close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY15309

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2012.02.28
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
C 01B 21/064 (2006.01)
(2006.01)
B 22F 3/20
B 01J 21/00 (2006.01)
СПОСОБ СИНТЕЗА ЧАСТИЦ КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА
(21) Номер заявки: a 20100066
(22) 2010.01.21
(43) 2011.08.30
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Объединенный институт
машиностроения Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Сенють Владимир Тадеушевич; Комаров Александр Иванович;
Комарова Валентина Иосифовна;
Шипко Алексей Алексеевич (BY)
BY 15309 C1 2012.02.28
BY (11) 15309
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Объединенный
институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(56) ПРИХНА А.И. Сверхтвердые материалы. - 2005. - № 1. - С. 45-50.
BY 8324 C1, 2006.
BY 10580 C1, 2008.
BY 8883 C1, 2007.
BY 11097 C1, 2008.
(57)
1. Способ синтеза частиц кубического нитрида бора, включающий смешивание порошка графитоподобного нитрида бора с катализатором, прессование из полученной шихты заготовок и экструдирование заготовок через фильеру, отличающийся тем, что в
качестве катализатора добавляют в количестве 40-90 мас. % порошок алюминия или порошки алюминия и магния, взятые в эвтектическом соотношении, экструдирование осуществляют до степени деформирования заготовок 50-65 % при скорости деформирования
0,001-0,02 м/с, а после экструдирования продеформированные заготовки нагревают в расплаве алюминия или силумина при температуре 660-800 °С до растворения порошка алюминия или порошков алюминия и магния и выдерживают при этой температуре в течение
0,5-3 часов.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что фильеру подогревают до температуры 0,60,8 от температуры плавления катализатора.
Изобретение относится к технологии синтеза сверхтвердых материалов, в частности к
синтезу частиц кубического нитрида бора (КНБ), которые могут использоваться в качестве абразива, для изготовления полировальных паст, а также при получении композиционных материалов.
Одним из методов получения порошков КНБ является синтез в условиях высоких давлений и температур в области термодинамической стабильности КНБ в присутствии катализаторов, в качестве которых могут быть щелочные и щелочноземельные металлы и их
нитриды, бориды, фториды и гидриды, алюминий, магний и их нитриды [1].
Синтез порошков КНБ в условиях высоких давлений реализуется при достижении в
реакционном объеме пороговой температуры 1000-2000 °С и одновременном приложении
давления 4-10 ГПа. К недостаткам указанного способа получения порошков КНБ можно
отнести использование аппаратов высокого давления, а также специальных одноразовых
BY 15309 C1 2012.02.28
контейнеров, в которых размещают реакционную шихту для синтеза сверхтвердых материалов, большую трудоемкость подготовительных работ.
Известен способ синтеза КНБ в условиях высоких статических давлений без нагрева в
результате наложения сдвиговой деформации [2]. К недостаткам способа относятся необходимость применения в качестве исходного сырья для получения КНБ дорогостоящего
ромбоэдрического нитрида бора, а также использование алмазных наковален, в которых
создается высокое давление. Кроме того, низкая производительность указанного способа
не позволяет применять его на практике в промышленных условиях.
Известен способ получения порошков КНБ в условиях высоких динамических давлений в сочетании со сдвиговой деформацией при механической активации исходного порошка гексагонального нитрида бора в аттриторе (планетарной мельнице, вибрационной
мельнице или диспергаторе) в течение 5-60 мин [3]. Однако в данном случае получают
порошки КНБ с размером частиц менее 1 мкм. Частицы КНБ, синтезированные в неравновесных условиях по указанному способу, характеризуются высокодефектной структурой,
которая определяет их более низкую стойкость к воздействию агрессивных сред и высоких температур по сравнению с частицами КНБ, полученными в равновесных условиях.
Кроме того, ввиду неравновесных условий синтеза у таких частиц КНБ отсутствует
огранка, что снижает их абразивную способность и ухудшает спекаемость при получении
поликристаллов на их основе.
Таким образом, известные способы получения частиц КНБ требуют для своей реализации либо создания одновременно высоких давлений и температур, соответствующих
области стабильности КНБ, либо наложения сдвиговых деформаций в сочетании с высокими давлениями, что усложняет и удорожает производство, снижает производительность
и ухудшает потребительские качества произведенного продукта.
Ближайшим аналогом предлагаемого способа получения частиц КНБ является способ,
предложенный в [4].
Согласно предложенному способу, реакционная шихта для синтеза сверхтвердых
материалов, состоящая из графитоподобного нитрида бора и металла-катализатора,
помещается в загрузочный канал специального экструдера, после чего подвергается
экструдированию через фильеру и нагреву с помощью электрического тока в процессе
экструдирования. При надлежащем выборе скорости прохождения шихты через фильеру за время прохождения происходит превращение графитоподобной модификации
нитрида бора в кубическую. Реализация предлагаемого способа исключает необходимость изготовления большого количества вспомогательной оснастки: контейнеров,
торцевых и трубчатых нагревателей, упрощает процесс подготовки шихты для синтеза.
Однако указанный способ синтеза КНБ имеет ряд существенных недостатков, связанных с необходимостью изготовления экструдера достаточно сложной конструкции, содержащего детали из твердого сплава и жаростойких материалов. Кроме того, для
осуществления фазового превращения в нитриде бора необходимо создание высоких давлений и температур в процессе экструдирования шихты, соответствующих области стабильности КНБ, что отрицательно сказывается на долговечности экструдера.
Задачей настоящего изобретения является образование зародышей кубической модификации нитрида бора из порошка графитоподобной модификации нитрида бора и рост
зерен КНБ после процесса экструдирования.
Результатом изобретения является упрощение технологии синтеза КНБ, снижение его
себестоимости, повышение качества частиц порошка.
Указанная задача решается в способе получения частиц КНБ, включающем смешивание порошка графитоподобного нитрида бора с катализатором, прессование из полученной шихты заготовок и экструдирование заготовок через фильеру, отличающемся тем, что
в качестве катализатора добавляют 40-90 мас. % порошка алюминия или порошков алюминия и магния, взятых в эвтектическом соотношении, экструдирование осуществляют до
2
BY 15309 C1 2012.02.28
степени деформирования заготовок 50-65 % при скорости деформирования 0,001-0,02 м/с,
а после экструдирования продеформированные заготовки нагревают в расплаве алюминия
или силумина при температуре 660-800 °С до растворения порошка алюминия или порошков алюминия и магния и выдерживают при этой температуре в течение 0,5-3 ч.
Как вариант, для ускорения процесса образования КНБ фильеру подогревают до температуры 0,6-0,8 от температуры плавления катализатора.
Особенностью предлагаемого способа получения частиц КНБ является последовательная обработка гексагонального нитрида бора в экструдере и последующая выдержка
заготовок после экструдирования в расплаве алюминия или силумина.
В процессе экструдирования осуществляются фрагментация и деформация частиц
гексагонального нитрида бора, при этом также отмечается образование зародышей кубической фазы нитрида бора. Во время нагрева в расплаве алюминия или силумина происходит растворение алюминия или алюминия и магния в заготовках и фазовый переход
продеформированных частиц гексагонального нитрида бора в кубическую модификацию,
а также рекристаллизация зародышей КНБ и их рост.
Степень деформации заготовок менее 50 % не приводит к образованию зародышей
КНБ, а степень деформации более 65 % приводит к большой дефектности структуры гексагонального нитрида бора и образованию большого количества зародышей, что снижает
размер частиц КНБ и их эксплуатационные характеристики.
При скорости деформирования заготовки менее 0,001 м/с снижается производительность процесса зародышеобразования, а при скорости выше 0,02 м/с наблюдается повышенная дефектность структуры синтезируемых частиц КНБ. Кроме того, повышение
скорости деформирования отрицательно сказывается на долговечности оснастки.
При содержании катализатора менее 40 мас. % снижается прессуемость шихты, ухудшается процесс зародышеобразования в заготовках при экструдировании, ухудшается
смачиваемость и растворение заготовки в расплаве, из-за этого резко снижается выход
годного продукта (выход порошков КНБ в этом случае составляет менее 5 мас. %). При
содержании катализатора в заготовках более 90 мас. % снижается количество полученных
частиц КНБ как из-за низкого содержания графитоподобного нитрида бора в шихте, так и
вследствие интенсивного образования боридов магния и/или алюминия. Кроме того, производство порошка КНБ удорожается из-за большого содержания катализатора в заготовке.
Дополнительный подогрев фильеры до температуры 0,6-0,8 от температуры плавления
катализатора способствует ускорению процесса образования КНБ и более полному переходу графитоподобной модификации нитрида бора в кубическую при экструдировании.
Подогрев фильеры до температуры менее 0,6 от температуры плавления катализатора не
приводит к увеличению количества зародышей кубической модификации нитрида бора, а
подогрев до температуры свыше 0,8 от температуры плавления катализатора также не
способствует повышению выхода частиц КНБ.
Время выдержки заготовки в расплаве алюминия (силумина) после экструзии менее
0,5 ч не достаточно для полного растворения заготовки и образования частиц КНБ более
1 мкм, выдержка заготовки в расплаве более 3 ч нецелесообразна из-за удорожания производства.
В результате реализации на практике разработанного способа синтеза получают частицы КНБ в диапазоне 1-5 мкм, а также отдельные частицы свыше 5 мкм, обладающие
огранкой.
Предлагаемый способ получения частиц кубического нитрида бора иллюстрируется
следующими примерами.
Пример 1.
Берут порошок графитоподобного нитрида бора в количестве 60 мас. %, добавляют
40 мас. % порошка алюминия марки ПА-1, тщательно перемешивают в смесителе до получения гомогенной смеси, после чего на основе приготовленной шихты в пресс-форме
3
BY 15309 C1 2012.02.28
получают прессовку. Далее прессовку подвергают экструдированию через фильеру до
степени деформирования 55 % при скорости деформирования 0,01 м/с. Затем заготовку
помещают в расплав алюминия, нагретый до температуры 700 °С, и выдерживают ее до
полного растворения в расплаве в течение 1 ч.
Полученную отливку механически измельчают и производят очистку частиц кубического нитрида бора от побочных продуктов синтеза путем термообработки в расплаве КНБ.
Полученные частицы исследовали металлографическим, электронно-микроскопическим и
рентгенографическим методами, которые позволили установить, что выход частиц КНБ составляет 35 мас. %, размер полученных частиц находится в диапазоне 1-3 мкм.
Пример 2.
Изготавливают прессовку по примеру 1, содержащую графитоподобный нитрид бора в
количестве 40 мас. %, остальное - порошок алюминия. Далее производят экструдирование
прессовки через фильеру до степени деформирования 65 % при скорости деформирования
0,02 м/с, после чего продеформированную заготовку помещают в расплав алюминия,
нагретого до температуры 660 °С, и выдерживают ее в расплаве в течение 0,5 ч. Полученную отливку после ее механической обработки с целью придания необходимой формы и
размеров использовали в качестве абразивного композиционного материала для полировки стекла. Размер частиц КНБ в полученном материале находится в диапазоне 1-1,5 мкм,
содержание КНБ при этом составляет 30 мас. %.
Пример 3.
Изготавливают прессовку как в примерах 1, 2 с содержанием графитоподобного нитрида бора в количестве 30 мас. %, остальное - порошок алюминия, после чего экструдируют
прессовку через фильеру до степени деформирования 50 % при скорости деформирования
0,001 м/с, при этом фильеру нагревают до температуры 400 °С, затем заготовку выдерживают в расплаве алюминия при температуре 680 °С в течение 3 ч, после чего отливку механически измельчают и производят очистку частиц кубического нитрида бора от
побочных продуктов синтеза. Размер полученных частиц находится в диапазоне 3-5 мкм.
Выход частиц КНБ составил 20 мас. %.
Пример 4.
Выполняют те же операции, что и в примерах 1-3, только в исходной прессовке содержится 50 мас. % графитоподобного нитрида бора, а в качестве катализатора - 50 мас. %
порошков алюминия и магния, взятых в эвтектическом соотношении. Экструдирование
прессовки через фильеру осуществляют до степени деформирования 55 % при скорости
деформирования 0,005 м/с, при этом фильеру нагревают до температуры 340 °С, затем полученную заготовку выдерживают в расплаве алюминия при температуре 750 °С в течение 2,5 ч. Затем отливку измельчают и производят очистку частиц кубического нитрида
бора от побочных продуктов синтеза. Размер полученных частиц КНБ находится в диапазоне 1-5 мкм, выход КНБ составил 45 мас. %.
Пример 5.
Выполняют те же операции, что и в примерах 1-4, только в исходной прессовке
содержится в качестве катализатора 90 мас. % порошка алюминия, а экструдирование
прессовки через фильеру осуществляют до степени деформирования 65 % при скорости
деформирования 0,02 м/с, при этом фильеру нагревают до температуры 450 °С. Заготовку
выдерживают в течение 1 ч в расплаве промышленного эвтектического силумина
АК12М2МгН при температуре 800 °С. Получают отливку, содержащую 8 мас. % частиц
КНБ с размерами в диапазоне 1-1,2 мкм.
Таким образом, основными преимуществами заявляемого способа получения частиц
КНБ являются следующие: 1) получение частиц КНБ осуществляется без использования
специализированных прессов для синтеза сверхтвердых материалов, аппаратов высокого
давления и специальных одноразовых контейнеров, что удешевляет производство материала и изделий на его основе; 2) частицы КНБ обладают огранкой, что позволяет повысить
4
BY 15309 C1 2012.02.28
качество материалов на их основе; 3) размеры выделяемых фракций частиц КНБ превышают 1 мкм, что позволяет использовать их в качестве абразивного материала.
Примеры, иллюстрирующие изобретение, сведены в таблицу.
№
1
2
3
4
5
Состав
шихты,
мас. %
BNr-60
Al-40
BNr-40
Al-60
BNr-30
Al-70
BNr-50
(MgAl)-50
BNr-10
Al-90
Степень Скорость
ТемпеВремя
Темпедефор- дефорВыход Размер
ратура
выратура
мирова- мироваВид
частиц частиц
подогредержки
распла- расплава
ния
ния
КНБ, КНБ,
ва фильв расзаготов- заготовмас.
% мкм
ва, °С
плаве
еры, °С
ки, %
ки, м/с
55
0,01
-
700
алюминий
1
35
1-3
65
0,02
-
660
алюминий
0,5
30
1-1,5
50
0,001
-
680
алюминий
3
20
3-5
55
0,005
340
750
алюминий
2,5
45
1-5
65
0,02
450
800
силумин
1
8
1-1,2
Источники информации:
1. Синтетические сверхтвердые материалы: В 3-х т. Т. 1. Синтез сверхтвердых материалов / Редкол.: Новиков Н.В. (отв.ред.) и др. - Киев: Наукова думка, 1986. - C. 175.
2. 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.
3. Патент BY 8324, 2005.
4. Прихна А.И. Экструдер для непрерывного синтеза алмаза и кубического нитрида бора // Сверхтвердые материалы. - 2005. - № 1. - С. 45-50. (прототип).
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
5
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
100 Кб
Теги
патент, by15309
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа