064
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
ШИХТА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО
КОМПОЗИЦИОННОГО СВЕРХТВЕРДОГО МАТЕРИАЛА
НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА
(21) Номер заявки: a 20020005
(22) 2002.01.04
(43) 2003.09.30
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Объединенный институт
физики твердого тела и полупроводников Национальной академии наук
Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Шишонок Николай Александрович; Леусенко Анатолий Алексеевич; Гатальский Геннадий Васильевич; Косарев Олег Михайлович (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Объединенный
институт физики твердого тела и полупроводников Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(56) Мазуренко А.М. и др. Неорганические
материалы, 1995. - Т. 31, № 1. - С. 51-54.
2. RU 2065834 C1, 1996.
3. SU 1545483 A1, 1995.
4. RU 2041166 C1, 1995.
5. SU 1251486 A1, 1995.
6. BY 3954 C1, 2001.
BY 7925 C1 2006.04.30
(57)
Шихта для получения поликристаллического композиционного сверхтвердого материала, включающая графит и бор, отличающаяся тем, что дополнительно содержит графитоподобный нитрид бора и алюминий и/или нитрид алюминия при следующем
соотношении компонентов, мас. %:
графит
7-90
бор
1-10
графитоподобный нитрид бора
7-90
алюминий и/или нитрид алюминия
2-10.
Изобретение относится к области неорганической химии, а более конкретно к технологии получения поликристаллических композиционных сверхтвердых материалов (ПКСТМ),
и может быть использовано для изготовления поликристаллов с повышенной стойкостью
к абразивному износу.
Известные способы получения ПСТМ на основе плотных модификаций нитрида бора
и углерода основаны на одновременном воздействии на исходную шихту высокими давлением и температурой в области стабильности плотных фаз. В качестве исходной шихты
может быть использован графитоподобный нитрид бора [1] либо графит, расположенный
в контакте с металлом-катализатором [2]. Вводимые в состав шихты для снижения параметров синтеза катализаторы, внедряясь в формирующийся поликристалл, снижают его
физические и эксплуатационные свойства. В частности, содержание в алмазных поликристаллах металлов-катализаторов в виде локализованных включений достигает 25 мас. %,
что вызывает интенсивную графитизацию поликристаллов уже при относительно невысоких
температурах (900-1000 К), существенно ограничивая как технологические возможности
создания инструмента, так и его эксплуатационные свойства, например термо- и абразивную стойкость.
BY 7925 C1 2006.04.30
Известно также, что снизить параметры превращения графит-алмаз до приемлемых
значений можно введением неметаллической добавки - бора [3]. Присутствие в шихте от 1
до 10 мас. % аморфного бора дает возможность получения алмаза при давлении 8-9 ГПа.
Полученные поликристаллы обладали высокой микротвердостью и прочностью на сжатие, однако зерна в поликристаллах в этом случае были связаны недостаточно прочно, что
обусловливало относительно низкую абразивную стойкость. Недостатком является также
то, что режущая способность поликристаллов достаточно быстро снижается, при этом изменяется характер износа и, как следствие, наблюдаются замедление скорости резания и
перегрев инструмента.
Шихта для получения ПСТМ, описанная в этой работе, по своей сущности наиболее
близка к предлагаемому изобретению и выбрана в качестве прототипа. Общими существенными признаками прототипа и заявляемого объекта является присутствие в шихте
графита и бора.
Задачей, решаемой настоящим изобретением, является повышение абразивной стойкости поликристаллического сверхтвердого материала.
Поставленная задача решается тем, что шихта для получения поликристаллического
композиционного сверхтвердого материала на основе алмаза и кубического нитрида бора,
включающая графит и бор, дополнительно содержит графитоподобный нитрид бора,
алюминий и/или нитрид алюминия при следующем соотношении компонентов, мас. %:
графит
7-90
бор
1-10
графитоподобный нитрид бора
7-90
алюминий и/или нитрид алюминия
2-10.
Сопоставительный анализ нового решения с прототипом показывает, что заявляемая
шихта отличается от известной тем, что содержит дополнительно графитоподобный нитрид бора, алюминий и/или нитрид алюминия. Таким образом, заявляемая шихта соответствует критерию изобретения "новизна".
Термобарическая обработка такой шихты приводит к совместному превращению углерода и нитрида бора в плотные модификации, при этом зерна алмаза оказываются прочно
скрепленными проросшими зернами кубического нитрида бора. Фазовый анализ показал,
что на границах зерен происходит образование карбида бора, нитрида и боридов алюминия.
В процессе нагрева под высоким давлением графитоподобный нитрид бора взаимодействует с алюминием с образованием нитрида алюминия. Элементарный бор взаимодействует с графитом с образованием карбида бора. Образующийся нитрид алюминия
инициирует превращение графитоподобного нитрида бора в кубический, а карбид бора
способствует превращению графита в алмаз, и таким образом происходит одновременное
образование плотных фаз в виде поликристаллического компакта. Присутствие в шихте
веществ, обладающих высокой каталитической активностью, способствует полному превращению исходных слоистых 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 2 мас. %, не обеспечивает необходимого каталитического действия, в результате чего в поликристалле остается некоторое количество непревращенных слоистых фаз, снижающих его прочностные свойства. Большое
количество катализаторов, превышающее 10 мас. %, также приводит к снижению прочности
композита из-за снижения доли основного функционального материала. При содержании
в шихте графита в количестве, меньшем 7 мас. %, падает износостойкость поликристалла,
а при малом (менее 7 мас. %) содержании нитрида бора уменьшается его работоспособность из-за снижения эффекта самозатачивания.
Сущность изобретения не нарушается, если в шихту вводится не алюминий, а нитрид
алюминия или его смесь с алюминием. Высокая каталитическая активность нитрида алюминия позволяет эффективно осуществить фазовое превращение в нитриде бора с таким
2
BY 7925 C1 2006.04.30
же конечным эффектом, как и в случае использования металлического алюминия, который образует нитрид, взаимодействуя с нитридом бора при высокой температуре в камере
высокого давления. В то же время использование алюминия и нитрида алюминия повышает технологичность процесса.
Образованный конгломерат из равномерно распределенных сросшихся зерен алмаза и
кубического нитрида бора обладает высокой прочностью, износостойкостью и дополнительно обеспечивает повышение эксплуатационных характеристик за счет выраженного
свойства самозатачиваемости. Последнее обеспечивается благодаря присутствию в составе композиционного материала компонент с различной твердостью и абразивностью: нитрида алюминия, карбида бора и боридов алюминия. Наличие в материале нескольких фаз
с различающимися твердостью и износостойкостью приводит к тому, что принимающие
на себя в процессе работы основную нагрузку зерна алмаза и незначительно уступающие
им по твердости зерна кубического нитрида бора постепенно, по мере износа относительно более мягких компонент, обнажаются из поликристалла, обеспечивая его высокую работоспособность. Присутствующие в небольших количествах нитрид алюминия, карбид
бора, бориды алюминия, будучи сами высокотвердыми и тугоплавкими материалами, не
приводят к потере высоких механических свойств образованного поликристалла.
Таким образом, заявляемое решение соответствует критерию "существенные отличия".
Получение прочного поликристаллического материала алмаз-кубический нитрид бора
из графита и графитоподобного нитрида бора при использовании предлагаемой шихты
осуществляется следующим образом.
Из исходных порошков графита, аморфного бора, графитоподобного нитрида бора и
порошка алюминия приготавливали однородную смесь с заданным соотношением компонентов и перемешивали в вибромельнице в течение 3-5 ч. При использовании других перемешивающих устройств время подбирают опытным путем. Из приготовленной таким
образом гомогенной смеси прессуют заготовки, которые затем подвергают термобарической обработке в области стабильности плотных модификаций.
Ниже приведены примеры получения поликристаллов из предлагаемой шихты.
Пример 1.
Исходная шихта представляла собой гомогенную смесь спектрально чистого графита,
аморфного бора, графитоподобного нитрида бора и порошка алюминия при следующем
соотношении компонентов (мас. %): графит - 46,5; аморфный бор - 2; графитоподобный
нитрид бора - 46,5; алюминий - 5. В качестве исходных компонентов использовали порошки графитоподобного нитрида бора производства Запорожского абразивного комбината, графита спектральной чистоты, аморфного бора и порошка алюминия АСД -1. Для
получения гомогенной смеси компоненты шихты перемешивали в вибромельнице в течение 1 ч. Из полученной шихты формовали цилиндрические заготовки, которые затем подвергали воздействию высоких давления и температуры в области стабильности плотных
фаз углерода и нитрида бора на прессовой установке ДО 138А в устройствах высокого
давления типа наковален с лункой. После выдержки нагрев выключали и снижали давление до атмосферного. Полученные поликристаллы имели вид цилиндров диаметром 6 мм
и высотой 3 мм. Проведенный рентгеновский фазовый анализ показал, что образцы содержат алмаз, кубический нитрид бора, нитрид алюминия, карбид бора, бориды алюминия
AlB2 и AlB12.
Для определения предела прочности на сжатие образцы шлифовали для получения
дисков правильной формы с соотношением высоты к диаметру, равным 1,5. Определение
прочности проводили методом одностороннего сжатия на испытательной машине ZDM
2,5/0,1. Предел прочности на сжатие определяли как отношение разрушающей нагрузки к
исходной площади контактной поверхности. Предел прочности на сжатие полученных
поликристаллов оказался равным 3,6 ГПа.
3
BY 7925 C1 2006.04.30
Были проведены испытания абразивной стойкости поликристаллов при обтачивании
абразивного круга из карбида кремния (зеленого) марки К363С12МСМ2К10, имеющего
диаметр 250 мм, ширину 25 мм. Испытуемые поликристаллы закрепляли в державке под
углом γ = 10 - 20°, обработку вели при подаче S = 0,1 мм/об., глубине снимаемого слоя
t = 0,1 мм, линейной скорости в зоне съема V = 6,2 - 6,6 м/с. Стойкость к абразивному износу определяли по величине радиального износа поликристалла на километр пути обтачивания, которая составила 0,005 мм/км.
Результаты испытаний физико-механических свойств ПСТМ, полученных из предлагаемой шихты, сведены в таблицу. Полученные в результате проведенных испытаний результаты 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 композиционного материала
№ № п/п
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12 (прототип)
Графит
5
73
92
7
46,5
90
45
47,5
47,5
42
42
95
Состав шихты, мас. %
Свойства
Алюминий Прочность Абразивная
ГНБ
Бор
и/или нитрид на сжатие, стойкость,
алюминия
ГПа
мкм/км
93,5
0,5
1
2,1
380
5
11
11
2,2
310
5
1
2
2,2
280
90
1
2
2,3
8
46,5
2
5
3,25
4,5
7
1
2
3,3
5,0
45
3
7
3,5
6
47,5
2
3
3,6
6
47,5
1
4
3,6
5
42
10
6
2,2
8
42
6
10
2,1
8
5
3,5
9-12
Источники информации:
1. Патент США 4150098, НКИ 75-238, 1981.
2. А.с. СССР 328790, МПК С 01 31/06, 1977.
3. Мазуренко А.М., 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.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
4
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
93 Кб
Теги
by7925, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа