RU2412111C1 - Способ получения поликристаллического кубического нитрида бора - Google Patents
Способ получения поликристаллического кубического нитрида бора Download PDFInfo
- Publication number
- RU2412111C1 RU2412111C1 RU2009127036/05A RU2009127036A RU2412111C1 RU 2412111 C1 RU2412111 C1 RU 2412111C1 RU 2009127036/05 A RU2009127036/05 A RU 2009127036/05A RU 2009127036 A RU2009127036 A RU 2009127036A RU 2412111 C1 RU2412111 C1 RU 2412111C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- boron nitride
- wurtzite
- cubic
- temperature
- mixture
- Prior art date
Links
Landscapes
- Cutting Tools, Boring Holders, And Turrets (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области получения синтетических сверхтвердых материалов, в частности поликристаллического кубического нитрида бора, в условиях высоких давлений и температур для использования в химической, инструментальной, электронной и ряде других отраслей промышленности. Способ заключается в том, что готовят смесь вюрцитоподобной и кубической модификаций в соотношении от 1:4 до 2:1 соответственно, обрабатывают ее в планетарной мельнице для механоактивации и измельчения частиц до размеров, не превышающих 1 мкм, формуют и спекают смесь при температуре 1400-1800°С и давлении 7,0-9,0 ГПа, выдерживая при температуре спекания в течение времени, определяемого условиями перехода вюрцитоподобной модификации нитрида бора в кубическую без рекристаллизации, равного 5-30 с. Точное время выдержки смеси при заданных температуре и давлении определяют из условия сохранения от 5 до 15% вюрцитоподобного нитрида бора от его количества в исходной смеси. Изобретение позволяет снизить значения параметров синтеза (температуры, давления и продолжительности) и повысить комплекс физико-механических и эксплуатационных характеристик за счет получения из плотных форм нитрида бора сверхтвердых наноструктурированных компактов с субмикронной матрицей. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.
Description
1. Область техники
Изобретение относится к области получения синтетических сверхтвердых материалов, в частности поликристаллического кубического нитрида бора, в условиях высоких давлений и температур для использования в химической, инструментальной и ряде других отраслей промышленности.
2. Уровень техники
Известен способ получения поликристаллического компакта из кубического нитрида бора путем бескатализаторного превращения пиролитического нитрида бора в области стабильности алмазоподобных фаз. Различные варианты этого способа запатентованы, например, в США (4,188,194, класс B01J 3/06, приоритет 1980 г.) и России (RU №2058966, кл. С04В 35/583, 1988 г.).
Недостатками этого способа являются очень высокие параметры проведения процесса (давление до 10 ГПа и температура до 2000°С), дороговизна исходного материала и сложность настройки параметров синтеза в массовом производстве из-за сильных различий в структуре пиролитического нитрида бора в различных партиях сырья.
Известен способ получения вюрцитоподобного нитрида бора (RU №2026810, класс С01В 21/064, 1990 г.), включающий приготовление смеси из графитоподобного нитрида бора и неорганической добавки, загрузку смеси в ампулу сохранения, размещение ампулы в объеме твердого взрывчатого вещества и воздействие на указанную смесь ударными волнами, генерируемыми детонацией взрывчатого вещества, где в качестве неорганической добавки используют кристаллогидраты галогенидов металлов, включающих марганец, щелочноземельные металлы в количестве 10-30 мас.%, а в качестве взрывчатого вещества используют, мас.%: коллоксилин - 54,4-59; нитроглицерин - 25,0-36,0; динитротолуол - 1,5-9,1; инертную добавку - 6,4-9,9.
Недостатком известного способа является низкий выход целевого продукта из-за недостаточной сохраняемости ампул.
Наиболее близким аналогом заявленного предложения, принятым в качестве прототипа, является способ получения поликристаллического кубического нитрида бора (авт. свид. СССР 411721, кл. С01В 21/06, приоритет 1971 г.). Способ заключается в воздействии высоких давлений (9-12 ГПа) и температур (1700-1800°С) на вюрцитоподобный нитрид бора (ВНБ) или его смесь 1:1 с кубическим нитридом бора (КНБ).
Недостатками прототипа являются очень высокие параметры спекания по давлению и температуре, а также малые размеры частиц конечного продукта. Такие параметры необходимы, поскольку после синтеза в ударных волнах частицы ВНБ имеют форму пластин толщиной до одного микрометра и размерами до десятков микрометров. Из-за такой формы частиц затрудняются процессы их уплотнения при спекании под давлением. Поэтому для получения беспористого компакта требуются значительные времена выдержки, а конечный продукт имеет микронные размеры частиц.
3. Раскрытие изобретения
Задачей предлагаемого технического решения является преодоление указанных недостатков, а именно - снижение параметров синтеза (температуры, давления и продолжительности), повышение комплекса физико-механических и эксплуатационных характеристик за счет получения из плотных форм нитрида бора сверхтвердых наноструктурированных компактов с субмикронной матрицей.
Решение указанной задачи обеспечивается тем, что в способе получения поликристаллического кубического нитрида бора смеси вюрцитоподобной и кубической модификаций предварительно подвергают обработке в планетарных мельницах для механоактивации и дробления частиц до размеров, соответствующих наноструктуре материала с высокой износостойкостью и лезвийностью. Затем смеси формуют и спекают, выдерживая в условиях высоких давлений и температур заданное время, определяемое условиями перехода вюрцитоподобной формы нитрида бора в кубическую без рекристаллизации.
Смеси вюрцитоподобной и кубической модификаций готовят в соотношении от 1:4 до 2:1 соответственно.
Смеси вюрцитоподобной и кубической модификаций измельчают до размеров частиц, не превышающих 1 мкм.
Параметры давления смеси выбирают из диапазона 7,0-9,0 ГПа.
Температуру спекания смеси выбирают из диапазона 1400-1800°С.
Время выдержки при температуре спекания выбирают из диапазона 5-30 секунд. Точное время выдержки смеси при заданных температуре и давлении определяют из условия сохранения в компакте от 5 до 15% вюрцитоподобной фазы от ее количества в смеси.
4. Осуществление изобретения
Заявляемый способ получения поликристаллического кубического нитрида бора из смеси вюрцитоподобной и кубической модификаций обеспечивают с помощью следующих основных операций:
- дробят частицы вюрцитоподобной и кубической модификаций нитрида бора в планетарных мельницах для механоактивации до размеров, соответствующих наноструктурному состоянию конечного материала с высокой износостойкостью и лезвийностью. При этом смеси вюрцитоподобной и кубической модификаций готовят в соотношении от 1:4 до 2:1 соответственно, измельчая их до размеров частиц, не превышающих 1 мкм;
- смеси формуют и спекают в условиях высоких давлений и температур, выдерживая заданное время, определяемое условиями частичного перехода вюрцитоподобной формы нитрида бора в кубическую без рекристаллизации.
Термобарические параметры спекания смеси выбирают из диапазонов по давлению от 7,0 до 9,0 ГПа, по температуре от 1400 до 1800°С.
Время выдержки при температуре спекания выбирают в зависимости от конкретных параметров смеси из диапазона 5-30 секунд для сохранения от 5 до 25% вюрцитоподобной фазы от ее количества в исходной смеси. Совокупность выбранных термобарических параметров спекания и времени выдержки обеспечивает получение полноплотного материала без рекристаллизации частиц нитрида бора.
Предлагаемые границы по составу смесей определяются тем, что вюрцитоподобная фаза активирует процесс уплотнения и спекания, а кубическая фаза играет роль упрочнителя. При содержании в смеси менее 25% вюрцитоподобной фазы уплотнение при спекании идет неоднородно, образуется закрытая пористость, снижающая прочность компактов. При содержании в смеси менее 30% кубической фазы снижается эффект упрочнения компакта и облегчается собирательная рекристаллизация вюрцитоподобной фазы.
Использование для получения компактов давлений выше 9,0 ГПа нецелесообразно экономически, поскольку это ведет к быстрому разрушению твердосплавной оснастки, а при давлениях ниже 7,0 ГПа получается материал с низкими эксплуатационными характеристиками, вследствие частичного перехода плотных форм нитрида бора в гексагональную фазу.
При температурах ниже 1400°С невозможно получение беспористого материала, а при температурах выше 1800°С уровень свойств компактов также снижается из-за частичного перехода плотных форм нитрида бора в гексагональную фазу.
Максимальные размеры частиц кубической фазы в исходном порошке не должны превышать пять микрометров. При использовании более крупных фракций требуются интенсивные режимы и большое время энергоемкого размола в планетарных мельницах, что приводит к увеличению затрат при изготовлении смесей, значимому повышению количества металлических примесей в смесях и снижению комплекса физико-механических свойств компактов.
Для анализа физико-механических характеристик синтезированные компакты из поликристаллического кубического нитрида бора шлифовали по торцам и образующей цилиндра. Одну торцевую поверхность полировали для измерения твердости. Плотность компактов определяли методом гидростатического взвешивания, твердость - методом Виккерса при нагрузке 100 Н. Модуль Юнга рассчитывали на основе результатов измерения скорости распространения ультразвуковых волн в образцах.
Сравнительные испытания для определения режущих свойств компактов проводили при непрерывном и прерывистом точении стали ХВГ с твердостью 62 HRC. В качестве критерия износа принимали ширину фаски износа по задней поверхности 0,2 мм. Режущие элементы имели одинаковые геометрические параметры с радиусом при вершине 0,7 мм. Обрабатывались цилиндрические образцы стали диаметром 80 мм и длиной 300 мм (для прерывистого точения с одним прямоугольным пазом шириной 5 мм) при глубине резания 0,2 мм и продольной подаче 0,03 мм/об. Величину износа режущих элементов определяли с помощью инструментального микроскопа после каждого прохода.
Средние значения результатов испытаний компактов из поликристаллического кубического нитрида бора по трем образцам сопоставлены с образцами прототипа и аналога и приведены в таблице.
Реализация заявленного предложения иллюстрируется примерами.
5. Примеры реализации способа
Пример 1
Навески порошков вюрцитоподобного (15 г) и кубического (5 г) нитрида бора зернистостью 3/2 мкм предварительно перемешиваются и обрабатываются в планетарной мельнице в течение 30 минут. Полученная механоактивированная смесь гранулируется и формуется в металлической пресс-форме в виде таблетки диаметром 5 мм и высотой 4 мм. Таблетка укладывается в графитовый стакан с крышкой, который помещается в контейнер из литографского камня и подвергается термобарической обработке в камере высокого давления при 7,5 ГПа и 1650°С с выдержкой при этой температуре в течение 10 секунд. Фазовый состав спеченных компактов составляет: ВНБ - 25-30%, КНБ - 70-75%, а максимальный размер частиц - 0,7-0,9 мкм.
Пример 2
Навески порошков вюрцитоподобного (10 г) и кубического (10 г) нитрида бора зернистостью 2/0 мкм предварительно перемешиваются и обрабатываются в планетарной мельнице в течение 15 минут. Полученная механоактивированная смесь гранулируется и формуется в металлической пресс-форме в виде таблетки диаметром 5 мм и высотой 4 мм. Таблетка помещается в графитовый стакан с крышкой, который подвергается термобарической обработке при давлении 8,5 ГПа и температуре 1750°С с выдержкой при этой температуре в течение 7 секунд. Фазовый состав спеченного компакта составляет: ВНБ - 7-9%, КНБ - 91-93% при максимальных размерах частиц кубического нитрида бора 0,4-0,6 мкм.
Пример 3
Навески порошков вюрцитоподобного (8 г) и кубического (12 г) нитрида бора зернистостью 1/0 мкм предварительно перемешиваются и обрабатываются в планетарной мельнице в течение 10 минут. Полученная механоактивированная смесь гранулируется и формуется в металлической пресс-форме в виде таблетки диаметром 5 мм и высотой 4 мм. Таблетка помещается в графитовый стакан с крышкой, который подвергается термобарической обработке при давлении 7,0 ГПа и температуре 1500°С с выдержкой при этой температуре в течение 25 секунд. Фазовый состав спеченного компакта составляет: ВНБ - 3-5%, КНБ - 95-97%, а максимальных размер частиц в нем - 0,5-0,7 мкм.
Пример 4
Навески порошков вюрцитоподобного (4 г) и кубического (18 г) нитрида бора зернистостью 1/0 мкм предварительно перемешиваются и обрабатываются в планетарной мельнице в течение 15 минут. Полученная смесь гранулируется и формуется в металлической пресс-форме в виде таблетки диаметром 5 мм и высотой 4 мм. Таблетка помещается в графитовый стакан с крышкой, который подвергается термобарической обработке при давлении 8,0 ГПа и температуре 1800°С с выдержкой при этой температуре в течение 40 секунд. Фазовый состав спеченного компакта составляет: КНБ - 100%. В образце наблюдалась остаточная пористость при максимальных размерах однородно рекристаллизованных частиц от 1,5 до 1,8 мкм.
Пример 5
Навеска порошка вюрцитоподобного (20 г) нитрида бора обрабатывается в планетарной мельнице в течение 10 минут. После механоактивации порошок гранулируется и формуется в металлической пресс-форме в виде таблетки диаметром 5 мм и высотой 4 мм. Таблетка помещается в графитовый стакан с крышкой, который подвергается термобарической обработке при давлении 7,5 ГПа и температуре 1700°С с выдержкой при этой температуре в течение 15 секунд. Фазовый состав спеченного компакта составляет: ВНБ - 16-21%, КНБ - 79-84%, максимальный размер частиц в зонах локальной рекристаллизации 2,5-2,9 мкм.
6. Технические результаты
Полученные сверхтвердые наноструктурированные компакты из алмазоподобных форм нитрида бора имеют микротвердость до 50 ГПа и модуль упругости около 750 ГПа, что превышает уровень большинства известных промышленных алмазных композитов. В то же время из сверхтвердых материалов только компакты из нитрида бора могут использоваться при обработке закаленных сталей и сплавов на основе железа, а за счет своей ультрамелкой структуры они окажутся вне конкуренции по уровню эксплуатационных характеристик (лезвийность инструмента, чистота обрабатываемой поверхности и т.д.). Их использование в промышленном производстве и замена твердого сплава позволят:
- повысить производительность обработки труднообрабатываемых (высокопрочных, жаропрочных, тугоплавких, коррозионно-стойких и др.) сталей и сплавов более чем в 10 раз;
- увеличить износостойкость нового инструмента при обработке высокопрочных материалов в 6-8 раз;
- повысить точность обработки до 0,5 мкм и чистоты поверхности до Ra 0,1 мкм без последующих шлифовально-доводочных операций;
- провести импортозамещение дорогостоящего инструмента для современного высокоскоростного и высокопроизводительного оборудования при техническом перевооружении предприятий.
Claims (2)
1. Способ получения поликристаллического кубического нитрида бора, заключающийся в том, что готовят смесь вюрцитоподобной и кубической модификаций в соотношении от 1:4 до 2:1, соответственно, обрабатывают ее в планетарной мельнице для механоактивации и измельчения частиц до размеров, не превышающих 1 мкм, формуют и спекают смесь при температуре 1400-1800°С и давлении 7,0-9,0 ГПа, выдерживая при температуре спекания в течение времени, определяемом условиями перехода вюрцитоподобной модификации нитрида бора в кубическую без рекристаллизации, равного 5-30 с.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что точное время выдержки смеси при заданных температуре и давлении определяют из условия сохранения от 5 до 15% вюрцитоподобного нитрида бора от его количества в исходной смеси.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009127036/05A RU2412111C1 (ru) | 2009-07-16 | 2009-07-16 | Способ получения поликристаллического кубического нитрида бора |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009127036/05A RU2412111C1 (ru) | 2009-07-16 | 2009-07-16 | Способ получения поликристаллического кубического нитрида бора |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2412111C1 true RU2412111C1 (ru) | 2011-02-20 |
Family
ID=46310028
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2009127036/05A RU2412111C1 (ru) | 2009-07-16 | 2009-07-16 | Способ получения поликристаллического кубического нитрида бора |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2412111C1 (ru) |
-
2009
- 2009-07-16 RU RU2009127036/05A patent/RU2412111C1/ru not_active IP Right Cessation
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US3894850A (en) | Superhard composition material based on cubic boron nitride and a method for preparing same | |
US20110020163A1 (en) | Super-Hard Enhanced Hard Metals | |
JPH06506502A (ja) | セメンテッドカーバイド物品の製造方法 | |
US20170304995A1 (en) | Method of making polycrystalline diamond material | |
CN104245626A (zh) | 烧结的立方氮化硼切削工具 | |
US20110283629A1 (en) | High Strength Diamond-SiC Compacts and Method of Making Same | |
Slipchenko et al. | Investigation of the mechanical properties and cutting performance of cBN-based cutting tools with Cr3C2 binder phase. | |
CN104926315A (zh) | 一种纳米金刚石/立方氮化硼块体及其制备方法 | |
RU2412111C1 (ru) | Способ получения поликристаллического кубического нитрида бора | |
US20150033637A1 (en) | Polycrystalline superhard material and method of forming | |
TWI632024B (zh) | 在硏磨期間具有微破裂特徵之單晶cbn | |
KR100700197B1 (ko) | 탈황용 코발트 성분을 함유하는 촉매 스크랩을 재활용하여코발트 함유된 소결 합금 제조 방법 | |
RU2533225C2 (ru) | Способ изготовления наноструктурированного сплава на основе модифицированного карбида вольфрама | |
RU2414991C1 (ru) | Способ получения керамических изделий с наноразмерной структурой | |
RU2062644C1 (ru) | Способ получения сверхтвердого компактного материала | |
Kolmakov et al. | Structure, properties, and applications of ceramic composite produced of nanostructured powders of composition ZrO 2+ 3% Y 2 O 3 | |
RU2687355C1 (ru) | Способ получения твердых сплавов с округлыми зернами карбида вольфрама для породоразрушающего инструмента | |
Ratov et al. | Phase formation and physicomechanical properties of WC–Co–CrB2 composites sintered by vacuum hot pressing for drill tools | |
Vorozhtsov et al. | The physical-mechanical properties of aluminum nanocomposites produced by high energy explosion impact | |
KR101606595B1 (ko) | 복합 다이아몬드 보디의 제조 방법 | |
RU2157335C2 (ru) | Способ получения поликристаллического кубического нитрида бора | |
Afuza et al. | Analysis of particles size distribution on the agglomeration and shrinkage of alumina-zirconia compacts | |
RU2238240C2 (ru) | Способ получения композиционного материала | |
RU2258101C2 (ru) | Способ изготовления поликристаллического сверхтвердого материала | |
Deng et al. | The Effects of Diamond Grit Characteristics on the Microstructure and Abrasion Resistance of PCDs Sintered by HPHT |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20110717 |