close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY10930

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2008.08.30
(12)
(51) МПК (2006)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
C 01B 31/00
C 01B 21/00
B 01J 3/06
ШИХТА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО
СВЕРХТВЕРДОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ АЛМАЗА,
КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА
И УЛЬТРАДИСПЕРСНОГО АЛМАЗА
(21) Номер заявки: a 20061168
(22) 2006.11.23
(43) 2008.06.30
(71) Заявитель: Государственное научнопроизводственное объединение "Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по
материаловедению" (BY)
(72) Автор: Старченко Игорь Михайлович
(BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научно-производственное объединение
BY 10930 C1 2008.08.30
BY (11) 10930
(13) C1
(19)
"Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по
материаловедению" (BY)
(56) BY 7925 C1, 2006.
BY 508 U, 2002.
BY 461 U, 2002.
BY 531 U, 2002.
EA 006011 B1, 2005.
BY 4122 C1, 2001.
BY 6645 C1, 2004.
RU 2166425 C1, 2001.
SU 1152513 A, 1985.
(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
BY 10930 C1 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
BY 10930 C1 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
BY 10930 C1 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 300 ± 50 м2/г и содержанием несгораемого остатка до 2 мас. % (УДА-ГО ТУ080-167-21-90).
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" (ТУ080-167-21-90).
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 138А.
Рентгеновский фазовый анализ показал, что образцы содержат алмаз, кубический нитрид бора, ультрадисперсный алмаз, нитрид алюминия, карбид бора и бориды алюминия
А1В2 и А1В12.
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 Абразивная
№ п/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
BY 10930 C1 2008.08.30
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. - 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
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
98 Кб
Теги
by10930, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа