close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY10859

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2008.06.30
(12)
(51) МПК (2006)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
C 01B 31/00
C 01B 21/00
B 82B 1/00
B 01J 3/06
ШИХТА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО СВЕРХТВЕРДОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ АЛМАЗА, КУБИЧЕСКОГО
НИТРИДА БОРА И УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК И НАНОВОЛОКОН
(21) Номер заявки: a 20061071
(22) 2006.10.31
(71) Заявитель: Государственное научнопроизводственное объединение "Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по
материаловедению" (BY)
(72) Автор: Старченко Игорь Михайлович (BY)
BY 10859 C1 2008.06.30
BY (11) 10859
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатель: Государственное
научно-производственное объединение
"Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по
материаловедению" (BY)
(56) BY 7925 C1, 2006.
BY 2484 U, 2006.
BY 2642 U, 2006.
BY 2588 U, 2006.
EA 200500345 A1, 2006.
BY 4122 C1, 2001.
RU 2166425 C1, 2001.
US 6783745 B1, 2004.
(57)
Шихта для получения поликристаллического композиционного сверхтвердого материала, включающая графит, графитоподобный нитрид бора и бор, отличающаяся тем,
что дополнительно содержит углеродные нанотрубки и нановолокна при следующем соотношении компонентов, мас. %:
графит
3–90
графитоподобный нитрид бора
3–90
бор
1–10
углеродные нанотрубки и нановолокна
0,1–40,0.
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 ПКСТМ 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.
BY 10859 C1 2008.06.30
В качестве катализаторов синтеза для алмаза используются переходные металлы восьмой группы периодической системы, а также хром, марганец, тантал, важными катализаторами-растворителями являются сплавы никеля с железом и никеля с марганцем. Для
кубического 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 формирующемся поликристалле, снижают его физические и эксплуатационные свойства, например термо- и абразивную стойкость.
Известно [2], что повысить микротвердость и прочность на сжатие поликристаллов
можно введением неметаллической добавки - бора. Однако зерна в поликристаллах в этом
случае 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 шихты приводит к превращению углерода и нитрида бора
в плотные модификации, при этом зерна алмаза оказываются прочно связаны проросшими
зернами кубического нитрида бора. Фазовый анализ показал, что на границах зерен происходит образование карбида бора, нитрида и боридов алюминия.
При нагреве под высоким давлением графитоподобный нитрид бора взаимодействует
с алюминием с образованием нитрида алюминия. Бор взаимодействует с графитом с образованием карбида бора. Нитрид алюминия способствует превращению графитоподобного
нитрида бора в кубический, а карбид бора - превращению графита в алмаз, и таким образом происходит одновременное образование плотных фаз в виде поликристаллического
компакта. Присутствие веществ, обладающих каталитической активностью, способствует
полному превращению материалов в плотные фазы и формированию мелкозернистой
структуры получаемого поликристалла.
Для изготовления качественных ПКСТМ используют различные методы спекания порошков сверхтвердых материалов (СТМ) с зернами различного размера и цементирующими и пластифицирующими добавками в качестве связующего. ПКСТМ получают
объемным сочетанием компонентов, один из которых пластичен (связующее), а другой
обладает высокой твердостью, стойкостью против абразивного изнашивания и жесткостью (наполнитель). Необходимые инструментальные свойства обеспечиваются высокодисперсной структурой связующего. Существует принципиальная необходимость
сохранить в синтезируемом материале ультратонкую структуру в межзеренной области,
выполняющей роль цементирующей и пластифицирующей связки.
Известно [4], что нанотрубки/нановолокна (НТ/НВ) снижают технологические параметры синтеза алмаза и позволяют получать новые материалы, где частицы алмаза связаны прочными НТ/НВ на расстояниях, значительно превосходящих размеры зерна.
Введение в материал НТ/НВ, связывающих ансамбли зерен алмаза на больших, относительно размеров отдельного зерна, расстояниях в прочные цепочки приводит к упрочнению материала в целом, повышению твердости и трещиностойкости.
Существующие композиционные материалы на основе КНБ получают путем связывания зерен КНБ покрытием их оболочкой и спеканием. Если КНБ способен выдержать жесткие условия эксплуатации, то связка является причиной выхода из строя всего изделия.
Прочность материала в основном зависит от связки между зернами КНБ на больших и на
малых расстояниях.
Известно [5], что НТ/НВ снижают параметры синтеза КНБ и позволяют получать новые материалы, в которых частицы КНБ связаны прочными НТ/НВ на расстояниях, значительно превосходящих размеры зерна, причем прочные НТ/НВ играют роль не только
связующего между зернами, но и арматуры для материала в целом.
2
BY 10859 C1 2008.06.30
Очевидна перспективность поликристаллических композиционных сверхтвердых "алмаз-КНБ" [6] материалов инструментального назначения. Алмаз тверже КНБ, но обладает
меньшей термостойкостью. Композиционный материал "алмаз-КНБ" тверже КНБ с термостойкостью выше, чем у алмаза. Наличие НТ/НВ в материале, связывающих сверхтвердые зерна на больших расстояниях, обеспечивает прочность компактного изделия как
целого и возможность его использования для инструментов.
Шихта для получения ПКСТМ [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 и бора.
Задачей, решаемой настоящим изобретением, является повышение прочности на сжатие ПКСТМ за счет создания в синтезируемом материале ультратонкой структуры, выполняющей роль связующей зерна СТМ на больших и малых расстояниях связки - НТ/НВ,
причем прочные НТ/НВ играют роль не только связующего между зернами, но и арматуры для материала в целом.
Поставленная задача решается тем, что шихта для получения ПКСТМ на основе алмаза и кубического нитрида бора, включающая графит, графитоподобный нитрид бора и
бор, дополнительно содержит нанотрубки/нановолокна при следующем соотношении
компонентов, мас. %:
графит
3-90
графитоподобный нитрид бора
3-90
бор
1-10
нанотрубки/нановолокна
0,1-40,0.
Сопоставительный анализ нового решения с прототипом показывает, что заявляемая
шихта отличается от известной тем, что содержит дополнительно нанотрубки/нановолокна. Таким образом, заявляемая шихта соответствует критерию изобретения "новизна".
Известно [4-6], что прочные НТ/НВ, вводимые в шихту, играют роль не только связующего между зернами, цементирующей и пластифицирующей связкой для кристаллов
алмаза и кубического нитрида бора, но и арматурой для материала в целом.
НТ/НВ обладают высокой каталитической активностью, способствуют полному превращению исходных не плотных материалов в плотные фазы и формированию мелкозернистой структуры получаемого поликристалла. Введение в шихту бора в количестве,
меньшем 1 мас. %, и НТ/НВ, меньшем 0,1 мас. %, не обеспечивает необходимого каталитического действия, в результате чего в поликристалле остается некоторое количество
графита и гексагонального нитрида бора, снижающих его прочностные свойства.
Большое количество добавок, превышающее 40 мас. %, также приводит к снижению
прочности композита из-за снижения доли основного функционального материала.
При содержании в шихте графита в количестве, меньшем 3 мас. %, падает износостойкость поликристалла, при содержании нитрида бора в количестве, меньшем 3 мас. %,
уменьшается его работоспособность из-за уменьшения термостойкости материала.
Композит из распределенных зерен алмаза и кубического нитрида бора, связанных
прочными НТ/НВ, играющими роль не только связующего между зернами, цементирующей и пластифицирующей связки для кристаллов алмаза и кубического нитрида бора, но
и арматурой для материала в целом, с распределенным в ней карбидом бора, 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: алмаза, кубического нитрида бора, НТ/НВ и карбида
бора. Присутствие нескольких фаз с различными твердостью и износостойкостью приво3
BY 10859 C1 2008.06.30
дит 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. Карбид бора является высокотвердым и тугоплавким материалом и не приводит к потере механических свойств поликристалла. НТ/НВ также являются очень прочными материалами.
Таким образом, заявляемое решение соответствует критерию "существенные отличия".
Использование предлагаемой шихты для получения ПКСТМ "алмаз-кубический нитрид бора-НТ/НВ" из графита и графитоподобного нитрида бора с использованием НТ/НВ
осуществляется следующим образом.
Из порошков графита, аморфного бора, графитоподобного нитрида бора и НТ/НВ 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-НТ/НВ" из предлагаемой шихты.
Пример 1.
Исходная шихта приготавливалась в виде гомогенной смеси графита, аморфного бора,
графитоподобного нитрида бора и нанотрубок/нановолокон при следующем соотношении
компонентов, мас. %:
графит
45,0
аморфный бор
5,0
графитоподобный нитрид бора
35,0
нанотрубки/нановолокна
15,0.
В качестве исходных материалов использовались:
1. Графит марки ГС-2;
2. Аморфный бор;
3. Гексагональный нитрид бора (ТУ 2036-1045-88);
4. Нанотрубки/нановолокна производства АНК ИТМО НАНБ.
Для получения гомогенной смеси шихта перемешивалась 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
138А.
Рентгеновский фазовый анализ показал, что образцы содержат алмаз, кубический нитрид бора, нанотрубки/нановолокна и карбид бора.
Предел прочности на сжатие полученных поликристаллов оказался равным 3,7 ГПа.
Стойкость к абразивному износу составила 0,005 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 прочность на сжатие ПКСТМ при сравнимой
с материалом, полученным из шихты прототипа, высокой абразивной стойкости.
4
BY 10859 C1 2008.06.30
Состав шихты и свойства поликристаллического композиционного
сверхтвердого материала
Состав шихты, мас. %
Свойства
нанотрубАбразивная
№ п/п
Нитрид
Прочность на
ки/наностойкость,
Графит
Бор
бора
сжатие, ГПа
волокна
мкм/км
1
6
1
91
2
2,5
350
2
91
2
5
2
2,4
340
3
47
0,5
47
5,5
2,6
270
4
44,9
7
48,05
0,05
2,3
320
5
4
1
94,0
1
2,2
310
6
94,0
1
4
1
2,3
260
7
28
3
28
41
2,7
350
8
47,5
1
47,5
4
3,5
15
9
45,0
5
35,0
15
3,7
5
10
40,0
5
45,0
10
3,6
6
11
41
8
41
10
3,5
6
12
40
6
44
10
3,5
5
прототип
46,5
2
46,5
3,6
5
Источники информации:
1. Патент США 4150098, НКИ 75-238, 1981.
2. Мазуренко A.M., 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, МПК С 01В 31/06, 21/064, 2006.
4. Патент РБ на полезную модель 2588, МПК В 24D 3/34, 2006.
5. Патент РБ на полезную модель 2642, МПК В 24D 3/04, 3/34, 2006.
6. Патент РБ на полезную модель 2484, МПК В 24D 3/06, 3/34, 2006.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
5
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
98 Кб
Теги
by10859, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа