PL192739B1 - Kompozyt diamentowy i sposób jego wytwarzania - Google Patents

Abstract

1. Kompozyt diamentowy składający się z mikroproszku diamentowego i niediamentowej fazy wiążącej, znamienny tym, że fazę wiążącą stanowi dwukrzemek tytanu TiSi2 w ilości od 20% do 40% masy. 2. Sposób wytwarzania kompozytu diamentowego polegający na wymieszaniu proszku diamentowego z fazą wiążącą i spiekaniu mieszaniny w odpowiednich warunkach wysokich ciśnień i temperatur, znamienny tym, że jako fazę wiążącą stosuje się mikroproszek dwukrzemku tytanu TiSi2 ilości od 20% do 40% masy, mieszaninę wyjściową poddaje się spiekaniu wysokociśnieniowemu pod ciśnieniem od 7 do 9 GPa w temperaturze od 1700°C do 1900°C, przy czym proces spiekania prowadzi się w zakresie termodynamicznej stabilności diamentu.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest kompozyt diamentowy i sposób jego wytwarzania drogą wysokociśnieniowego spiekania proszku diamentu, z nowym rodzajem fazy wiążącej. Kompozyt diamentowy ma zastosowanie w szczególności do wytwarzania materiałów przeznaczonych na ostrza noży skrawających.

Ostrza diamentowe stosowane w obróbce skrawaniem mają najczęściej postać kształtek wykonanych z tworzywa dwuwarstwowego. Pierwszą - pracującą warstwę - stanowi spiek diamentowy, zaś drugą warstwę stanowi wysoko kobaltowy węglik spiekany.

Znana metoda otrzymywania tych kształtek polega na spiekaniu mikroproszku diamentowego z dodatkową fazą wiążącą na podłożu z węglika spiekanego, w warunkach wysokich ciśnień w specjalnych prasach o nacisku 25 do 50 kN wyposażonych w komorę wysokiego ciśnienia typu Bridgmana, Belt, lub inną. W procesie spiekania w urządzeniach wysokociśnieniowych stosuje się ciśnienie do 10GPa i temperaturę do 2200K.

Znanych jest kilka sposobów otrzymywania spieków diamentowych. Spiekanie mikroproszków diamentowych prowadzi się z fazą wiążącą w postaci proszków metali, niemetali lub innego rodzaju związków w warunkach stabilności termicznej diamentu. W przypadku spiekania kompozytów warstwowych najczęściej wykorzystuje się dyfuzję kobaltu z warstwy spieku węglikowego do warstwy proszku diamentowego umieszczonego bezpośrednio nad tą warstwą.

Jako fazę wiążącą najczęściej stosuje się metale grupy VIII, co opisano na przykład w opisie patentowym USA nr 4 985 051, metale grupy IV-VI oraz inne związki, najczęściej węgliki SiC, znane z opisu patentowego USA nr 5 010 043, lub WC, TaC, znane między innymi z opisów patentowych USA nr 4 525 178 i nr 4 636 253.

Znane są dwa rodzaje spieków diamentowych. Pierwszy rodzaj zawiera powyżej 85% masy diamentu i jego struktura charakteryzuje się dużą ilością mocnych wiązań typu diament-diament. Spieki takie mają wysoką twardość lecz są kruche. Drugi rodzaj spieków zawiera mniej niż 85% masy diamentu i więcej niż 15% masy niediamentowej fazy wiążącej. Spieki takie są mniej kruche w stosunku do poprzednich i bardziej odporne na wysokie temperatury.

Celem wynalazku jest otrzymanie nowego rodzaju kompozytu diamentowego, z inną od dotychczas stosowanych fazą wiążącą, przede wszystkim nie zawierającą kobaltu.

Istota rozwiązania według wynalazku polega na tym, że kompozyt diamentowy ma fazę wiążącą, którą stanowi dwukrzemek tytanu TiSi2 w ilości od 20% do 40% masy.

Sposób wytwarzania kompozytu diamentowego według wynalazku polega na tym, że jako fazę wiążącą stosuje się mikroproszek dwukrzemku tytanu TiSi2 w ilości od20% do 40% masy. Mieszaninę wyjściową poddaje się spiekaniu wysokociśnieniowemu pod ciśnieniem od 7 do 9 GPa w temperaturze od 1700°C do 1900°C, przy czym proces spiekania prowadzi się w zakresie termodynamicznej stabilności diamentu.

Faza wiążąca według wynalazku różni się w istotny sposób od dotychczas znanych tym, że jej duży udział, w spieku nie obniża twardości materiału. Zastosowanie dwukrzemku tytanu TiSi2 zapewnia mocne połączenie pomiędzy cząstkami spiekanego materiału. W czasie procesu spiekania następuje w strefie kontaktu reakcja chemiczna, w wyniku której powstaje TiC, SiC. Obecność węglików w kompozycie jest bardzo korzystna, poprawiają się właściwości wytrzymałościowe spieku diamentowego, zmniejszają jego kruchość. Równocześnie tego typu faza wiążąca uzyskuje wysoką twardość wynoszącą do 50GPa, charakterystyczną dla spieków o małym udziale fazy wiążącej. Materiał charakteryzuje się dobrymi własnościami wytrzymałościowymi, przykładowo wytrzymałość na ściskanie średnicowe dla 30% masy TiSi2 wynosi 213,45 MPa. Otrzymany spiek jest odporny na ścieranie.

Obecność SiC jako składnika fazy wiążącej w spieku diamentowym jest korzystna również ze względu na jego własności tribologiczne (niski współczynnik tarcia), natomiast TiC ma odpowiednie własności wytrzymałościowe wymagane dla materiału narzędziowego. Zwiększenie ilości fazy wiążącej w postaci TiSi2 wpływa korzystnie na spiekalność materiału, równocześnie przy zachowaniu wysokiej twardości i zwiększeniu wytrzymałości w stosunku do tradycyjnych spieków diamentowych np. z kobaltową fazą wiążącą.

Znaczące zwiększenie udziału fazy wiążącej i tym samym zmniejszenie kruchości pozwala na zmianę zastosowań materiału narzędziowego, dla obróbki w warunkach obciążeń dynamicznych i do obróbki wymagającej większej odporności na ścieranie np. do cięcia płyt wiórowych. Materiał może

PL 192 739 B1 zostać zastosowany zarówno jako monolityczna wkładka narzędzia skrawającego, jak i występować w postaci warstwy spieku na podłożu węglika spiekanego.

P r z y k ł a d 1

Przygotowano mieszaninę 70% masy proszku diamentowego o wielkości 3-6 mm oraz 30% masy proszku TiSi2. Po wstępnym sprasowaniu kształtki o średnicy 15 mm umieszczano w specjalnych wkładach reakcyjnych do spiekania wysokociśnieniowego. Materiał spiekano w prasie z komorą Bridgmana stosując ciśnienie 8,0±0,5 GPa i temperaturę 1800±50°C. Otrzymano kompozyt o twardości HV1 50,5±5,0 GPa i gęstości pozornej 3,606 g/cm³.

P r z y k ł a d 2.

Przygotowano mieszaninę 80% masy proszku diamentowego o wielkości 3-6 mm oraz 20% masy proszku dwukrzemku tytanu TiSi2. Po sprasowaniu kształtki o średnicy 15 mm i wysokości 1,5 mm umieszczano wraz ze spiekiem węglika wolframu z 20% masy kobaltu w specjalnych wkładach reakcyjnych do spiekania wysokociśnieniowego. Materiał spiekano w prasie z komorą Bridgmana stosując ciśnienie 8,0±0,2 GPa i temperaturę 1800±50°C. Otrzymano kompozyt o twardości HV1 31,0±2,69 GPa i gęstości pozornej 3,540 g/cm³.

Claims (2)

1. Kompozyt diamentowy składający się z mikroproszku diamentowego i niediamentowej fazy wiążącej, znamienny tym, że fazę wiążącą stanowi dwukrzemek tytanu TiSi2 w ilości od 20% do 40% masy.

2. Sposób wytwarzania kompozytu diamentowego polegający na wymieszaniu proszku diamentowego z fazą wiążącą i spiekaniu mieszaniny w odpowiednich warunkach wysokich ciśnień i temperatur, znamienny tym, że jako fazę wiążącą stosuje się mikroproszek dwukrzemku tytanu TiSi2 ilości od 20% do 40% masy, mieszaninę wyjściową poddaje się spiekaniu wysokociśnieniowemu pod ciśnieniem od 7 do 9 GPa w temperaturze od 1700°C do 1900°C, przy czym proces spiekania prowadzi się w zakresie termodynamicznej stabilności diamentu.