RU2058966C1

RU2058966C1 - Polycrystalline superhard material

Info

Publication number: RU2058966C1
Application number: RU93015124A
Authority: RU
Inventors: Эдуард Брониславович Ракицкий; Валерий Викторович Ничипор; Сергей Николаевич Малышев
Original assignee: Эдуард Брониславович Ракицкий; Валерий Викторович Ничипор; Сергей Николаевич Малышев
Priority date: 1993-03-23
Filing date: 1993-03-23
Publication date: 1996-04-27

Abstract

FIELD: inorganic chemistry. SUBSTANCE: polycrystalline superhard material is manufactured on the base of dense modifications of boron nitride. It contains additionally methastable hexagonal boron nitride having parameters of crystal lattice

Description

Изобретение относится к неорганической химии, а именно к технологии получения сверхтвердых материалов, и может быть использовано при изготовлении режущих элементов правящего, а также лезвийного инструмента для работы в условиях абразивного износа, ударных нагрузок и значительных усилий резания. The invention relates to inorganic chemistry, and in particular to technology for producing superhard materials, and can be used in the manufacture of cutting elements of the ruling, as well as a blade tool for working under conditions of abrasive wear, impact loads and significant cutting forces.

Наиболее близким техническим решением является поликристаллический материал на основе модификаций нитрида бора, получаемый прямым преобразованием пиролитического нитрида бора (ПНБ) при воздействии на него высокого давления и температуры. The closest technical solution is a polycrystalline material based on modifications of boron nitride, obtained by direct conversion of pyrolytic boron nitride (PNB) when exposed to high pressure and temperature.

Пиролитический нитрид бора представляет собой монолитные пластины белого цвета с турбостратной структурой плотность 1,9-2,2 г/см³ высокой чистоты 99,98%
Получаемые прямым преобразованием ПНБ поликристаллы кубического нитрида бора отличаются высокой микротвердостью и мелкозернистой структурой. В зависимости от температуры получения материала микротвердость поликристаллов изменяется от 4000 до 8000 кг/мм², причем с ростом температуры микротвердость падает, что связано с ростом зерен в поликристалле.Pyrolytic boron nitride is a monolithic white plate with a turbostratic structure, a density of 1.9-2.2 g / cm ³ high purity of 99.98%
Polycrystals of cubic boron nitride obtained by direct conversion of PNB are characterized by high microhardness and fine-grained structure. Depending on the temperature of obtaining the material, the microhardness of polycrystals varies from 4000 to 8000 kg / mm ² , and with increasing temperature, the microhardness decreases, which is associated with an increase in grains in the polycrystal.

Недостатком материала, принятого за прототип является высокая хрупкость его поликристаллов, что снижает эксплуатационные свойства инструмента, изготовленного из этого материала при работе в условиях воздействия ударных нагрузок, например, при прерывистом точении закаленных сталей, а также в условиях абразивного износа и больших усилий резания, например, при точении вольфрамо-кобальтовых твердых сплавов. The disadvantage of the material adopted for the prototype is the high fragility of its polycrystals, which reduces the operational properties of a tool made of this material when working under impact loads, for example, with intermittent turning of hardened steels, as well as under abrasive wear and high cutting forces, for example when turning tungsten-cobalt hard alloys.

Цель изобретения повышение эксплуатационных свойств материала при работе в условиях ударных нагрузок, а также в условиях абразивного износа и высоких усилий резания. The purpose of the invention is the improvement of the operational properties of the material when working under conditions of shock loads, as well as under conditions of abrasive wear and high cutting forces.

Цель достигается тем, что поликристаллический сверхтвердый материал, содержащий 95,0-99,5 мас. нитрида бора плотных модификаций и 0,5-5,0 мас. гексагонального нитрида бора, дополнительно содержит метастабильный гексагональный нитрид бора ГНБ-М с параметром кристаллической решетки

(6,1-6,35)

,

(2,49-2,5)

, при этом в качестве нитрида бора плотных модификаций он содержит кубический нитрид бора или вюрцитный нитрид бора (ВНБ), или их смесь при следующем соотношении: кубический нитрид бора 95,0-5,0 мас. вюрцитный нитрид бора 95,0-5,0 мас.The goal is achieved in that the polycrystalline superhard material containing 95.0-99.5 wt. boron nitride dense modifications and 0.5-5.0 wt. hexagonal boron nitride, additionally contains a metastable hexagonal boron nitride GNB-M with a crystal lattice parameter

(6.1-6.35)

,

(2.49-2.5)

, while as a boron nitride of dense modifications, it contains cubic boron nitride or wurtzit boron nitride (VNB), or a mixture thereof in the following ratio: cubic boron nitride 95.0-5.0 wt. wurtzite boron nitride 95.0-5.0 wt.

Сущность изобретения заключается в том, что поликристаллический сверхтвердый материал содержит плотные модификации нитрида бора и метастабильный гексагональный нитрид бора с параметром кристаллической решетки

(6,1-6,35)

,

(2,49-2,5)

.The essence of the invention lies in the fact that a polycrystalline superhard material contains dense modifications of boron nitride and metastable hexagonal boron nitride with a crystal lattice parameter

(6.1-6.35)

,

(2.49-2.5)

.

Наличие в поликристалле метастабильного гексагонального нитрида бора создает в нем микронапряжение, которые повышают микротвердость, трещиностойкость и стойкость материала к ударным нагрузкам. Получение таких поликристаллов осуществляется путем прямого фазового прекращения гексагонального нитрида бора в плотные модификации при воздействии высокого давления и высокой температуры в области стабильности плотных модификаций. Фазовый состав поликристаллов обеспечивается за счет выбора режимов (давление, температура, время) получения материала, а также за счет использования графитоподобного нитрида бора с заданной структурой. Проведенные исследования показали, что метастабильный ГНБ-М, присутствующий в поликристаллах представляет собой сильно сжатый гексагональный нитрид бора. The presence of metastable hexagonal boron nitride in the polycrystal creates microstress in it, which increase the microhardness, crack resistance, and shock resistance of the material. The preparation of such polycrystals is carried out by direct phase termination of hexagonal boron nitride into dense modifications under the influence of high pressure and high temperature in the region of stability of dense modifications. The phase composition of polycrystals is ensured by the choice of modes (pressure, temperature, time) of obtaining the material, as well as through the use of graphite-like boron nitride with a given structure. Studies have shown that the metastable GNB-M present in polycrystals is a highly compressed hexagonal boron nitride.

На фиг. 1 приведен фрагмент рентгенограммы поликристалла, содержащего, мас. КНБ 98; ГНБ-М 2; на фиг.2 фрагмент рентгенограммы поликристалла, содержащего, мас. КНБ 60; ВНБ 37; ГНБ 3. In FIG. 1 shows a fragment of a radiograph of a polycrystal containing, by weight. KNB 98; GNB-M 2; figure 2 a fragment of the x-ray polycrystal containing, by weight. CBN 60; VNB 37; HDD 3.

Из рентгенограммы (фиг.1) видно, что линия (002) ГНБ наблюдается под углом 2θ 29^о, в то время как в стабильном гексагональном нитриде бора эта линия наблюдается под углом 2θ 26,76^о. Образование метастабильного ГНБ-М происходит в процессе синтеза, когда в микропорах образующейся плотной фазы происходит снижение давления и выход плотных модификаций из области устойчивости при сохранении исходного ГНБ в сжатом состоянии за счет удержания внутреннего давления, после снятия внешнего, жесткой матрицей КНБ. Следует отметить, что смещение линии (002) ГНБ с увеличением содержания гексагонального нитрида бора уменьшается, и при содержании ГНБ более 5 мас. наблюдаются два отражения стабильного ГНБ 2 θ (002) 26,8^ои ГНБ-М 2θ (002) 28^о.From X-ray diffraction (Figure 1) shows that the line (002) HDD is observed at an angle 2.theta ^about 29, while in the stable hexagonal boron nitride, this line is observed at an angle of ^about 2θ 26,76. The formation of metastable GNB-M occurs during synthesis, when pressure decreases in the micropores of the resulting dense phase and dense modifications exit the stability region while maintaining the initial HDD in a compressed state due to the retention of internal pressure after removal of the external, rigid CSS. It should be noted that the shift of the (002) line of HDD with an increase in the content of hexagonal boron nitride decreases, and when the content of HDD is more than 5 wt. two reflections of stable GNB 2 θ (002) 26.8 ^о and GNB-M 2θ (002) 28 ^о are observed.

Расчет среднеквадратичных микронапряжений показал, что микронапряжения в поликристаллах имеют максимальное значение при содержании ГНБ-М в пределах 1-3 мас. а при значениях менее 0,5 мас. и более 5 мас. микронапряжения снижаются. The calculation of the root-mean-square microstresses showed that microstresses in polycrystals have a maximum value when the content of GNB-M is in the range of 1-3 wt. and at values less than 0.5 wt. and more than 5 wt. microstresses are reduced.

П р и м е р 1. Поликристаллический сверхтвердый материал, содержащий, мас. КНБ 98; ГНБ-М 2. PRI me R 1. Polycrystalline superhard material containing, by weight. KNB 98; GNB-M 2.

