RU2525005C2

RU2525005C2 - Method of producing polycrystalline composite material

Info

Publication number: RU2525005C2
Application number: RU2012146420/02A
Authority: RU
Inventors: Михаил Александрович Андрианов; Олег Владимирович Игнатенко; Валерий Витальевич Мальчуков; Валерий Валерьевич Ткаченко
Original assignee: Закрытое Акционерное Общество "Микробор Нанотех"
Priority date: 2011-02-28
Filing date: 2011-02-28
Publication date: 2014-08-10
Also published as: WO2012118393A1; RU2012146420A

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: invention relates to production of superhard composite material based on cubic boron nitride (CBN) in the presence of synthesis catalysts and additional reactants in a high-pressure chamber. The invention can be used to make cutting parts of a machining tool that are in direct contact with the workpieces. The composite polycrystalline material based on CBN is obtained via secondary synthesis of CBN powder from hexagonal boron nitride powder in a high-pressure chamber in the presence of a catalyst in form of a boride or nitride of an alkali or alkali-earth metal. To this end, CBN powder, obtained in advance using nitride catalysts, is mixed with a boride catalyst. If CBN powder obtained using boride catalysts is used, nitride catalysts are used for secondary synthesis. To neutralise residual reaction products and bind said products in a matrix into a harder phase, aluminium metal powder is added to the charge mixture and mechanical alloying is carried out. After mechanical alloying of CBN particles by mixing and rubbing them with aluminium, powdered carbides of refractory metals are added to the mixture, followed by pressing and subjecting the workpiece to pressure and temperature of 5-5.5 GPa and 1300-1600°C for 15 s to 20 min.

EFFECT: high chemical wear resistance and heat resistance of the composite.

25 cl, 6 ex

Description

Изобретение относится к химической промышленности, в частности к получению сверхтвердого композитного материала на основе кубического нитрида бора (КНБ, анг. CBN) в присутствии катализаторов синтеза, дополнительных реагентов, в камере высокого давления. Предложенный сверхтвердый композитный материал предназначен для изготовления режущих частей обрабатывающего инструмента, находящихся в непосредственном контакте с обрабатываемыми объектами. Режущие части, изготовленные из сверхтвердого композитного материала, могут быть выполнены в виде пластин небольших размеров, которые могут найти свое применение в составе различных инструментов, таких как режущие вставки, фрезы, пилы, сверла в различных отраслях промышленности, в частности для обработки металла в машиностроении и металлообрабатывающей промышленности.The invention relates to the chemical industry, in particular to the production of a superhard composite material based on cubic boron nitride (CBN, eng. CBN) in the presence of synthesis catalysts, additional reagents, in a high pressure chamber. The proposed superhard composite material is intended for the manufacture of cutting parts of a processing tool that are in direct contact with the processed objects. The cutting parts made of superhard composite material can be made in the form of inserts of small sizes, which can be used in various tools, such as cutting inserts, milling cutters, saws, drills in various industries, in particular for metal processing in mechanical engineering and metal industry.

Из уровня техники известно приготовление композитного спеченного тела для изготовления режущего инструмента из двух компонентов: кубического нитрида бора и связующего, с помощью термобарических воздействий на порошковую смесь, в которой материал имеет непрерывную структуру в результате связывания между собой множества первых частиц кубического нитрида бора, а также и непрерывную структуру в результате связывания множества вторых связующих частиц, которые распределены в теле вне областей сращивания первых частиц кубического нитрида бора (WO 2007145071, B23B 27/14, 21.12.2007).It is known from the prior art to prepare a composite sintered body for the manufacture of a cutting tool from two components: cubic boron nitride and a binder, using thermobaric effects on the powder mixture, in which the material has a continuous structure as a result of bonding together the many first particles of cubic boron nitride, as well as and a continuous structure as a result of binding of a plurality of second binder particles that are distributed in the body outside the regions of fusion of the first cubic nitride particles boron (WO 2007145071, B23B 27/14, 21.12.2007).

Из уровня техники известен способ производства компакта на основе кубического нитрида бора, состоящего из частиц нитрида бора и вторичной твердой фазы, которая включает в себя, по крайней мере, одно алюминиево-магниево-боридное соединение (AlMgB14), причем упомянутый компакт получен путем термобарической обработки порошковой смеси AlMgB14 и КНБ при давлении 5,5 ГПа и температуре 1300°C с образованием структуры типа CBN-AlMgB-i4 (WO 2006114682, B23B 27/14, 02.11.2006).The prior art method for the production of a compact based on cubic boron nitride, consisting of particles of boron nitride and a secondary solid phase, which includes at least one aluminum-magnesium-boride compound (AlMgB14), said compact being obtained by thermobaric treatment a powder mixture of AlMgB14 and CBN at a pressure of 5.5 GPa and a temperature of 1300 ° C to form a CBN-AlMgB-i4 type structure (WO 2006114682, B23B 27/14, 02/02/2006).

Из уровня техники известен способ изготовления режущей пластины инструмента из поликристаллического КНБ (PCBN) путем смешивания КНБ с одним или нескольким веществами, такими как HBN, TiC, TiN, Ti (С, N), WC, W, C, Co, Co2A19, Al, A1N, A1203 с подходящей жидкостью, например этанолом, и подходящего агента, например гликоль полиэтилена или ПЭГ, с образованием однородной суспензии с нужной композицией формирования сферических агломератов порошка, как правило, 100 мкм в диаметре, предпочтительно путем распылительной сушки, наполнения порошком PCBN в углубления, карманы, пазы и т.д. из твердых сплавов или металлокерамики подложки, удаления агента из порошка при соответствующей температуре и давлении и спекании порошка PCBN с одновременной связью с подложкой внутри контейнера для формирования композитного тела (ЕР 104329А1, B22F 7/00 11.10.2000).A method is known from the prior art for the manufacture of a polycrystalline CBN (PCBN) tool insert by mixing CBN with one or more substances, such as HBN, TiC, TiN, Ti (C, N), WC, W, C, Co, Co2A19, Al , A1N, A1203 with a suitable liquid, for example ethanol, and a suitable agent, for example glycol of polyethylene or PEG, with the formation of a homogeneous suspension with the desired composition to form spherical powder agglomerates, usually 100 μm in diameter, preferably by spray drying, filling the PCBN powder with recesses, pockets, pa s etc. from hard alloys or cermets of the substrate, removing the agent from the powder at the appropriate temperature and pressure and sintering the PCBN powder with simultaneous bonding with the substrate inside the container to form a composite body (EP 104329A1, B22F 7/00 11.10.2000).

Из уровня техники известен способ получения поликристаллического кубического нитрида бора, основанного на спекании компактов для использования в режущем инструменте. Кристаллический порошок кубического нитрида бора со средним размером частиц от 0,5 до 6 мкм, содержанием от 10 до 50% по объему смешивают с порошком бета-сиалона со средним размером частиц от 0,1 до 1 мкм, содержанием от 50 до 90%. Смесь выдерживают под давлением от 80 до 120 МПа. Одновременно с давлением применяется прямой импульсный ток в вакуумной атмосфере, нагревающий смесь до температуры нагрева в диапазоне от 1500 до 1700°С со скоростью повышения температуры от 80 до 130°C/мин, воздействие осуществляют в течение от 1 до 10 минут, таким образом, обеспечивая высокую твердость и высокую плотность поликристалла кубического нитрида бора, спеченного в виде компактов (JP 2008121046A, B22F 3/105, 29.05.2008).The prior art method for producing polycrystalline cubic boron nitride based on sintering compacts for use in a cutting tool. Crystalline powder of cubic boron nitride with an average particle size of from 0.5 to 6 μm, a content of from 10 to 50% by volume is mixed with beta-sialon powder with an average particle size of from 0.1 to 1 μm, a content of from 50 to 90%. The mixture is kept under pressure from 80 to 120 MPa. Simultaneously with the pressure, a direct pulsed current is applied in a vacuum atmosphere, heating the mixture to a heating temperature in the range from 1500 to 1700 ° C at a rate of temperature increase from 80 to 130 ° C / min, the effect is carried out for 1 to 10 minutes, thus providing high hardness and high density of the polycrystal of cubic boron nitride, sintered in the form of compacts (JP 2008121046A, B22F 3/105, 05/29/2008).

Недостатком всех указанных технических решений являются недостаточные эксплуатационные свойства получаемых материалов, большая трудоемкость и энергоемкость известных технологий.The disadvantage of all these technical solutions is the insufficient operational properties of the materials obtained, the high complexity and energy intensity of known technologies.

Кроме того, известно, что получаемые в промышленности порошки КНБ с применением каталитических реагентов различаются по физико-механическим свойствам, габитусу и цветности в зависимости от применяемых веществ, способствующих полиморфному переходу из гексагональной структуры в кубическую. Так, применение боридов щелочных и щелочно-земельных элементов в качестве катализаторов приводит к получению темно-окрашенных кристаллов КНБ, что характеризует наличие некоторого изменения стехиометрии в сторону увеличения содержания бора. Применение нитридов щелочных и щелочно-земельных элементов приводит к получению светло-окрашенных, прозрачных с желтыми оттенками кристаллов КНБ, что характеризует изменение стехиометрии в сторону увеличения содержания азота. Применение комплексных каталитических реагентов с добавлением гидридов или гидроокислов приводит к получению секторально окрашенных кристаллов КНБ.In addition, it is known that CBN powders obtained in industry using catalytic reagents differ in physical and mechanical properties, habit and color depending on the substances used, which contribute to the polymorphic transition from the hexagonal structure to the cubic one. Thus, the use of borides of alkaline and alkaline-earth elements as catalysts leads to the production of dark-colored CBN crystals, which characterizes the presence of some change in stoichiometry in the direction of increasing boron content. The use of nitrides of alkaline and alkaline-earth elements leads to the formation of light-colored, transparent with yellow shades of CBN crystals, which characterizes a change in stoichiometry in the direction of increasing nitrogen content. The use of complex catalytic reagents with the addition of hydrides or hydroxides results in sectorally colored CBN crystals.

В заявленном способе получение композиционного поликристаллического материала на основе КНБ осуществляется путем спекания порошков с катализатором в камере высокого давления. Для этого порошки КНБ, предварительно полученные с применением нитридных катализаторов, смешивают с боридным катализатором. А при использовании порошка КНБ, предварительно полученного с применением боридных катализаторов, используют для спекания нитридные катализаторы. Для нейтрализации остаточных продуктов реакций и связывания их в матрице в более твердую фазу в шихтовую смесь вводят порошок металлического алюминия. Кроме того, для увеличения стойкости к химическому износу композита и для повышения термостойкости поликристаллического материала в смесь порошков после механического легирования частиц КНБ путем перемешивания и натирания их алюминием вводят порошки карбидов тугоплавких металлов. При этом все элементы и вещества, применяемые в предложенном способе, используются в диапазоне фракций с размером частиц менее 10 мкм.In the claimed method, the preparation of composite polycrystalline material based on CBN is carried out by sintering powders with a catalyst in a high pressure chamber. To this end, CBN powders previously obtained using nitride catalysts are mixed with a boride catalyst. And when using CBN powder, previously obtained using boride catalysts, nitride catalysts are used for sintering. To neutralize the residual reaction products and bind them in the matrix to a more solid phase, aluminum metal powder is introduced into the charge mixture. In addition, to increase the resistance to chemical wear of the composite and to increase the heat resistance of a polycrystalline material, powders of refractory metals are introduced into the mixture of powders after mechanical alloying of CBN particles by mixing and rubbing them with aluminum. Moreover, all the elements and substances used in the proposed method are used in the range of fractions with a particle size of less than 10 microns.

Задача, на решение которой направлено изобретение, является получение нового сверхтвердого композитного материала с улучшенными свойствами более технологичными методами.The problem to which the invention is directed, is to obtain a new superhard composite material with improved properties by more technological methods.

Поставленная задача в способе получения поликристаллического композиционного материала решается за счет того, что процесс получения состоит из, по меньшей мере, двух этапов: на первом из которых получают мелкокристаллический порошок, включающий не менее 25% наноразмерных фракций кубического нитрида бора с размером частиц менее 100 нм, полученный путем термобарической обработки гексагонального нитрида бора в присутствии одного из катализаторов - борида либо нитрида щелочного или щелочно-земельного металла в течение 1-15 секунд и последующей сепарацией фракций кубического нитрида бора с размером частиц менее 10 мкм, включающих не менее 25 масс.% наноразмерных фракций; на втором этапе в упомянутый сепарированный мелкокристаллический порошок вводят металлический измельченный алюминий и путем перемешивания осуществляют механическое легирование (натирание, обволакивание) зерен кубического нитрида бора металлическим алюминием, затем в смесь добавляют карбид тугоплавкого металла, а также катализатор, после чего полученную смесь длительно перемешивают до образования шихты с высокой степенью однородности, затем полученную шихту прессуют в заготовки, которые подвергают термобарическому воздействию при давлении 5,0-5,5 ГПа, температуре 1300-1600°C в течение времени от 15 секунд до 20 мин с образованием поликристаллического композитного материала, причем, если на первом этапе в качестве катализатора был использован нитрид щелочного или щелочно-земельного металла, то на втором этапе в качестве катализатора используют борид щелочного или щелочно-земельного металла, а если на первом этапе в качестве катализатора используют борид щелочного или щелочноземельного металла, то на втором этапе в качестве катализатора используют нитрид щелочного или щелочноземельного металла.The problem in the method for producing a polycrystalline composite material is solved due to the fact that the production process consists of at least two stages: the first of which produces a fine crystalline powder comprising at least 25% nanoscale fractions of cubic boron nitride with a particle size of less than 100 nm obtained by thermobaric treatment of hexagonal boron nitride in the presence of one of the catalysts - boride or alkali or alkaline-earth metal nitride for 1-15 seconds and then th separation of fractions of a cubic boron nitride having a particle size less than 10 microns comprising not less than 25% by weight of nanoscale fractions.; at the second stage, metallic crushed aluminum is introduced into the aforementioned fine-crystalline powder and mechanical alloying (rubbing, wrapping) of cubic boron nitride grains with metallic aluminum is carried out by stirring, then refractory metal carbide and a catalyst are added to the mixture, after which the resulting mixture is mixed for a long time until formation charge with a high degree of uniformity, then the resulting mixture is pressed into blanks, which are subjected to thermobaric impact a pressure of 5.0-5.5 GPa, a temperature of 1300-1600 ° C for a period of time from 15 seconds to 20 minutes with the formation of a polycrystalline composite material, moreover, if at the first stage alkali or alkaline-earth metal nitride was used as a catalyst, then, at the second stage, alkali or alkaline-earth metal boride is used as a catalyst, and if at the first stage alkali or alkaline-earth metal boride is used as a catalyst, then at the second stage, alkali or alkali nitride is used as a catalyst ochnozemelnogo metal.

На всех этапах предпочтительно используют порошки химических соединений фракций с размером частиц менее 0,1 мкм.Powders of chemical compounds of fractions with a particle size of less than 0.1 microns are preferably used at all stages.

На первом этапе для получения мелкокристаллического материала, включающего наноразмерную фракцию нитрида бора, могут использовать в качестве катализатора нитрид лития, при этом на втором этапе предпочтительно используют в качестве катализатора диборид магния.In a first step, lithium nitride can be used as a catalyst to obtain a fine crystalline material including a nanosized fraction of boron nitride, while in a second step, magnesium diboride is preferably used as a catalyst.

На первом этапе для получения мелкокристаллического материала, включающего наноразмерную фракцию нитрида бора, могут использовать в качестве катализатора диборид магния, при этом на втором этапе тогда используют в качестве катализатора нитрид лития.In the first step, magnesium diboride can be used as a catalyst to obtain a fine crystalline material including a nanosized fraction of boron nitride, while in the second step then lithium nitride is used as a catalyst.

Полученная шихта может сушиться в вакуумном шкафу в течение 3 часов при температуре 300°C.The resulting mixture can be dried in a vacuum oven for 3 hours at a temperature of 300 ° C.

Полученная шихта после сушки предпочтительно прессуется в заготовки, которые помещают в контейнер, который, в свою очередь, помещают в пресс высокого давления, где на заготовки воздействуют повышенными температурой и давлением.After drying, the resulting mixture is preferably pressed into blanks, which are placed in a container, which, in turn, is placed in a high-pressure press, where the blanks are subjected to elevated temperature and pressure.

Измельченный металлический алюминий используют в виде порошка с размером частиц менее 10 мкм.Ground aluminum metal is used in the form of a powder with a particle size of less than 10 microns.

В качестве легирующей добавки для увеличения термостойкости и предотвращения абразивного и химического износа композита могут использовать карбиды тугоплавких металлов из 4-5-6 групп элементов, предпочтительно карбид титана (TiCx).Refractory metals from 4-5-6 element groups, preferably titanium carbide (TiCx), can be used as an alloying additive to increase heat resistance and prevent abrasive and chemical wear of the composite.

Ингредиенты шихтовой массы для изготовления поликристаллического композиционного материала, предпочтительно, смешивают вместе в следующих пропорциях, масс.%:The ingredients of the charge for the manufacture of a polycrystalline composite material are preferably mixed together in the following proportions, wt.%:

катализатор - не более 1,the catalyst is not more than 1,

алюминий - 2-15,aluminum - 2-15,

карбид тугоплавкого металла - 10-30, refractory metal carbide - 10-30,

Kffi(CBN) - остальное.Kffi (CBN) - the rest.

Ингредиенты шихтовой массы предпочтительно смешивают в шаровой мельнице в летучей жидкости, например толуоле, в течение 24 часов до высокой степени однородности K_og более 99,75%.The ingredients of the charge mixture are preferably mixed in a ball mill in a volatile liquid, for example toluene, for 24 hours to a high degree of uniformity K _og more than 99.75%.

Степень однородности шихты оценивают по отклонениям состава проб, взятых из отдельных точек смесителя (не менее 10), от среднего состава первичной смеси (шихты) в опробуемом объеме.The degree of homogeneity of the charge is estimated by the deviation of the composition of samples taken from individual points of the mixer (at least 10) from the average composition of the primary mixture (charge) in the sample volume.

Допустимые отклонения отдельных компонентов первичной смеси при степени однородности не менее 99,75% первичной смеси (шихты) не должны превышать ±0,25%.The permissible deviations of the individual components of the primary mixture with a degree of homogeneity of at least 99.75% of the primary mixture (charge) should not exceed ± 0.25%.

Целесообразно на первом этапе перед спеканием с термобарической обработкой производить предварительное измельчение компонентов первичной смеси, состоящей из порошка гексагонального нитрида бора, порошка одного из катализаторов и, дополнительно, модифицирующей добавки, затем указанные компоненты предпочтительно смешивать до получения однородной порошковой массы, которую после предварительного уплотнения в пресс-форме под давлением, помещают в камеру, где производят воздействие на уплотненный порошок давлением от 5,0 до 5,5 ГПа при температуре от 1300 до 1600°C в течение от 1 до 15 секунд, получая в результате термобарического воздействия спеченную массу с дисперсно распределенными в ней частицами кубического нитрида бора, образованными в результате кристаллизации частиц нитрида бора в расплаве модифицирующей добавки и одного из катализаторов, далее полученную в результате воздействия спеченную массу измельчают и сепарируют из нее методами газовой или жидкостной частицы кубического нитрида бора, образующие мелкокристаллический порошок, включающий не менее 25% наноразмерных фракций кубического нитрида бора с размером частиц менее 100 нм.It is advisable at the first stage, before sintering with thermobaric treatment, to preliminarily grind the components of the primary mixture consisting of hexagonal boron nitride powder, a powder of one of the catalysts and, optionally, a modifying additive, then these components are preferably mixed until a homogeneous powder mass is obtained, which, after preliminary compaction in the mold under pressure is placed in a chamber where the compacted powder is subjected to pressure from 5.0 to 5.5 GPa temperature from 1300 to 1600 ° C for 1 to 15 seconds, resulting from thermobaric exposure to a sintered mass with dispersed particles of cubic boron nitride dispersed in it, formed as a result of crystallization of boron nitride particles in a melt of a modifying additive and one of the catalysts, further obtained as a result of the impact, the sintered mass is crushed and separated from it by gas or liquid particles of cubic boron nitride, forming a fine crystalline powder comprising at least 25% nanoscale fractions of cubic boron nitride with a particle size of less than 100 nm.

Гексагональный нитрид бора перед введением в первичную смесь рекомендуется предварительно измельчать до размера частиц менее 10 мкм и сушить при около 110°C в течение примерно 90 минут, модифицирующую добавку предварительно отдельно измельчать до размера частиц менее 200 нм, а катализатор перед введением в первичную смесь предварительно отдельно измельчать до размера частиц менее 100 мкм и использовать первичную смесь, состоящую из порошка гексагонального нитрида бора с размером частиц менее 10 мкм, порошка катализатора с размером частиц менее 100 мкм и модифицирующей добавки с размером частиц менее 200 нм.Before introducing into the primary mixture, hexagonal boron nitride is recommended to be pre-crushed to a particle size of less than 10 microns and dried at about 110 ° C for about 90 minutes, the modifying additive must be previously separately crushed to a particle size of less than 200 nm, and the catalyst must be pre-mixed before introduction into the primary mixture grind separately to a particle size of less than 100 microns and use a primary mixture consisting of hexagonal boron nitride powder with a particle size of less than 10 microns, a catalyst powder with a particle size of e 100 microns and the modifying additive with a particle size of less than 200 nm.

Доля катализатора в первичной смеси может составлять до 10 масс.%, доля модифицирующей добавки в первичной смеси составлять до 4 масс.%, а доля гексагонального нитрида бора в первичной смеси составлять до 86 масс.%.The proportion of catalyst in the primary mixture can be up to 10 wt.%, The proportion of modifying additive in the primary mixture can be up to 4 wt.%, And the proportion of hexagonal boron nitride in the primary mixture can be up to 86 wt.%.

В качестве модифицирующей добавки могут использовать один или несколько оксидов.As a modifying additive can use one or more oxides.

В качестве модифицирующей добавки могут использовать CaO, и/или MgO, и/или Fe₂O₃, и/или SiO₂, и/или Al₂O₃.CaO, and / or MgO, and / or Fe ₂ O ₃ , and / or SiO ₂ , and / or Al ₂ O ₃ can be used as a modifying additive.

Модифицирующей добавкой может являться кубический нитрид бора в виде порошка фракции с размером частиц 10-20 нм, взятый в количестве 0,1-0,5% от массы компонентов первичной смеси. Модифицирующая добавка может включать кубический нитрид бора в виде порошка наноразмерных фракций в количестве, не превышающем 0,5% от массы компонентов первичной смеси.The modifying additive may be cubic boron nitride in the form of a powder fraction with a particle size of 10-20 nm, taken in an amount of 0.1-0.5% by weight of the components of the primary mixture. The modifying additive may include cubic boron nitride in the form of a powder of nanosized fractions in an amount not exceeding 0.5% by weight of the components of the primary mixture.

Первичную смесь предпочтительно смешивают в смесительном устройстве типа смесителя Эйриха или V-образном смесителе, без использования мелющих тел и дополнительного измельчения в течение примерно 90 минут до высокой степени однородности K_og не менее 99,75%, в защитной жидкостной или газовой среде.The primary mixture is preferably mixed in a mixing device such as an Eirich mixer or a V-shaped mixer, without the use of grinding media and additional grinding for about 90 minutes to a high degree of uniformity K _{og of} at least 99.75%, in a protective liquid or gas environment.

Газовой средой предпочтительно является инертный газ, например аргон. Жидкостной средой предпочтительно является летучая жидкость, например бензин или толуол.The gaseous medium is preferably an inert gas, for example argon. The liquid medium is preferably a volatile liquid, for example gasoline or toluene.

Остатки летучей жидкости могут удалять путем нагрева и сушки измельченной смеси в виде порошка в вакуумном сушильном шкафу в течение не менее 2 часов при температуре не менее 85°C. Воздействие на уплотненный порошок могут производить давлением от 5,0 до 5,5 ГПа при температуре от 1300 до 1600°C в течение от 1 до 15 секунд и осуществляют его путем помещения порошка в графитовый электронагреватель, который размещают в контейнере со стенками из каменного материала, литографского камня, причем собранный контейнер предпочтительно устанавливают в центральном углублении камеры высокого давления и подвергают сжатию и нагреву до указанных параметров воздействия в течение упомянутого промежутка времени.Residues of volatile liquid can be removed by heating and drying the powdered mixture in the form of a powder in a vacuum oven for at least 2 hours at a temperature of at least 85 ° C. The impact on the compacted powder can produce a pressure of from 5.0 to 5.5 GPa at a temperature of 1300 to 1600 ° C for 1 to 15 seconds and is carried out by placing the powder in a graphite electric heater, which is placed in a container with walls of stone material lithographic stone, and the assembled container is preferably installed in the Central recess of the high-pressure chamber and is subjected to compression and heating to the specified exposure parameters during the mentioned period of time.

Каменным материалом может являться известняк или пирофиллит, или литографский камень.The stone material may be limestone or pyrophyllite, or lithographic stone.

Спеченную массу могут измельчать в щнековой дробилке, после чего полученный порошок помещают в кислотную или щелочную жидкую среду и извлекают из него кубический нитрид бора с размером частиц основной доли менее 10 мкм, который включает не менее 25% массовой доли фракций с размером частиц менее 200 нм.The sintered mass can be crushed in a screw crusher, after which the resulting powder is placed in an acidic or alkaline liquid medium and cubic boron nitride with a particle size of less than 10 microns, which includes at least 25% of the mass fraction of fractions with a particle size of less than 200 nm, is extracted from it .

Из спеченной массы могут извлекать кубический нитрид бора до 50 масс.% от исходной массы порошка гексагонального нитрида бора.From the sintered mass, cubic boron nitride can be extracted up to 50 wt.% Of the initial mass of hexagonal boron nitride powder.

Достигаемый технический результат заключается в получении высоких эксплуатационных свойств материала за счет образования равномерной мелкозернистой структуры спеченных изделий, увеличения выхода материала с улучшенными свойствами, а также увеличения прочности связи зерен кубического нитрида бора (КНБ) в зоне их контакта за счет вновь образующихся в процессе спекания из боридных и нитридных соединений фаз тугоплавких твердых материалов, таких как нитрид алюминия и диборид алюминия, при этом полученный материал отличается большей стабильностью свойств, изотропностью и однородностью структуры за счет выравнивания и восстановления его стехиометрии вследствие использования поочередно боридного и нитридного катализаторов и снижения доли вакансий по бору и азоту с образованием единой матрицы композиционного материала, а изделия из данного материала характеризуются повышенной износостойкостью и сниженным абразивным износом в процессе эксплуатации за счет применения в материале добавки карбида тугоплавкого металла, предпочтительно карбида титана.Achievable technical result consists in obtaining high operational properties of the material due to the formation of a uniform fine-grained structure of sintered products, increasing the yield of material with improved properties, as well as increasing the bond strength of grains of cubic boron nitride (CBN) in the contact zone due to newly formed during sintering from boride and nitride compounds of the phases of refractory solid materials, such as aluminum nitride and aluminum diboride, while the resulting material is more biline properties, isotropy and uniformity of the structure due to the alignment and restoration of its stoichiometry due to the use of boride and nitride catalysts in turn and a decrease in the share of vacancies in boron and nitrogen with the formation of a single matrix of composite material, and products from this material are characterized by increased wear resistance and reduced abrasive wear during the process operation due to the use in the material additives carbide refractory metal, preferably titanium carbide.

Следует также отметить, что при сдавливании порошков КНБ в результате локального межчастичного трения происходит обратный процесс - кубическая структура на поверхности кристаллов переходит в гексагональную, но за счет применения предложенного способа катализатор вновь превращает гексагональные частицы в кристаллы КНБ.It should also be noted that when the CBN powders are squeezed as a result of local interparticle friction, the reverse process occurs - the cubic structure on the crystal surface becomes hexagonal, but due to the application of the proposed method, the catalyst again converts hexagonal particles into CBN crystals.

Получение плотноспеченной мелкокристаллической структуры композиционного материала достигается сочетанием операций интенсивного механического перемешивания исходных компонентов шихты и введением активирующей спекание добавки - диборида магния. Механическое легирование алюминием поверхности зерен КНБ, в соответствии с предложенным способом, происходит на начальной стадии процесса при тщательном длительном механическом перемешивании крупнокристаллической фракции КНБ с алюминием.Obtaining a densely sintered fine-crystalline structure of the composite material is achieved by a combination of intensive mechanical mixing of the initial components of the charge and the introduction of an activating sintering additive - magnesium diboride. Mechanical alloying with aluminum of the surface of CBN grains, in accordance with the proposed method, occurs at the initial stage of the process with thorough long-term mechanical mixing of the coarse-grained fraction of CBN with aluminum.

Кроме того, проведение смешения шихты, по крайне мере, в два этапа стадии при указанных последовательностях операций, подобранных экспериментально, способствует существенному улучшению прессуемости мелкозернистого порошка КНБ, и, как следствие, повышает относительную плотность прессовок подвергаемых в дальнейшем термобарической обработке, благодаря чему снижаются усадки при спекании. Это обеспечивает в дальнейшем однородность, изотропность и возможность высокой степени уплотнения получаемого композита. Наличие на поверхности зерен КНБ покрытия алюминия способствует образованию более плотной укладки зерен КНБ в заготовке композиционного материала. Кроме того, интенсивное механическое перемешивание (в течение нескольких минут) порошков КНБ, обработанных совместно с алюминием, и порошков диборида магния и карбида титана (вторая стадия смешения) обеспечивает равномерное распределение составляющих ингредиентов для получения более однородной структуры композита после горячего прессования. При этом равномерно распределенные между зернами КНБ добавки обеспечивают эффективное спекание изделий при горячем прессовании.In addition, the mixing of the mixture in at least two stages of the stage with the indicated sequences of operations selected experimentally contributes to a significant improvement in the compressibility of fine-grained CBN powder, and, as a result, increases the relative density of the compacts subjected to further thermobaric treatment, thereby reducing shrinkage during sintering. This ensures further uniformity, isotropy and the possibility of a high degree of compaction of the resulting composite. The presence of aluminum coating on the surface of CBN grains contributes to the formation of denser stacking of CBN grains in the composite material blank. In addition, intensive mechanical mixing (for several minutes) of CBN powders processed together with aluminum, and powders of magnesium diboride and titanium carbide (second mixing stage) ensures uniform distribution of the constituent ingredients to obtain a more uniform composite structure after hot pressing. Moreover, additives uniformly distributed between CBN grains provide effective sintering of products during hot pressing.

При этом использование в камере при термобарическом воздействии на прессованные заготовки параметров давления менее 5,0 ГПа приводило к неоправданному увеличению необходимого времени воздействия и затрат энергии на этот процесс, увеличение же давления выше 5,5 ГПа приводило к преждевременному износу оборудования. При снижении температуры ниже 1300°C, равно как и уменьшении времени воздействия до значений менее 20 секунд, термобарические процессы образования поликристалла не протекали. При увеличении времени воздействия до значений выше 20 минут, также как и повышении температуры воздействия 1600°C, приводили к перегреву поликристалла и ухудшению его прочностных характеристик.At the same time, the use of pressure parameters less than 5.0 GPa in the chamber during thermobaric exposure of the pressed blanks led to an unjustified increase in the necessary exposure time and energy consumption for this process, while an increase in pressure above 5.5 GPa led to premature wear of the equipment. With a decrease in temperature below 1300 ° C, as well as a decrease in the exposure time to values less than 20 seconds, thermobaric polycrystal formation processes did not proceed. With an increase in the exposure time to values above 20 minutes, as well as an increase in the exposure temperature of 1600 ° C, they overheated the polycrystal and worsened its strength characteristics.

Времени воздействия в 20 секунд соответствует вес заготовки из шихты в 1-2 грамма, а 20 минутам - вес заготовки шихты в 250-300 грамм. Промежуточные весовые значения 1-300 грамм подвергаются воздействию в течение времени от 20 сек до 20 мин.The exposure time of 20 seconds corresponds to the weight of a billet from a charge of 1-2 grams, and 20 minutes corresponds to the weight of a billet of a charge of 250-300 grams. Intermediate weight values of 1-300 grams are exposed for a period of time from 20 seconds to 20 minutes.

Таким образом, заявителем были подобраны оптимальные параметры для получения поликристаллического композитного материала на основе порошка кубического нитрида бора с повышенным содержанием наноразмерных фракций с размером частиц менее 100 нм, так как в процессе спекания одновременно реализуются механизмы как твердофазового спекания компонентов исходной шихты, так и жидкостного спекания. Полученная структура и конечный фазовый состав режущих пластин и позволили обеспечить высокие эксплуатационные свойства изделий вследствие повышения механической прочности спеченного материала и его микротвердости. Устранение поверхностных дефектов, работающих как концентраторы напряжений, при шлифовке позволяет исключить, в частности, сколы при работе режущих пластин, повысить скорости резания и класс чистоты обрабатываемых материалов.Thus, the applicant selected the optimal parameters for producing a polycrystalline composite material based on cubic boron nitride powder with a high content of nanosized fractions with a particle size of less than 100 nm, since during sintering, both solid-phase sintering of the components of the initial charge and liquid sintering are simultaneously realized . The resulting structure and the final phase composition of the cutting inserts made it possible to ensure high operational properties of the products due to an increase in the mechanical strength of the sintered material and its microhardness. Elimination of surface defects operating as stress concentrators during grinding allows eliminating, in particular, chips during the operation of cutting inserts, increasing the cutting speed and purity class of the processed materials.

В процессе синтеза порошков КНБ с применением инициаторов превращения (катализаторов) в условиях сверхвысоких давлений и температур происходят быстротекущее зарождение и рост кристаллов, из-за чего в кристаллическую решетку попадают примеси - химические вещества катализаторов, т.е. свободный бор (или азот), литий (или магний) и др. Тем самым в кристалле КНБ, особенно в поверхностном слое, стехиометрия немного смещена в сторону увеличения содержания бора или азота в зависимости от применяемого катализатора. В конкретном случае рассматриваются порошки КНБ со смещением в сторону азота. Чтобы из этих порошков получить поликристалл, их необходимо между собой связать (скрепить). Для этого их вновь помещают в условия сверхвысоких давлений и температур с добавлением веществ, образующих скрепляющую матрицу (каркас). (Метод диффузионного связывания здесь неприемлем, так как для этого необходимо очень много времени.) В данном случае в роли такого вещества выступает катализатор, но уже на основе бора, который «сращивает» азотистые вакансии бором. Следует также отметить, что при сдавливании порошков КНБ в результате локального межчастичного трения происходит обратный процесс - кубическая структура на поверхности кристаллов переходит в гексагональную и в этом случае катализатор вновь превращает гексагональные частицы в кристаллы КНБ. Но при этом все равно остаются «лишние» продукты реакции в виде непрореагировавшего катализатора, окислов бора, магния и других соединений.During the synthesis of CBN powders using transformation initiators (catalysts) under conditions of ultrahigh pressures and temperatures, the rapid nucleation and growth of crystals occur, as a result of which impurities - chemical substances of the catalysts - get into the crystal lattice, i.e. free boron (or nitrogen), lithium (or magnesium), etc. Thus, in the CBN crystal, especially in the surface layer, stoichiometry is slightly biased towards an increase in the content of boron or nitrogen, depending on the catalyst used. In a specific case, CBN powders with a bias towards nitrogen are considered. In order to obtain a polycrystal from these powders, they must be bonded (bonded) to each other. To do this, they are again placed in conditions of ultrahigh pressures and temperatures with the addition of substances that form a bonding matrix (frame). (The diffusion bonding method is not acceptable here, since it takes a lot of time.) In this case, the role of such a substance is played by a catalyst, but based on boron, which “coalesces” nitrogenous vacancies with boron. It should also be noted that when the CBN powders are squeezed as a result of local interparticle friction, the reverse process occurs - the cubic structure on the surface of the crystals becomes hexagonal and in this case the catalyst again converts hexagonal particles into CBN crystals. But at the same time, “excess” reaction products remain in the form of an unreacted catalyst, oxides of boron, magnesium and other compounds.

Роль металлического алюминия: Алюминий в условиях высокого давления и температуры, вступая в реакцию с нитридом бора, образует между частицами КНБ новую прочную фазу, состоящую из боридов и нитридов алюминия, тем самым дополнительно скрепляя частицы КНБ между собой. Кроме того, алюминий вступает в реакцию с оставшимися «лишними» веществами, образовавшимися в результате взаимодействия катализатора и нитрида бора, преобразуя (модифицируя) их в сложные тугоплавкие вещества, например шпинели, входящие в образовавшуюся межкристаллическую фазу в виде твердых растворов.Role of aluminum metal: Aluminum under high pressure and temperature conditions, reacting with boron nitride, forms a new strong phase between CBN particles, consisting of borides and aluminum nitrides, thereby further bonding CBN particles to each other. In addition, aluminum reacts with the remaining "excess" substances formed as a result of the interaction of the catalyst and boron nitride, transforming (modifying) them into complex refractory substances, for example spinels, which enter the formed intercrystalline phase in the form of solid solutions.

Экспериментально установлено, что соотношение ингредиентов для предлагаемых вариантов способа предпочтительно должно быть следующим, масс.%: КНБ - 75-95; сумма остальных компонентов 5-25. При этом состав остальных компонентов шихты может варьироваться в зависимости от требуемых свойств получаемого материала с сохранением описанных выше общих полезных качеств.It was experimentally established that the ratio of ingredients for the proposed process variants should preferably be as follows, wt.%: CBN - 75-95; the sum of the remaining components is 5-25. In this case, the composition of the remaining components of the charge may vary depending on the required properties of the material obtained while maintaining the above general beneficial qualities.

При выборе указанных примеров авторы руководствовались в первую очередь возможностью получения материала, сочетающего в себе набор полезных качеств, присущих как поликристаллической керамике, так и композиту, пригодного для изготовления из поликристаллического композиционного материала режущих элементов.When choosing these examples, the authors were guided primarily by the possibility of obtaining a material that combines a set of useful qualities inherent in both polycrystalline ceramics and a composite suitable for manufacturing cutting elements from a polycrystalline composite material.

Способ получения поликристаллического композиционного материала состоит из двух этапов. На первом из которых получают мелкокристаллический порошок, включающий не менее 25% наноразмерных фракций кубического нитрида бора с размером частиц менее 100 нм, полученный путем спекания гексагонального нитрида бора в присутствии одного из катализаторов - борида либо нитрида щелочного или щелочноземельного металла в течение 1-15 секунд под действием повышенных температуры и давления и последующей сепарацией фракций кубического нитрида бора с размером частиц менее 10 мкм, включающих не менее 25% наноразмерных фракций. На втором этапе в упомянутый сепарированный мелкокристаллический порошок вводят металлический измельченный алюминий и путем перемешивания, осуществляют механическое легирование зерен кубического нитрида бора металлическим алюминием, после чего в смесь добавляют карбид тугоплавкого металла, а также катализатор. Полученную смесь длительно перемешивают до образования шихты с высокой степенью однородности (не менее 99,75%). Полученную шихту прессуют в заготовки. Заготовки подвергают термобарическому воздействию при давлении 5,0-5,5 ГПа, температуре 1300-1600°C в течение времени от 15 секунд до 20 мин с образованием поликристаллического композитного материала. При этом, если на первом этапе в качестве катализатора был использован нитрид щелочного или щелочно-земельного металла, то на втором этапе в качестве катализатора используют борид щелочного или щелочноземельного металла, а если на первом этапе в качестве катализатора используют борид щелочного или щелочно-земельного металла, то на втором этапе в качестве катализатора используют нитрид щелочного или щелочно-земельного металла.A method for producing a polycrystalline composite material consists of two stages. The first of which produces a fine crystalline powder comprising at least 25% nanoscale fractions of cubic boron nitride with a particle size of less than 100 nm, obtained by sintering hexagonal boron nitride in the presence of one of the catalysts - boride or alkali or alkaline earth metal nitride for 1-15 seconds under the influence of elevated temperature and pressure and the subsequent separation of fractions of cubic boron nitride with a particle size of less than 10 microns, including at least 25% of nanoscale fractions. At the second stage, metallic crushed aluminum is introduced into said separated fine-crystalline powder and, by stirring, mechanical alloying of cubic boron nitride grains with metal aluminum is carried out, after which refractory metal carbide and a catalyst are added to the mixture. The resulting mixture is stirred for a long time until a mixture is formed with a high degree of homogeneity (at least 99.75%). The resulting mixture is pressed into blanks. The preforms are subjected to thermobaric pressure at a pressure of 5.0-5.5 GPa, a temperature of 1300-1600 ° C for a time from 15 seconds to 20 minutes with the formation of a polycrystalline composite material. In this case, if at the first stage alkali or alkaline earth metal nitride was used as a catalyst, then at the second stage alkali or alkaline earth metal boride is used as a catalyst, and if at the first stage alkali or alkaline earth metal boride is used , then at the second stage, an alkali or alkaline earth metal nitride is used as a catalyst.

Пример 1. Осуществляя способ, описанный выше, используют порошок с размерами частиц (зернистостью) менее 100 нм, первично полученный на катализаторе синтеза, состоящем из нитрида щелочного металла, вводят металлический измельченный алюминий и путем перемешивания осуществляют механическое легирование зерен кубического нитрида бора металлическим алюминием, после чего в смесь добавляют карбид тугоплавкого металла, а также катализатор, имеющий в своем составе бор, например MgB₂, в соотношении 99/1, смешивают в планетарной мельнице. Полученную смесь снаряжают в нагреватель закрытого типа, сборку перемещают в контейнер. Снаряженный контейнер помещают в аппарат высокого давления и синтезируют заготовку композита на прессе усилием 630 т.с при давлении в реакционной зоне 5,0 ГПа и температуре 1450°C в течение 18 сек. Получают спеченную заготовку в виде цилиндра диаметром 5 и высотой 5 мм. Полученный таким образом композит имеет плотноспеченную поликристаллическую структуру, так как во время сдавливания порошка КНБ высоким давлением происходят локальные обратные переходы КНБ-ГНБ, но за счет присутствующего катализатора вновь образовавшийся гексагональный нитрид бора переходит обратно в кубическую модификацию. Также порошок КНБ, полученный на нитридном катализаторе, в условиях высоких скоростей зародышеобразования имеет нестехиометрический состав, фиксируется незначительный дефицит бора.Example 1. Carrying out the method described above, a powder is used with particle sizes (grain size) of less than 100 nm, primarily obtained on a synthesis catalyst consisting of alkali metal nitride, ground metallic aluminum is introduced, and by mixing, mechanical alloying of cubic boron nitride grains with metallic aluminum is performed, then refractory metal carbide is added to the mixture, as well as a catalyst having boron, for example MgB ₂ , in a ratio of 99/1, is mixed in a planetary mill. The resulting mixture is equipped in a closed type heater, the assembly is transferred to a container. The equipped container is placed in a high-pressure apparatus and the composite preform is synthesized on a press with a force of 630 tf at a pressure in the reaction zone of 5.0 GPa and a temperature of 1450 ° C for 18 sec. A sintered preform is obtained in the form of a cylinder with a diameter of 5 and a height of 5 mm. The composite thus obtained has a densely sintered polycrystalline structure, since local CBN-GBB reverse transitions occur during high-pressure compression of CBN powder, but due to the catalyst present, the newly formed hexagonal boron nitride is converted back to the cubic modification. Also, CBN powder obtained on a nitride catalyst, under conditions of high nucleation rates, has a non-stoichiometric composition, a slight deficiency of boron is recorded.

