RU2491987C2 - Method of producing superhard composite material - Google Patents

Method of producing superhard composite material Download PDF

Info

Publication number
RU2491987C2
RU2491987C2 RU2011146655/05A RU2011146655A RU2491987C2 RU 2491987 C2 RU2491987 C2 RU 2491987C2 RU 2011146655/05 A RU2011146655/05 A RU 2011146655/05A RU 2011146655 A RU2011146655 A RU 2011146655A RU 2491987 C2 RU2491987 C2 RU 2491987C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
carbon
gpa
alloy
pressure
superhard
Prior art date
Application number
RU2011146655/05A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2011146655A (en
Inventor
Владимир Давыдович Бланк
Геннадий Александрович Дубицкий
Рустэм Хамитович Баграмов
Надежда Рувимовна Серебряная
Илья Владимирович Пахомов
Валентин Александрович Горбачев
Original Assignee
ЗАО Петровский научный центр "ФУГАС"
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" (ФГБНУ ТИСНУМ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ЗАО Петровский научный центр "ФУГАС", Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" (ФГБНУ ТИСНУМ) filed Critical ЗАО Петровский научный центр "ФУГАС"
Priority to RU2011146655/05A priority Critical patent/RU2491987C2/en
Publication of RU2011146655A publication Critical patent/RU2011146655A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2491987C2 publication Critical patent/RU2491987C2/en

Links

Landscapes

  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)

Abstract

FIELD: process engineering.
SUBSTANCE: invention relates to production of carbon-based superhard composite to be used for making tools for mining, stone-working and metal working. Proposed method comprises applying high pressure and temperature to initial carbon component, a diamond, and binder. Note here that said carbon component comprises additionally fullerene and/or nanodiamond while said binder represents one or several components selected from the family including silicon bronze alloy, Monel metal, solid alloy. Superhard material is produced in two steps. At first step, the mix of initial components is subjected to dynamic pressure of 10-50 GPa at 900-2000°C. At second step, obtained material is placed in high-pressure vessel and subjected to static pressure of 5-15 GPa and heated to 700-1700°C for at least 20 seconds.
EFFECT: superhard micro hardness, high modulus of elasticity and higher wear resistance.
4 cl, 1 tbl, 2 ex

Description

Изобретение относится к получению композиционного материала, а именно к способу получения сверхтвердого композиционного материала на основе углерода, который может быть использован для изготовления инструментов для горнодобывающей, камнеобрабатывающей и металлообрабатывающей промышленности.The invention relates to the production of composite material, and in particular to a method for producing a superhard composite material based on carbon, which can be used for the manufacture of tools for the mining, stone processing and metal processing industries.

В настоящее время большинство ведущих фирм развитых стран перешли на оснащение породоразрушающего и металлообрабатывающего инструмента синтетическими алмазами, вместо природных алмазов. Большое внимание уделяется созданию новых композиционных материалов, как на основе известных, так и на основе относительно недавно открытых новых модификациях углерода с другими элементам.Currently, most of the leading firms in developed countries have switched to equipping rock cutting and metalworking tools with synthetic diamonds instead of natural diamonds. Much attention is paid to the creation of new composite materials, both based on well-known and on the basis of relatively recently discovered new modifications of carbon with other elements.

Известен патент РФ №2329947, МПК: С01В 31/6, С04В 35/52, приоритет от 24.10.2006 г.. «Способ получения сверхтвердого поликристаллического материала». Исходные компоненты: алмазные порошки, в том числе детонационный алмаз; материал для пропитки - кремний. Слои алмазного порошка и материала пропитки, находящиеся в контакте, располагают послойно на шихте. Слой алмазного порошка разделяют на два слоя. В одном из слоев, который контактирует с материалом пропитки, используют алмазный порошок алмаза с размерами частиц от 20/14 до 2/1 мкм, дополнительно в него вводят детонационный алмазный порошок с размерами частиц в диапазоне от 1 до 100 нанометров. Во втором слое, контактирующим с первым, используют алмазный порошок с размерами частиц в диапазоне от 40/28 до 28/20 мкм, причем высота этого слоя по отношению к первому составляет от 2:1 до 3:1. В качестве материала пропитки используют кремний или материалы его содержащие, например смесь порошков кремния, чешуйчатого графита и детонационного алмаза. На заготовку воздействуют давлением 3-8 ГПа, температурой 1200-2000°C, в течение 40-120 секунд. Полученный материал может быть использован для изготовления режущего инструмента.Known RF patent №2329947, IPC: СВВ 31/6, С04В 35/52, priority dated 10.24.2006, “Method for producing superhard polycrystalline material”. Initial components: diamond powders, including detonation diamond; the material for impregnation is silicon. The layers of diamond powder and impregnation material in contact are placed layer by layer on the charge. The layer of diamond powder is divided into two layers. In one of the layers, which is in contact with the impregnation material, diamond powder of diamond with particle sizes from 20/14 to 2/1 microns is used, and detonation diamond powder with particle sizes in the range from 1 to 100 nanometers is additionally introduced into it. In the second layer in contact with the first, diamond powder is used with particle sizes in the range from 40/28 to 28/20 μm, the height of this layer relative to the first being from 2: 1 to 3: 1. Silicon or materials containing it, for example, a mixture of silicon powders, flake graphite and detonation diamond, are used as the impregnation material. The workpiece is affected by a pressure of 3-8 GPa, a temperature of 1200-2000 ° C, for 40-120 seconds. The resulting material can be used to make a cutting tool.