Для получения материала в качестве исходного используют ПНБ с турбостратной структурой. Плотность ПНБ 1,9 г/см³, чистота 99,98% Из пластины ПНБ вырезают заготовки в виде диска диаметром 7,2 мм, высотой 4 мм. Заготовки помещают в камеру высокого давления и высокой температуры, а затем подвергают давлению 75 кбар и температуры, максимальное значение которое и время выдержки выбирались из расчета обеспечения фазового состава материала. Для предотвращения диффузии примесей в объем заготовки реакционный объем камеры был изолирован металлической фольгой.To obtain the material, PNB with a turbostratic structure is used as the starting material. The density of the PNB is 1.9 g / cm ³ , the purity is 99.98%. Blanks in the form of a disk with a diameter of 7.2 mm and a height of 4 mm are cut from the PNB plate. The billets are placed in a high-pressure and high-temperature chamber, and then subjected to a pressure of 75 kbar and temperature, the maximum value of which and the holding time were selected from the calculation of the phase composition of the material. To prevent diffusion of impurities into the bulk of the workpiece, the reaction volume of the chamber was insulated with metal foil.

Полученные в результате термобарической обработки поликристаллы шлифуют по плоскостям и образующей цилиндра и проводят исследования физических свойств. Фазовый состав определяют рентгеновским анализом на дифрактометре ДРОН-3 в CuKα -излучении. The polycrystals obtained as a result of thermobaric treatment are polished along the planes and the cylinder generatrix and physical properties are studied. The phase composition is determined by x-ray analysis on a DRON-3 diffractometer in CuKα radiation.

Как видно из рентгенограммы (фиг.1), линия (002) ГНБ наблюдается под углом 2 θ 29^о.As can be seen from the x-ray (figure 1), the line (002) of the HDD is observed at an angle of 2 θ 29 ^about .

Исследования эксплуатационных свойств материала осуществляют при обработке деталей из высокообразных материалов: твердого сплава марки ВК6-ОМ и силицированного графита марки СГ-П, обработка которых лезвийным инструментом из известных сверхтвердых материалов на основе КНБ и алмаза ранее считалась неэффективной из-за низкой (5-10 мин) стойкости инструмента. Средняя стойкость инструмента, оснащенного новым сверхтвердым материалом, по критерию его радиального износа на величину 0,2 мм составляет 60 мин при обработке сплава ВК6-ОМ и 120 мин графита СГ-П при скоростях резания соответственно 12 м/мин и 50 м/мин. Studies of the operational properties of the material are carried out in the processing of parts from highly like materials: VK6-OM grade hard alloy and SG-P grade silicified graphite, the processing of which with a blade tool from known superhard materials based on CBN and diamond was previously considered ineffective due to low (5-10 min) tool life. The average resistance of a tool equipped with a new superhard material, according to the criterion of its radial wear by 0.2 mm, is 60 minutes when machining VK6-OM alloy and 120 minutes of SG-P graphite at cutting speeds of 12 m / min and 50 m / min, respectively.

П р и м е р 2. В отличие от материала в примере 1 поликристаллический сверхтвердый материал содержит, мас. КНБ 60; ВНБ 37; ГНБ-М 3. Для получения такого материала используют в качестве исходного материала высокотекстурированный трехмерноупорядоченный ПНБ, содержащий, мас. гексагональный нитрид бора 60; ромбоэдрический нитрид бора 40. PRI me R 2. In contrast to the material in example 1, polycrystalline superhard material contains, by weight. CBN 60; VNB 37; GNB-M 3. To obtain such a material, a highly textured three-dimensionally ordered PNB containing, by weight, is used as starting material. hexagonal boron nitride 60; rhombohedral boron nitride 40.

Как видно из рентгенограммы (фиг.2), образец содержит КНБ, ВНБ, ГНБ-М. As can be seen from the x-ray (figure 2), the sample contains CBN, VNB, GNB-M.

Результаты сравнительных испытаний стойкости материала (примеры 1-7) приведены в таблице из которой следует, что предлагаемый материал превосходит по эксплуатационным свойствам известные материалы. The results of comparative tests of the resistance of the material (examples 1-7) are shown in the table from which it follows that the proposed material is superior in performance properties to known materials.

Claims

1. POLYCRYSTALLINE SUPERHARD MATERIAL, containing 95 99.5 wt. boron nitride of dense modifications and 0.5 to 5 wt. hexagonal boron nitride, characterized in that it contains a metastable hexagonal boron nitride with crystal lattice parameters

2. The material according to claim 1, characterized in that it contains cubic boron nitride as boron nitride of dense modifications.

3. The material according to p. 1, characterized in that as boron nitride of dense modifications it contains a mixture of cubic boron nitride and wurtzite boron nitride in the following ratio, wt.

Cubic boron nitride 5 95
Wurzite boron nitride 5 95