PL212600B1 - Kompozyt diamentowy i sposób jego wytwarzania - Google Patents

Description

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, frezów oraz na końcówki nagniataków.

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

Inną grupą kompozytów diamentowych stosowanych w obróbce skrawaniem są monolityczne spieki diamentowe z fazą wiążącą w postaci węglika krzemu, bez warstwy podłożowej. Węglik krzemu powstaje na skutek reakcji stopionego krzemu z węglem diamentu. Materiały z fazą wiążącą w postaci krzemu najczęściej przeznaczone są na ostrza w koronkach wiertniczych do obróbki skał i kamienia budowlanego.

Znana metoda otrzymywania tych kształtek polega na spiekaniu mikroproszku diamentowego z dodatkową fazą wiążącą lub bez fazy wiążącej na podłożu z węglika spiekanego lub bez podłoża, 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 10 GPa 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 wstępnie sprasowanego proszku diamentowego umieszczonego bezpośrednio nad tą warstwą.

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

W zależności od zawartości fazy wiążącej rozróżnia się 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. Kobalt jest katalizatorem procesu spiekania diamentu. Kobalt tworzy roztwory stałe z węglem, a w warunkach stabilności termodynamicznej diamentu węgiel wytrąca się w postaci kryształów diamentu. Obecność tego metalu obniża parametry spiekania proszków diamentowych tzn. ciśnienie i temperaturę. Kobalt jest również katalizatorem przemiany odwrotnej diamentu w grafit przy niższych temperaturach niż temperatura przemiany alotropowej diamentu bez udziału kobaltu. Obecność kobaltu w spiekach diamentowych ogranicza temperatury jego stosowania, w powietrzu do około 970K. Inny rodzaj fazy wiążącej niż kobaltowa może pozwolić na zastosowanie spieków diamentowych w wyższych temperaturach, co ma znaczenie dla procesu łączenia spieków z korpusem narzędzia, obróbki i pracy ostrza z tego materiału na przykład bez konieczności stosowania cieczy chłodząco- smarujących, które są szkodliwe dla zdrowia i środowiska. Dzięki obecności kobaltowej fazy wiążącej spieki diamentowe przewodzą prąd elektryczny i jest możliwe ich przecinanie i kształtowanie przy pomocy metod obróbki elektroerozyjnej.

Drugi rodzaj spieków zawiera mniej niż 85 % masy diamentu i więcej niż 15% masy niediamentowej fazy wiążącej najczęściej w postaci SiC. Węglik krzemu najczęściej powstaje „in situ” podczas reakcji spiekania mieszaniny proszków diamentu i krzemu. Krzem podczas procesu spiekania występuje w postaci fazy ciekłej i wypełnia wszystkie przestrzenie międzyziarnowe pomiędzy cząstkami diamentu. Spieki takie są mniej kruche w stosunku do spieków z kobaltowa fazą wiążącą i bardziej odporne na wysokie temperatury, jednak nie przewodzą prądu elektrycznego i do ich przecinania i kształtowania ostrzy muszą być zastosowane inne niż elektroerozyjne techniki np. metody ultradźwiękowe i laserowe. Ze względu na możliwość wykruszeń krawędzi skrawającej nie są stosowane jako ostrza noży tokarskich, natomiast doskonale sprawdzają się w obróbce kamienia budowlanego i w narzędziach wiertniczych, gdzie występują duże obciążenia dynamiczne i wysokie temperatury.

Celem wynalazku jest otrzymanie nowego rodzaju kompozytu diamentowego, z inną od dotychczas stosowanych fazą wiążącą, zapewniającą lepszą odporność temperaturową i lepsze właściwości wytrzymałościowe.

PL 212 600 B1

Zgodnie z wynalazkiem w kompozycie diamentowym zastosowano nową fazę wiążącą w postaci węglika tytanowo krzemowego Ti3SiC2.

Ti3SiC2 jest materiałem, który krystalograficznie został po raz pierwszy opisany przez W.Jeitschko i H.Nowotnego w roku 1967. Obecnie otrzymywany jest w postaci proszków i kształtek objętościowych wieloma metodami syntezy znanymi między innymi z opisów patentowych US 5 942 455, US 6 461 989, US 6 986 873, CN 1 245 155 oraz w postaci warstw. Często Ti3SiC2 spiekany jest z dodatkiem innych tworzywami ceramicznych takich jak węgliki, borki, azotki oraz tlenki znanych z opisów patentowych CN 1 552 662, CN 1 594 213, CN 1 609 250, CN 1 654 425.

Istota rozwiązania według wynalazku polega zatem na tym, że kompozyt diamentowy ma fazę wiążącą, którą stanowi węglik tytanowo krzemowy Ti3SiC2 w ilości od 10% do 40% masy.

Węglik tytanowo-krzemowy Ti3SiC2 charakteryzuje się unikalnym połączeniem właściwości typowych dla ceramiki: wysoką temperaturą topnienia, odpornością na utlenianie, odpornością na ścieranie z właściwościami typowymi dla grupy materiałów metalicznych takimi jak dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne i plastyczność.

W przypadku spiekania wysokociśnieniowego diamentu z fazami ceramicznymi występują dwa niekorzystne zjawiska - pękania fazy wiążącej, z możliwością propagacji tych pęknięć podczas pracy narzędzia wykonanego z tego materiału oraz grafityzacji w wyniku niekorzystnego stanu naprężeń podczas spiekania. Związki ceramiczne nie są katalizatorami procesu przemiany diamentu w grafit i odwrotnie, materiały z taką fazą wiążącą mogą zostać zastosowane w wyższych temperaturach niż materiały z kobaltową fazą wiążącą.

Sposób wytwarzania kompozytu diamentowego według wynalazku polega na tym, że jako fazę wiążącą stosuje się mikroproszek lub sumikroproszek węglika tytanowo krzemowego Ti3SiC2 w ilości od 10% do 40% masy. Mieszaninę wyjściową poddaje się spiekaniu wysokociśnieniowemu pod ciśnieniem od 7 do 9 GPa w temperaturze od 1970K do 2200K.

Faza wiążąca według wynalazku różni się w istotny sposób od dotychczas znanych tym, że jej duży udział fazy ceramicznej w spieku nieznacznie obniża twardość spieku diamentowego w stosunku do spieku z kobaltową fazą wiążącą. Zastosowanie Ti3SiC2, w pierwszym etapie spiekania wysokociśnieniowego, dzięki swojej plastyczności, zapewnia prawidłowy rozkład naprężeń pomiędzy cząstkami spiekanej mieszaniny diamentu i węglika tytanowo krzemowego, co zapobiega procesowi grafityzacji. Zapewnia także mocne połączenie pomiędzy cząstkami spiekanego materiału. W drugim etapie procesu spiekania w strefie kontaktu następują reakcje chemiczne w wyniku których powstają krzemki TixSiy, TiC, SiC oraz pozostaje pewna ilość nieprzereagowanego Ti3SiC2. Obecność węglików w kompozycie jest bardzo korzystna, poprawiają się właściwości wytrzymałościowe spieku diamentowego, zwiększa odporność temperaturową materiału w stosunku do spieków z kobaltową fazą wiążącą.

Wyjątkowa dla tworzyw ceramicznych plastyczność fazy wiążącej w postaci Ti3SiC2, w procesie wysokociśnieniowego spiekania diamentu ma zasadnicze znaczenie ze względu na lepszy rozkład naprężeń wewnątrz materiału. W przypadku spiekania materiałów kruchych i twardych, w materiale spiekanym pod ciśnieniem wewnątrz materiału pojawia się nierównomierny rozkład naprężeń. W takich warunkach dla spieku diamentowego, część ziarna diamentu znajduje się w stanie naprężeń ściskających, w miejscach styku ziaren, natomiast w lukach międzyziarnowych, na powierzchni ziaren występują naprężenia rozciągające. Efektem występowania naprężeń rozciągających jest obniżenie ciśnienia w tej części ziarna. Ciśnienie i temperatura w strefie naprężeń rozciągających mogą odpowiadać stanowi równowagi termodynamicznej grafitu, czego następstwem jest powierzchniowa grafityzacja ziaren diamentu na skutek przemiany alotropowej diamentu w grafit. Plastyczna faza wiążąca wypełniająca przestrzenie międzyziarnowe poprawia rozkład naprężeń w spiekanym ciśnieniowo materiale i stwarza pseudoizostatyczne warunki spiekania, zabezpieczając diament przed grafityzacją. Dlatego zastosowanie „plastycznej” ceramiki w postaci Ti3SiC2 jest bardzo korzystne.

Materiał według wynalazku charakteryzuje się dobrymi własnościami wytrzymałościowymi, przykładowo wytrzymałość na ściskanie średnicowe dla kompozytu otrzymanego z 70% mas. diamentu o wielkości 3-6 μm oraz 30% masy Ti₃SiC₂ wynosi 253,98 MPa. Współczynnik odporności na pęka1/2 nie dla tego materiału wynosi 8,0 MPa m^1/2. Obecność SiC jako składnika fazy wiążącej w spieku diamentowym jest korzystna również ze względu na jego właściwości tribologiczne (niski współczynnik tarcia), natomiast TiC ma odpowiednie właściwości wytrzymałościowe wymagane dla materiału narzędziowego. Zwiększenie ilości fazy wiążącej w postaci Ti3SiC2 wpływa korzystnie na spiekalność materiału, zabezpiecza materiał przed grafityzacją, przy zachowaniu wysokiej twardości, zwiększeniu jego wytrzymałości, odporności temperaturowej, mierzonej obniżeniem twardości i zwiększeniem udziału

PL 212 600 B1 fazy grafitowej po procesie wyżarzania w czasie pół godziny, w próżni w temperaturze 1470 K, w stosunku do tradycyjnych spieków diamentowych 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 zostać zastosowany zarówno jako monolityczna wkładka narzędzia skrawającego, końcówka nagniataka, 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 μηι oraz 30% masy proszku Ti3SiC2 o wielkości poniżej 2 μηι. Po wstępnym sprasowaniu kształtki o średnicy 15 mm i wysokości 5 mm umieszczano ją w specjalnych wkładach reakcyjnych do spiekania wysokociśnieniowego. Materiał spiekano w prasie z komorą Bridgmana stosując ciśnienie 8,0±0,5 GPa i temperatu₃ rę 1800±50°C. Otrzymano kompozyt o twardości HVI 44,42±4,32 GPa i gęstości pozornej 3,61 g/cm³. Moduł Younga tego materiału wynosił 567 MPa.

P r z y k ł a d 2.

Przygotowano mieszaninę 60% masy proszku diamentowego o wielkości 3-6 μm oraz 40% masy proszku Ti₃SiC₂, o wielkości poniżej 2 μm. 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 HVl ₃

39,16±5,44 GPa i gęstości pozornej 3,75 g/cm³.

Claims (2)

1. Kompozyt diamentowy składający się z mikroproszku diamentowego i niediamentowej fazy wiążącej, znamienny tym, że fazę wiążącą stanowi węglik tytanowo krzemowy Ti3SiC2 w ilości od 10% 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 lub submikroproszek węglika tytanowo krzemowego Ti3SiC2 w ilości od 10% do 40% masy, mieszaninę wyjściowa poddaje się spiekaniu wysokociśnieniowemu pod ciśnieniem od 7 do 9 GPa w temperaturze od 1970K do 2200K.