Недостатками предложенного способа являются:The disadvantages of the proposed method are:

- нестабильность свойств по всему объему образцов;- instability of properties throughout the volume of samples;

- затруднена инфильтрация связующего компонента в заготовки из наноалмазов.- difficult to infiltrate the binder component in the workpiece from nanodiamonds.

Известен способ получения новых сверхтвердых материалов из фуллерена С-60 в соответствии с патентом РФ №2127225; С01В 31/06, приоритет от 11.10.1996 «Сверхтвердый углеродный материал, способ его получения и изделие, выполненное из углеродного материала».A known method of producing new superhard materials from fullerene S-60 in accordance with the patent of the Russian Federation No. 2127225; СВВ 31/06, priority from 10/11/1996 "Superhard carbon material, method for its preparation and product made from carbon material."

В качестве исходного углеродного материала используют аллотропную форму углерода - фуллерен С-60. На фуллерен С-60 воздействуют квазигидростатическим давлением 7.5-37 ГПа и температурой, выбранной в интервале 20-1830°C с выдержкой не менее одной секунды, в аппаратах высокого давления: типа «тороид», типа наковален Бриджмена и др. При воздействии на исходный фуллерен давления и температуры происходит полимеризация молекул или фрагментов молекул фуллерена. В зависимости от используемых аппаратов получают продукт в виде пленок (в наковальнях Бриджмена) или в виде объемных образцов, используя другие виды аппаратов. Компактные образцы материала имеют высокие механические и электрофизические свойства. Например, индентерами из полимеризованного фуллерена можно наносить царапины на гранях монокристаллов алмаза. При этом по данным рентгеновского анализа, структура полученного целевого продукта отличается от структуры алмаза и зависит от значений параметров при термобарической обработке исходного материала. Способ позволяет перед полимеризацией из исходного фуллерена формовать заготовку изделия, имеющую заданную форму.An allotropic form of carbon — fullerene C-60 — is used as the starting carbon material. The C-60 fullerene is exposed to a quasi-hydrostatic pressure of 7.5-37 GPa and a temperature selected in the range of 20-1830 ° C with a holding time of at least one second in high-pressure apparatuses: toroid type, Bridgman type anvil, etc. When exposed to the original fullerene pressure and temperature polymerization of molecules or fragments of fullerene molecules occurs. Depending on the apparatus used, the product is obtained in the form of films (in Bridgman anvils) or in the form of bulk samples using other types of apparatus. Compact material samples have high mechanical and electrophysical properties. For example, polymerized fullerene indenters can scratch the faces of diamond single crystals. Moreover, according to x-ray analysis, the structure of the obtained target product differs from the structure of diamond and depends on the parameter values during thermobaric processing of the starting material. The method allows, prior to polymerization, to form a product blank having a predetermined shape from the starting fullerene.

Несмотря на высокие механические свойства новых сверхтвердых материалов, полученных из фуллерена при его полимеризации в условиях высоких давлений и температур, применение этих материалов в инструментах затруднено из-за низкой теплопроводности.Despite the high mechanical properties of new superhard materials obtained from fullerene during its polymerization under conditions of high pressures and temperatures, the use of these materials in tools is difficult due to the low thermal conductivity.

Предложен способ получения сверхтвердых частиц из фуллерена С-60 и значительное увеличение износостойкости материала на основе железа в патенте РФ №2123473, с приоритетом от 07.05.1998 г., МПК С01В 31/06, С22С 26/00, «Способ получения сверхтвердых углеродных частиц и износостойкий материал, объемносодержащий эти частицы».A method for producing superhard particles from C-60 fullerene and a significant increase in the wear resistance of an iron-based material in the RF patent No. 21343473, with a priority of 05/07/1998, IPC СВВ 31/06, С22С 26/00, "Method for producing superhard carbon particles and wear-resistant bulk material containing these particles. "

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению сверхтвердых углеродных частиц в объеме железоуглеродистых сплавов, используемых для изделий, работающих в условиях износа. Предложен способ получения сверхтвердых углеродных частиц размерами до 0,5 мм, заключающийся в прессовании смеси порошков железа и фуллеритов, синтезе сверхтвердых углеродных частиц при высоких давлениях и температурах и последующем извлечением этих частиц, отличающийся тем, что изостатическое прессование проводят при низком давлении 2,5-4,5 ГПа и температурах 1000-1200°C. Изобретение также включает износостойкий материал, содержащий железо или углеродистую сталь и сверхтвердые углеродные частицы размером до 0,5 мм и в количестве до 20%. Технический результат изобретения заключается в увеличении размера и количества сверхтвердых частиц в объеме железоуглеродистых сплавов и в получении материала, износостойкость, которого превосходит износостойкость известных сплавов Х12М и стеллита.The invention relates to powder metallurgy, in particular to the production of superhard carbon particles in the volume of iron-carbon alloys used for products operating under wear conditions. A method for producing superhard carbon particles up to 0.5 mm in size is proposed, which consists in pressing a mixture of iron and fullerite powders, synthesizing superhard carbon particles at high pressures and temperatures, and then extracting these particles, characterized in that the isostatic pressing is carried out at a low pressure of 2.5 -4.5 GPa and temperatures of 1000-1200 ° C. The invention also includes a wear-resistant material containing iron or carbon steel and superhard carbon particles up to 0.5 mm in size and in an amount of up to 20%. The technical result of the invention is to increase the size and quantity of superhard particles in the volume of iron-carbon alloys and to obtain a material with a wear resistance that exceeds that of the known X12M and stellite alloys.

Недостатком является ограниченное применение материала в инструментах, предназначенных для породоразрушающих работ.The disadvantage is the limited use of the material in tools designed for rock cutting.

Известен алмаз - углеродный материал и способ его получения (пат. №2359902, с приоритетом от 30.12.2005 г. МПК. С01В 31/06, В82В 3/00) согласно этому изобретению алмаз -углеродный материал содержит углерод, водород, азот и кислород, причем материал содержит углерод в виде алмазной кубической модификации и в рентгеноаморфной фазе в соотношении (40-80)/(60-20) по массе углерода соответственно, и при этом содержащий, мас.%:Known diamond is a carbon material and a method for its production (US Pat. No. 2359902, with priority from 12/30/2005 IPC. C01B 31/06, B82B 3/00) according to this invention, the diamond-carbon material contains carbon, hydrogen, nitrogen and oxygen moreover, the material contains carbon in the form of a diamond cubic modification and in the X-ray amorphous phase in the ratio (40-80) / (60-20) by weight of carbon, respectively, and while containing, wt.%:

углеродcarbon 89,1-95,289.1-95.2 водородhydrogen 1,2-5,01.2-5.0 азотnitrogen 2,1-4,82.1-4.8 кислородoxygen 0,1-4,70.1-4.7 несгораемые примесиfireproof impurities 1,4-4,81.4-4.8

Способ для получения этого материала включает детонацию углеродсодержащего взрывчатого вещество с отрицательным кислородным балансом в замкнутом объеме газовой среды, инертной к углероду, в окружении конденсированной фазы, содержащей восстановитель при количественном соотношении массы восстановителя в конденсированной фазе к массе используемого углеродсодержащего взрывчатого вещества не менее 0,01:1. В качестве восстановителя используют неорганическое или органическое соединение, обладающее восстановительными свойствами, предпочтительно не содержащее атомов кислорода и галогенов. Для определения элементарного состава алмаз-углеродного материала, материал подвергают выдержке при температуре 120-140°C под вакуумом 0,01-10,0 Па в течении 3-5 ч. и последующую его обработку при температуре 1050-1200°C потоком кислорода со скоростью, обеспечивающей его сжигание в течении 40-50 с.A method for producing this material involves detonation of a carbon-containing explosive with a negative oxygen balance in a closed volume of a gas medium inert to carbon surrounded by a condensed phase containing a reducing agent with a quantitative ratio of the mass of the reducing agent in the condensed phase to the mass of the used carbon-containing explosive not less than 0.01 :one. An inorganic or organic compound having reducing properties, preferably containing no oxygen atoms and halogens, is used as a reducing agent. To determine the elemental composition of diamond-carbon material, the material is subjected to exposure at a temperature of 120-140 ° C under a vacuum of 0.01-10.0 Pa for 3-5 hours and its subsequent processing at a temperature of 1050-1200 ° C with an oxygen stream speed, providing its burning within 40-50 s.

Материал может быть использован при изготовлении полировально-финишных композиций, пленочных покрытий, радиационно стойких материалов.The material can be used in the manufacture of polishing and finishing compositions, film coatings, radiation-resistant materials.

Недостатком предполагаемого технического решения является ограниченное его применение.The disadvantage of the proposed technical solution is its limited use.

Наиболее близким техническим решением является способ изготовления спеченного алмазного изделия с высокой износостойкостью и высокой прочностью (пат. Р.Ф. №2347744 с приоритетом от 26.07.2005 г. МПК. С01B 31/06, C04B 35/52 «Спеченное алмазное изделие с высокой прочностью и высокой износостойкостью и способ его изготовления»). Согласно этому техническому решению спеченное алмазное изделие, содержит спеченные частицы алмаза, имеющие средний размер частиц, самое большее 2 мкм и фазу связующего вещества, в качестве оставшейся части, в котором содержание указанных спеченных частиц в указанном спеченном алмазном изделии составляет, по меньше мере, 80 об.% и самое большее 98 об.%. Связующее вещество содержит, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, состоящей из титана, циркония, гафния, ванадия, ниобия, тантала, хрома и молибдена, содержание которого титана, циркония, гафния, ванадия, ниобия, тантала, хрома и молибдена, содержание которого равно, по меньшей мере, 0,5 мас.% и меньше чем 50 мас.% и содержит кобальт, содержание которого равно, по меньшей мере, 50 мас.% и меньше, чем 99,5 мас.%.The closest technical solution is a method of manufacturing a sintered diamond product with high wear resistance and high strength (Pat. RF No. 2347744 with priority dated July 26, 2005 IPC. C01B 31/06, C04B 35/52 "Sintered diamond product with high strength and high wear resistance and method of its manufacture ”). According to this technical solution, the sintered diamond product contains sintered diamond particles having an average particle size of at most 2 μm and a binder phase, as the remaining part, in which the content of said sintered particles in said sintered diamond product is at least 80 vol.% and at most 98 vol.%. The binder contains at least one element selected from the group consisting of titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, chromium and molybdenum, the content of which is titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, chromium and molybdenum , the content of which is at least 0.5 wt.% and less than 50 wt.% and contains cobalt, the content of which is equal to at least 50 wt.% and less than 99.5 wt.%.

Спекание осуществляют при условиях давления в пределах по меньшей мере, от 5,7 ГПа, самое большее до 7,5 ГПа и температуре в пределах, по меньшей мере от 1400°C, и самое большее до 1900°C, с использованием устройства сверхвысокого давления типа «белт».Sintering is carried out under pressure conditions in the range of at least 5.7 GPa, at most up to 7.5 GPa and a temperature in the range of at least 1400 ° C, and at most up to 1900 ° C, using an ultra-high pressure device Type "Belt".

Полученные изделия по прототипу характеризуются высокой прочностью и высокой износостойкостью, изделие имеет поперечную прочность на разрыв не менее 2,65 ГПа, величину износа по задней поверхности 39-65 мкм. Изобретение может быть использовано при изготовлении режущего и обрабатывающего инструмента, электродов.The obtained products according to the prototype are characterized by high strength and high wear resistance, the product has a transverse tensile strength of at least 2.65 GPa, the amount of wear on the back surface of 39-65 microns. The invention can be used in the manufacture of cutting and processing tools, electrodes.

Прототип имеет ограничение по применению получаемых по данному способу композиционных материалов для изготовления инструментов для бурения, камнеобработки, поскольку зерна спеченного материала не превышают 2 мкм и не могут обеспечить высокую производительность при эксплуатации инструментов.The prototype has a limitation on the use of composite materials obtained by this method for the manufacture of tools for drilling, stone processing, since the grains of the sintered material do not exceed 2 μm and cannot provide high performance during the operation of tools.

Задачей предлагаемого технического решения является устранение указанных недостатков и получение углеродного материала с высокой микротвердостью, высокими упругими модулями и повышенной износостойкостью, что позволит использовать материал в горнодобывающей, камнеобрабатывающей и металлообрабатывающей промышленности.The objective of the proposed technical solution is to eliminate these drawbacks and obtain a carbon material with high microhardness, high elastic modules and increased wear resistance, which will allow the use of the material in the mining, stone processing and metal processing industries.

Поставленную задачу решают путем воздействия высокого давления и температуры на исходные углеродные и связующие компоненты в два этапа. На первом этапе берут углеродный компонент, в качестве которого используют, например, алмаз и связующий компонент, дополнительно в качестве углеродного компонента используют фуллерен и/или наноалмаз, а в качестве связующего компонента используют один или несколько компонентов, выбранных из ряда: кремнистая бронза, например, БрКМц3-1; монель, например, НМЖМц; твердые сплавы, например, ТТ7К.12. Из компонентов готовят смесь заданного состава, затем ее помещают в ампулу сохранения и воздействуют динамическим давлением 10-50 ГПа при температуре 900-2000°C с целью частичного или полного превращения фуллеренов в плотные сверхтвердые модификации углерода, активации химического взаимодействия между компонентами для получения компактного материала. В качестве фуллеренов берут фуллерен С-60 и/или С-70. Метод ударно-волнового воздействия позволяет обеспечить получение крупных заготовок композиционного материала. Поскольку процесс воздействия является кратковременным (доли микросекунды), то процесс консолидации компонентов в большинстве случаев остается незавершенным.The problem is solved by exposure to high pressure and temperature on the initial carbon and binder components in two stages. At the first stage, a carbon component is taken, for example, diamond and a binder component are used, in addition, fullerene and / or nanodiamonds are used as the carbon component, and one or more components selected from the series are used as the binder component: silicon bronze, for example , BrKMts3-1; Monel, for example, NMZHMts; hard alloys, for example, TT7K.12. A mixture of a given composition is prepared from the components, then it is placed in a storage ampoule and subjected to a dynamic pressure of 10-50 GPa at a temperature of 900-2000 ° C in order to partially or completely convert fullerenes into dense superhard carbon modifications, activate chemical interaction between the components to obtain a compact material . As fullerenes take fullerene C-60 and / or C-70. The method of shock-wave exposure allows to obtain large blanks of composite material. Since the exposure process is short-term (fractions of a microsecond), the process of component consolidation in most cases remains incomplete.

Завершение процесса формирования целевого продукта осуществляют в течение второго этапа. На образцы материала, полученного на первом этапе, воздействуют статическим давлением от 5 до 15 ГПа и нагревают до температуры 700-1700°C в течение не менее 20 секунд. На этом этапе осуществляется полный переход фуллеренов в плотные сверхтвердые модификации углерода, образуются химические связи между компонентами. Предварительно углеродные компоненты могут быть покрыты одним или несколькими связующими компонентами, выбранными из ряда: сплав кремнистой бронзы, сплав монель, твердый сплав. В результате получают композиционный материал с высокой микротвердостью, модулем упругости и соотношением микротвердость-модуль упругости 0.15-0,16, что указывает на высокую износостойкость композиционного материала.The completion of the process of formation of the target product is carried out during the second stage. The samples of the material obtained in the first stage are subjected to a static pressure of 5 to 15 GPa and heated to a temperature of 700-1700 ° C for at least 20 seconds. At this stage, a complete transition of fullerenes into dense superhard carbon modifications occurs, and chemical bonds between the components are formed. Pre-carbon components can be coated with one or more binder components selected from the range: silicon bronze alloy, monel alloy, hard alloy. The result is a composite material with high microhardness, modulus of elasticity and a ratio of microhardness-modulus of elasticity of 0.15-0.16, which indicates a high wear resistance of the composite material.

При воздействии на выбранные компоненты динамических давлений 10-50 ГПа и температур 900-2000°C параметры выбраны экспериментально. Выход за нижние пределы указанных диапазонов не приводит к значительному превращению фуллерена, выход за верхние пределы приводит разгерметизации ампул сохранения.When exposed to selected components of dynamic pressures of 10-50 GPa and temperatures of 900-2000 ° C, the parameters are selected experimentally. Going beyond the lower limits of these ranges does not lead to a significant conversion of fullerene, going beyond the upper limits leads to depressurization of the storage ampoules.

На втором этапе при воздействии на материал, полученный на первом этапе, статических давлений в диапазоне 5-15 и температур 700-1700°C параметры выбраны экспериментально. Выход за нижние границы диапазона не позволяет получать качественные образцы материала, выход за верхние границы диапазона не улучшает свойства материала, но снижает ресурс аппаратов. Выдержки на режиме в течение 20-180 секунд являются оптимальными для получения целевого продукта. Соотношение компонентов установлено эспериментально.In the second stage, when the material obtained in the first stage is exposed to static pressures in the range of 5-15 and temperatures of 700-1700 ° C, the parameters are chosen experimentally. Going beyond the lower limits of the range does not allow to obtain high-quality samples of the material; going beyond the upper limits of the range does not improve the properties of the material, but reduces the service life of the devices. Excerpts on the mode for 20-180 seconds are optimal for obtaining the target product. The ratio of the components was established experimentally.

Способ подтверждается следующими примерами.The method is confirmed by the following examples.

Пример 1. Приготовили смесь порошков массой 12 г, содержащую фуллерен С-60: 35% (мас.), алмаз зернистостью 100/80: 25%, порошок сплава монель (состав - Cu 27%, Fe 2.5%, Mn 1,8%, (Ni+Co) - остальное): 40%. Смесь запрессовывали в стальную ампулу сохранения, которая с торцов закрыли стальными пробками. На внешние стенки ампулы сохранения поместили 3-я слоя BB (пластид), подрыв произвели в специальном устройстве. Давление при ударно-волновом воздействии 35-40 ГПа, температура 1500-1700 С. Затем материал ампулы механически удалили и извлекли содержимое ампулы в виде компактного образца цилиндрической формы. По результатам измерения плотности и рентгенофазового и электронно-микроскопического анализов установили, что исходный углеродный компонент фуллерен С-60 превратился в сверхтвердую модификацию на 83%.Example 1. Prepared a mixture of powders weighing 12 g, containing C-60 fullerene: 35% (wt.), Diamond grain size 100/80: 25%, Monel alloy powder (composition - Cu 27%, Fe 2.5%, Mn 1.8 %, (Ni + Co) - the rest): 40%. The mixture was pressed into a steel storage ampoule, which was closed with steel plugs from the ends. The 3rd layer of BB (plastid) was placed on the external walls of the conservation ampoule; blasting was carried out in a special device. The pressure during the shock wave action was 35–40 GPa, the temperature was 1500–1700 ° C. Then the ampoule material was mechanically removed and the contents of the ampoule were extracted in the form of a compact cylindrical sample. According to the results of density measurements and X-ray phase and electron microscopy analyzes, it was found that the initial carbon component of C-60 fullerene turned into a superhard modification of 83%.

На втором этапе для повышения механических свойств композиционного материала образец полученного материала массой 0,5 г поместили в контейнер аппарата высокого давления типа «наковальни с лунками», создали давление 15 ГПа, нагрели до температуры 1450°C, выдержали в течение 90 секунд, охладили до 50 градусов, снизили давление до атмосферного и извлекли образец.At the second stage, in order to increase the mechanical properties of the composite material, a sample of the obtained material weighing 0.5 g was placed in the container of the anvil with holes type high-pressure apparatus, a pressure of 15 GPa was created, heated to a temperature of 1450 ° C, held for 90 seconds, cooled to 50 degrees, reduced the pressure to atmospheric and removed the sample.

Методом склерометрии с помощью прибора НаноСкан определили микротвердость углеродных компонентов образца - 90-130 ГПа, микротвердость границ связующего компонента - углеродного компонента 48-64 ГПа. Для определения модулей упругости измерили скорости продольных и сдвиговых звуковых волн эхо-импульсным методом с применением фокусирующей системы акустического микроскопа WFPAM, плотность образца определена гидростатическим методом. Установили, что модуль упругости равен 850±43 ГПа, отношение максимальных значений микротвердости к модулю упругости равно 0,15, что характерно для материалов со сверхупругой восстановительной способностью и высокой износостойкостью.The microhardness of the carbon components of the sample — 90–130 GPa, the microhardness of the boundaries of the binder component — the carbon component 48–64 GPa, was determined using sclerometry using the NanoScan device. To determine the elastic moduli, the velocities of longitudinal and shear sound waves were measured by the echo-pulse method using the focusing system of the WFPAM acoustic microscope, the density of the sample was determined by the hydrostatic method. It was found that the modulus of elasticity is 850 ± 43 GPa, the ratio of the maximum microhardness to the modulus of elasticity is 0.15, which is typical for materials with superelastic reduction ability and high wear resistance.

Пример 2. Приготовили смесь порошков массой 12 г, содержащую фуллерен С-70:30% (мас.), алмаз зернистостью 100/80:20%, порошок сплава ВК-20:50%. Смесь запрессовывали в стальную ампулу сохранения, которая с торцов закрыли стальными пробками. На внешние стенки ампулы сохранения поместили 3 слоя ВВ (пластид), подрыв произвели в специальном устройстве. Давление при ударно-волновом воздействии 40-45 ГПа, температура 1500-1700°С. Затем материал ампулы механически удалили и извлекли содержимое ампулы в виде компактного образца цилиндрической формы. По результатам измерения плотности и рентгенофазового и электронно-микроскопического анализов установили, что исходный фуллерен С-70 превратился в сверхтвердые модификацию на 70%.Example 2. Prepared a mixture of powders weighing 12 g, containing fullerene C-70: 30% (wt.), Diamond grain size 100/80: 20%, alloy powder VK-20: 50%. The mixture was pressed into a steel storage ampoule, which was closed with steel plugs from the ends. 3 layers of explosives (plastids) were placed on the external walls of the conservation ampoule; undermining was carried out in a special device. The pressure during the shock-wave action of 40-45 GPa, the temperature of 1500-1700 ° C. Then, the ampoule material was mechanically removed and the contents of the ampoule in the form of a compact sample of a cylindrical shape were extracted. According to the results of density measurements and X-ray phase and electron microscopy analyzes, it was found that the initial C-70 fullerene turned into a superhard modification of 70%.

На втором этапе для повышения механических свойств композиционного материала образец полученного материала массой 0,5 г поместили в контейнер аппарата высокого давления типа «наковальни с лунками», создали давление 13 ГПа, нагрели до температуры 1500°C, выдержали в течение 90 секунд, охладили до 50 градусов, снизили давление до атмосферного и извлекли образец.At the second stage, in order to increase the mechanical properties of the composite material, a sample of the obtained material weighing 0.5 g was placed in the container of the anvil with wells type high-pressure apparatus, a pressure of 13 GPa was created, heated to a temperature of 1500 ° C, held for 90 seconds, cooled to 50 degrees, reduced the pressure to atmospheric and removed the sample.

Методом склерометрии с помощью прибора НаноСкан определили микротвердость углеродных компонентов образца - 87-120 ГПа, микротвердость границ связующего компонента - углеродного компонента 47-62 ГПа. Для определения модулей упругости измерили скорости продольных и сдвиговых звуковых волн эхо-импульсным методом с применением фокусирующей системы акустического микроскопа WFPAM, плотность образца определили гидростатическим методом. Установили, что модуль упругости равен 780±39 ГПа, отношение максимальных значений микротвердости к модулю упругости равно 0,15.The microhardness of the carbon components of the sample — 87–120 GPa, and the microhardness of the boundaries of the binder component — the carbon component 47–62 GPa, were determined by sclerometry using the NanoScan device. To determine the elastic moduli, the velocities of longitudinal and shear sound waves were measured by the echo-pulse method using the focusing system of the WFPAM acoustic microscope, and the density of the sample was determined by the hydrostatic method. It was found that the elastic modulus is 780 ± 39 GPa, the ratio of the maximum values of microhardness to the elastic modulus is 0.15.

В таблице 1 приведены примеры №№3, 4, 5, в которых указаны параметры (P, T, τ) воздействия на первом этапе динамического, а на втором этапе статического давления на смеси выбранных компонентов, а также значения микротвердости, модуля упругости и соотношение микротвердость- модуль упругости для их максимальных значений. Последовательность технологических операций как в примерах №№1, 2.Table 1 shows examples Nos. 3, 4, 5, which indicate the parameters (P, T, τ) of the impact at the first stage of the dynamic and at the second stage of static pressure on the mixture of the selected components, as well as the values of microhardness, elastic modulus and the ratio microhardness is the elastic modulus for their maximum values. The sequence of technological operations as in examples No. 1, 2.

Выбор исходных компонентов, включая фуллерены С-60, С-70, а также связующие компоненты, проведение процесса в два этапа, позволяет получать сверхтвердый композиционный материал с высокой износостойкостью, пригодный для использования в горнодобывающей, камнеобрабатывающей и металлообрабатывающей промышленности.The choice of starting components, including С-60, С-70 fullerenes, as well as binding components, the process in two stages, allows to obtain an ultrahard composite material with high wear resistance, suitable for use in the mining, stone processing and metal processing industries.

Таблица 1Table 1 № п./п.No. p / p Состав компонентов смесейThe composition of the components of the mixtures Динамическое давление: Р, ГПа; Т, °C.Dynamic pressure: P, GPa; T, ° C. Статическое давление: P, ГПа; Т, °C; τ, секундаStatic pressure: P, GPa; T, ° C; τ second Микротвердость (V), ГПаMicrohardness (V), GPa Модуль упругости (Е), ГПаModulus of elasticity (E), GPa V/EV / e 33 C-60: 20%, алмаз 250/200: 40%, наноалмаз: 10%, кремнистая бронза - БрКН1-3: 30%C-60: 20%, diamond 250/200: 40%, nanodiamond: 10%, silicon bronze - BrKN1-3: 30% Р-20; Т-1400P-20; T-1400 Р - 10,5; Т - 1350; τ - 180P - 10.5; T - 1350; τ - 180 61-88; 39-4161-88; 39-41 520520 0,160.16 4four С-60: 25%, алмаз (400/315 - 30%+40/28 - 20%), наноалмаз - 15%, сплав ТТ7К.12 - 30%.S-60: 25%, diamond (400/315 - 30% + 40/28 - 20%), nanodiamonds - 15%, TT7K.12 alloy - 30%. Р-25; Т-1200P-25; T-1200 Р - 14; Т - 1500; τ - 20P - 14; T - 1500; τ - 20 80-102
30-35
80-102
30-35
697697 0,150.15
55 С-60: 20%, алмаз 250/200 (покрыт слоем БрКН1-3): 70%, наноалмаз: 10%S-60: 20%, diamond 250/200 (coated with a layer of BrKN1-3): 70%, nanodiamond: 10% Р-20; Т-1400P-20; T-1400 Р - 12; Т - 1350; τ - 180P - 12; T - 1350; τ - 180 75-97
48-57
75-97
48-57
589589 0,160.16

Claims (4)

1. Способ получения сверхтвердого композиционного материала, включающий воздействие высокого давления и температуры на исходный углеродный компонент, в качестве которого используют алмаз и связующий компонент, отличающийся тем, что углеродный компонент дополнительно содержит фуллерен и/или наноалмаз, а в качестве связующего компонента используют один или несколько компонентов, выбранных из ряда: сплав кремнистая бронза, сплав монель, твердый сплав, причем получение проводят в два этапа, на первом этапе на смесь исходных компонентов воздействуют динамическим давлением 10-50 ГПа при температуре 900-2000°C, на втором этапе полученный материал помещают в аппарат высокого давления и воздействуют статическим давлением от 5 до 15 ГПа и нагревают до температуры 700-1700°C в течение не менее 20 с.1. A method of obtaining a superhard composite material, including the action of high pressure and temperature on the initial carbon component, which is used as a diamond and a binder component, characterized in that the carbon component further comprises fullerene and / or nanodiamonds, and one or several components selected from the series: silicon-bronze alloy, monel alloy, hard alloy, the preparation being carried out in two stages, in the first stage, a mixture of the starting components in apply dynamic pressure of 10-50 GPa at a temperature of 900-2000 ° C, in the second stage the resulting material was placed in a pressure vessel and exposed to static pressure from 5 to 15 GPa, and heated to a temperature of 700-1700 ° C for at least 20 seconds. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве дополнительного углеродного компонента используют фуллерен С-60 и/или С-70.2. The method according to claim 1, characterized in that fullerene C-60 and / or C-70 is used as an additional carbon component. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что углеродные компоненты предварительно покрывают одним или несколькими связующими компонентами.3. The method according to claims 1 and 2, characterized in that the carbon components are pre-coated with one or more binder components. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве связующего компонента берут сплав кремнистой бронзы марки БрКМц3-1, или сплав монель марки НМЖМц, или твердый сплав марки ТТ7К.12, или твердый сплав марки ВК-20. 4. The method according to claim 1, characterized in that as a binder component they take an alloy of silicon bronze of the BrKMts3-1 brand, or a monel alloy of the NMZhMts brand, or a solid alloy of the TT7K.12 brand, or a hard alloy of the VK-20 brand.
RU2011146655/05A 2011-11-17 2011-11-17 Method of producing superhard composite material RU2491987C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011146655/05A RU2491987C2 (en) 2011-11-17 2011-11-17 Method of producing superhard composite material

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011146655/05A RU2491987C2 (en) 2011-11-17 2011-11-17 Method of producing superhard composite material

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2011146655A RU2011146655A (en) 2013-05-27
RU2491987C2 true RU2491987C2 (en) 2013-09-10

Family

ID=48789007

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011146655/05A RU2491987C2 (en) 2011-11-17 2011-11-17 Method of producing superhard composite material

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2491987C2 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2556673C1 (en) * 2014-04-29 2015-07-10 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" (ФГБНУ ТИСНУМ) Method of obtaining carbon-based composite material and composite material
RU2635488C1 (en) * 2016-09-26 2017-11-13 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) Method for producing composite metal matrix material reinforced with ultra-elastic superhard carbon particles
RU2653127C2 (en) * 2016-11-01 2018-05-07 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" (ФГБНУ ТИСНУМ) Composite material based on carbon and the method of its production

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU707073A1 (en) * 1975-03-12 1994-06-15 Институт физики высоких давлений АН СССР Method of obtaining diamond superhard compacts
RU2127225C1 (en) * 1996-10-11 1999-03-10 Бланк Владимир Давыдович Superhard carbon material, method of its production and article made from superhard carbon material
RU2329947C1 (en) * 2006-10-24 2008-07-27 Институт физики высоких давлений им. Л.Ф. Верещагина Российской академии наук (ИФВД РАН) Method of production of ultrahard polycrystalline material
RU2347744C2 (en) * 2005-07-26 2009-02-27 Сумитомо Электрик Индастриз, Лтд. Sintered diamond object with high strength and high wearing resistance and method of making it

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU707073A1 (en) * 1975-03-12 1994-06-15 Институт физики высоких давлений АН СССР Method of obtaining diamond superhard compacts
RU2127225C1 (en) * 1996-10-11 1999-03-10 Бланк Владимир Давыдович Superhard carbon material, method of its production and article made from superhard carbon material
RU2347744C2 (en) * 2005-07-26 2009-02-27 Сумитомо Электрик Индастриз, Лтд. Sintered diamond object with high strength and high wearing resistance and method of making it
RU2329947C1 (en) * 2006-10-24 2008-07-27 Институт физики высоких давлений им. Л.Ф. Верещагина Российской академии наук (ИФВД РАН) Method of production of ultrahard polycrystalline material

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2556673C1 (en) * 2014-04-29 2015-07-10 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" (ФГБНУ ТИСНУМ) Method of obtaining carbon-based composite material and composite material
WO2015167358A1 (en) 2014-04-29 2015-11-05 Federal State Budgetary Institution "Technological Institute For Superhard And Novel Carbon Materials" Method of obtaining a carbon-based composite material, and the composite material obtained thereby
RU2635488C1 (en) * 2016-09-26 2017-11-13 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) Method for producing composite metal matrix material reinforced with ultra-elastic superhard carbon particles
RU2653127C2 (en) * 2016-11-01 2018-05-07 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" (ФГБНУ ТИСНУМ) Composite material based on carbon and the method of its production

Also Published As

Publication number Publication date
RU2011146655A (en) 2013-05-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9518308B2 (en) High-density and high-strength WC-based cemented carbide
JP2012506948A (en) Functionally graded carbide tungsten carbide material made with hard surface
JP2005514300A (en) Low oxygen cubic boron nitride and its products
RU2636508C2 (en) Methods of improving pcd sintering (polycrystalline diamond) using graphene
JPWO2008088048A1 (en) Wire drawing dies
KR20140089354A (en) Hard metal composition
RU2491987C2 (en) Method of producing superhard composite material
JP3877677B2 (en) Heat resistant diamond composite sintered body and its manufacturing method
JP5045953B2 (en) Method for synthesizing cubic boron nitride and method for producing sintered cubic boron nitride
RU2690347C1 (en) Turbostratic graphite, carbon particles containing such graphite
Khabashesku et al. Impact of surface fluorination on phase stability of nanodiamond particles and inter-granular bonding in polycrystalline diamond under HPHT conditions
WO2015034399A2 (en) Method of obtaining a high-hardness carbon material and material obtained by said method
RU2508249C1 (en) Method for obtaining nanodisperse powders of tungsten and titanium carbides by means of shs method
JP6950942B2 (en) Hard material containing rhenium nitride, its manufacturing method and cutting tools using it
JP5702021B1 (en) A container for ultra-high pressure generation using cemented carbide that does not cause delayed fracture
Sidorenko et al. Modification of the Fe-Cu-Co-Sn-P metal matrix with various forms of carbon nanomaterials
JP4223518B2 (en) Cubic boron nitride abrasive and method for producing cubic boron nitride abrasive
RU2062644C1 (en) Method for production of superhard dense material
RU2523477C1 (en) Method of obtaining super-hard composite material
RU2131763C1 (en) Method of manufacturing artificial diamonds
JP5087776B2 (en) Method for producing a composite diamond body
Ying et al. High-pressure synthesis of cBN nanoparticles with high-density nanotwin substructures
RU2709885C1 (en) Method of producing boron-carbon composite material
US5201923A (en) Stoichiometric b1-type tantalum nitride and a sintered body thereof and method of synthesizing the b1-type tantalum nitride
RU2386515C2 (en) Charge for production of composite metal-diamond material