В этом случае катализатор MgB₂ выступает как источник бора при заполнении борных вакансий. Аналогично проявляют себя нитридные катализаторы, например Li3N, но с порошками КНБ, первично полученных на боридных катализаторах, в этом случае заполняются нитридные вакансии. Таким образом, все случаи позволяют сращивать отдельные кристаллы непрерывной прочной связью КНБ-(КНБ)-КНБ, но только в локальных областях, занимающих всего 10-30% всего объема спеченного материала, остальное - несвязанные зерна.In this case, the MgB ₂ catalyst acts as a source of boron when filling boron vacancies. Nitride catalysts, for example, Li3N, manifest themselves in a similar way, but with CBN powders, primarily obtained on boride catalysts, in this case, nitride vacancies are filled. Thus, all cases allow individual crystals to be spliced by a continuous strong bond KNB- (KNB) -KNB, but only in local areas, which occupy only 10-30% of the total volume of sintered material, the rest are unbound grains.

Пример 2. Осуществляя способ описанный выше, берут порошок КНБ размерностью менее 100 нм - 80 масс.%, а тугоплавкие карбиды переходных металлов, например TiC, добавляют в количестве 20 масс.%. Смешивают и синтезируют, как в примере 1. Получают спеченную заготовку диаметром и высотой 5 мм, которая по своей структуре относится к многофазному композиционному материалу, так как связь между отдельными зернами КНБ образуется за счет вновь образованных фаз, состоящих из боридов и нитридов используемого металла КНБ-(вновь образовавшаяся фаза)-КНБ. Реакция протекает по схеме:Example 2. Carrying out the method described above, they take CBN powder with a dimension of less than 100 nm — 80 wt.%, And refractory carbides of transition metals, for example TiC, are added in an amount of 20 wt.%. They are mixed and synthesized, as in Example 1. A sintered preform is obtained with a diameter and a height of 5 mm, which in its structure refers to a multiphase composite material, since the bond between individual grains of CBN is formed due to newly formed phases consisting of borides and nitrides of the used CBN metal - (newly formed phase) -KNB. The reaction proceeds according to the scheme:

МеС+BN-МеВх+MeNy+СMeC + BN-MeBx + MeNy + C

Протекание взаимодействия достигается только в локальных объемах преимущественно на контактах зерен КНБ. Основная масса карбида металла не претерпевает химических изменений, но дают возможность самим кристаллам КНБ работать в более жестких температурных условиях и существенно снижают абразивный износ режущего композита.The course of interaction is achieved only in local volumes, mainly at the contacts of the CBN grains. The bulk of the metal carbide does not undergo chemical changes, but make it possible for CBN crystals to work under more severe temperature conditions and significantly reduce the abrasive wear of the cutting composite.

Пример 3. Осуществляя способ, описанный выше, берут порошок КНБ размерностью менее 100 нм - 80 масс.%, а порошок металлического алюминия добавляют в количестве 20 масс.%, смешивают и синтезируют, как в примере 1. Получают спек диаметром и высотой 5 мм, который по своей структуре также, как и в примере 2, относится к композиционному многофазному материалу со связью между зернами КНБ вновь образовавшейся в ходе спекания фазой, состоящей из тугоплавких соединений AlB2, AlBi2, AlN.Example 3. Carrying out the method described above, they take a CBN powder of dimension less than 100 nm — 80 wt.%, And aluminum metal powder is added in an amount of 20 wt.%, Mixed and synthesized, as in Example 1. A cake with a diameter and a height of 5 mm is obtained , which in its structure also, as in Example 2, relates to a composite multiphase material with a bond between CBN grains, a phase again formed during sintering consisting of refractory compounds AlB2, AlBi2, AlN.

Взаимодействие КНБ с алюминием можно представить следующими реакциями:The interaction of CBN with aluminum can be represented by the following reactions:

BN+13/12Al=AlN+1/12AlBi2;BN + 13 / 12Al = AlN + 1 / 12AlBi2;

BN+3/2Al=A IN+1/2AlB2.BN + 3 / 2Al = A IN + 1 / 2AlB2.

Использование алюминия в качестве жидкофазной составляющей приводит к наибольшему проценту скрепленных зерен до 60-90%.The use of aluminum as a liquid-phase component leads to the largest percentage of bonded grains up to 60-90%.

Если брать в расчет то обстоятельство, что в данном случае используются порошки КНБ наноразмерностей, то для покрытия всей поверхностной площади кристаллов необходимо значительное количество алюминия, а значит, и скрепляющей фазы образуется достаточно много, чтобы влиять на эксплуатационные характеристики композита.If we take into account the fact that, in this case, nanosized CBN powders are used, then a significant amount of aluminum is needed to cover the entire surface area of the crystals, which means that a bonding phase is formed quite a lot to affect the performance of the composite.

Предлагаемый способ получения поликристаллического композиционного материала также иллюстрируется следующими примерами:The proposed method for producing a polycrystalline composite material is also illustrated by the following examples:

Пример 4. Готовят смесь, состоящую из:Example 4. Prepare a mixture consisting of:

Al - 2 масс.% фракции с размером менее 7 мкм; MgB2 - 1,0 масс.% фракции с размером менее 7 мкм;Al - 2 wt.% Fractions with a size of less than 7 microns; MgB2 - 1.0 wt.% Fractions with a size of less than 7 microns;

TiC - 5 масс.% фракции с размером менее 7 мкм; BN фракции с размером менее 100 нм - остальное. Причем предварительно смешивают КНБ с алюминием в планетарной мельнице. Смешивают ингредиенты в смесителе Эйриха. Брикетируют. Брикет помещают в контейнер с нагревателем. Снаряженный контейнер синтезируют в АВД типа «углубление с наковальней» на прессе ус.630 т.с при давлении в реакционной зоне -5,0 ГПа, температуре - 1450°C в течение 18 сек. Получают спек в виде цилиндра 05Xh5. Полученный спек обрабатывают и впаивают в резцовую вставку. При испытаниях на режущие свойства по закаленной стали ХВГ 62- 64 HRCэ при режимах резания: v - 300 м/мин, s - 0,1 мм/об, t - 0,1 мм, длина проточки - 400 мм резцовая вставка показала износ по задней поверхности 0,06 мм. Дальнейшее ужесточение режимов резания приводило к разрушению режущей кромки.TiC - 5 wt.% Fractions with a size of less than 7 microns; BN fractions with a size of less than 100 nm - the rest. Moreover, the CBN is pre-mixed with aluminum in a planetary mill. The ingredients are mixed in an Erich mixer. Briquetting. The briquette is placed in a container with a heater. The equipped container is synthesized in an AVD of the “deepening with anvil” type on a press of 630 tf at a pressure in the reaction zone of 5.0 GPa and a temperature of 1450 ° C for 18 sec. Get the spec in the form of a cylinder 05Xh5. The resulting cake is processed and soldered into the cutting insert. When testing the cutting properties of hardened steel HVG 62-64 HRCe at cutting conditions: v - 300 m / min, s - 0.1 mm / rev, t - 0.1 mm, groove length - 400 mm, the cutting insert showed wear on the back surface of 0.06 mm. Further tightening of the cutting conditions led to the destruction of the cutting edge.

Пример 5. Готовят смесь порошков, состоящую из: Al - 20 масс.% фракции с размером менее 7 мкм; MgB2 - 0,5 масс.% фракции с размером менее 7 мкм; TiC - 30 масс.% фракции с размером менее 7 мкм; BN фракции с размером менее 100 нм - остальное. Смешивание и синтез производят аналогично тому, как указано в примере 4. Полученную заготовку впаивают в резцовую вставку. Для определения качества полученного материала были произведены сравнительные испытания с известным поликристаллическим материалом К-01. Испытания производили на стали ХВГ твердостью 62- 64 НЯСэ при режимах резания: v - 300 м/мин, s - 0,1 мм/об, t - 0,5 мм, длина проточки - 400 мм. В процессе испытаний всю длину проточки прошел только один резец К-01 из четырех, у трех режущая кромка подверглась механическому разрушению. У прошедшего полное испытание резца К-01 износ по задней поверхности составил 0,21 мм, при этом металлическая оправка резца приобрела цвета побежалости, что указывает на большую температуру в зоне резания из-за трения и неудовлетворительной теплопроводности материала. У испытуемого резца, полученного по примеру 5, износ при этом составил 0,09 мм, без каких либо изменений цветности металлической оправки.Example 5. Prepare a mixture of powders, consisting of: Al - 20 wt.% Fractions with a size of less than 7 microns; MgB2 - 0.5 wt.% Fractions with a size of less than 7 microns; TiC - 30 wt.% Fractions with a size of less than 7 microns; BN fractions with a size of less than 100 nm - the rest. Mixing and synthesis are carried out in the same way as described in example 4. The resulting workpiece is soldered into the cutting insert. To determine the quality of the obtained material, comparative tests were performed with the well-known polycrystalline material K-01. The tests were carried out on HVG steel with a hardness of 62-64 NNESe under cutting conditions: v - 300 m / min, s - 0.1 mm / rev, t - 0.5 mm, groove length - 400 mm. During the test, only one of the four K-01 cutters passed the entire length of the groove; in three, the cutting edge underwent mechanical destruction. For the K-01 cutter that was fully tested, the wear on the back surface was 0.21 mm, while the metal mandrel of the cutter acquired discoloration, which indicates a high temperature in the cutting zone due to friction and poor thermal conductivity of the material. The test cutter obtained in example 5, the wear was 0.09 mm, without any changes in the color of the metal mandrel.

Сравнительные испытания показывают перспективность использования материала в качестве режущего инструмента при обработке закаленных высоколегированных сталей в жестких условиях резания. При соответствующем подборе процентных соотношений вышеуказанных компонентов можно придавать материалу те или иные физико-механические свойства применительно к обрабатываемому материалу или к выполнению определенного рода работ от шлифования до резания металлов, как это иллюстрируется в примерах 4 и 5.Comparative tests show the promise of using the material as a cutting tool in the treatment of hardened high alloy steels in harsh cutting conditions. With the appropriate selection of percentages of the above components, it is possible to give the material certain physical and mechanical properties as applied to the material being processed or to perform certain kinds of work from grinding to cutting metals, as illustrated in examples 4 and 5.

Пример 6. В состав мелкокристаллического материала, включающего наноразмерную фракцию нитрида бора режущего компонента шихты (КНБ), вводятся зерна одной или двух фракций. При этом соотношение фракций КНБ может варьироваться от 1:5 до 5:1, а одна из фракций КНБ, используемая при составлении шихтового состава, - менее 0,2 мкм. Соотношение ингредиентов получаемого композиционного материала в этом случае может быть следующим, масс.%: КНБ - 75-95; в том числе фракция КНБ с размером частиц менее 200 нм 20 масс.%, а фракция КНБ с размером частиц менее 7 мкм, но более 1,25 мкм - 80 масс.%. Количество остальных ингредиентов шихты сохраняется прежнем: карбид титана (TiC) - 2-12; алюминий (Al) - 2,0-8; диборид магния - остальное.Example 6. The composition of the fine crystalline material, including the nanoscale fraction of boron nitride of the cutting component of the charge (CBN), introduces the grains of one or two fractions. The ratio of the CBN fractions can vary from 1: 5 to 5: 1, and one of the CBN fractions used in the preparation of the charge composition is less than 0.2 μm. The ratio of the ingredients of the resulting composite material in this case can be as follows, wt.%: CBN - 75-95; including the CBN fraction with a particle size of less than 200 nm, 20 wt.%, and the CBN fraction with a particle size of less than 7 microns, but more than 1.25 microns - 80 wt.%. The amount of the remaining ingredients of the charge remains the same: titanium carbide (TiC) - 2-12; aluminum (Al) - 2.0-8; magnesium diboride - the rest.

Соотношение ингредиентов получаемого композиционного материала может быть следующим, масс.%: КНБ - 75-95; карбид титана (TiC) - 2-12; алюминий (Al) - 2,0-8; диборид магния - остальное.The ratio of the ingredients of the resulting composite material can be as follows, wt.%: CBN - 75-95; titanium carbide (TiC) - 2-12; aluminum (Al) - 2.0-8; magnesium diboride - the rest.

Увеличение содержания карбида титана выше 12 масс.% ведет к снижению режущих свойств изделий и повышенному абразивному износу в процессе резания, а уменьшение содержания алюминия менее 2 масс.% приводит к снижению прочности, в отсутствии диборида магния наблюдается повышение хрупкости изделий.An increase in the titanium carbide content above 12 wt.% Leads to a decrease in the cutting properties of the products and increased abrasive wear during cutting, and a decrease in the aluminum content of less than 2 wt.% Leads to a decrease in strength; in the absence of magnesium diboride, an increase in the fragility of products is observed.

Claims

1. A method of producing a polycrystalline composite material, comprising at least two stages, the first of which produces a fine crystalline powder containing at least 25% nanoscale fractions of cubic boron nitride with a particle size of less than 100 nm, obtained by sintering hexagonal boron nitride in the presence of one of catalysts in the form of boride or nitride of an alkali or alkaline earth metal for 1-15 seconds under thermobaric exposure, and subsequent separation of fractions of cubic boron nitride particle size less than 10 microns, including at least 25 wt.% nanosized fractions, and in the second stage, metallic crushed aluminum is introduced into said separated fine-crystalline powder and mechanical alloying of cubic boron nitride grains with metal aluminum is carried out, then refractory metal carbide and catalyst are added to the mixture and mix the resulting mixture until a mixture is formed with a high degree of uniformity, after which the resulting mixture is pressed into blanks, which are subjected to thermobaric action at a pressure of 5.0-5.5 GPa, a temperature of 1300-1600 ° C for a period of time from 15 seconds to 20 minutes with the formation of a polycrystalline composite material, and when used in the first stage as an alkali or alkaline-earth metal nitride catalyst in the second stage, an alkali or alkaline earth metal boride is used as a catalyst, and when using an alkali or alkaline earth metal boride as a catalyst in the first stage, an alkali nitride is used as a catalyst go or alkaline earth metal.

2. The method according to claim 1, characterized in that at all stages use powders of chemical compounds of fractions with a particle size of less than 0.1 microns.

3. The method according to claim 1, characterized in that in the first step, lithium nitride is used as a catalyst, and in the second step, magnesium diboride is used as a catalyst to obtain a fine crystalline material including a nanoscale fraction of boron nitride.

4. The method according to claim 1, characterized in that in the first stage, to obtain a fine crystalline material, including a nanoscale fraction of boron nitride, magnesium diboride is used as a catalyst, and in the second stage, lithium nitride.

5. The method according to claim 1, characterized in that the resulting mixture is dried in a vacuum oven for 3 hours at a temperature of 300 ° C.

6. The method according to claim 4, characterized in that the resulting mixture after drying is pressed into preforms, placed in a container, which, in turn, is placed in a high pressure press, where the pressure is applied to the preforms.

7. The method according to claim 1, characterized in that the crushed metal aluminum is used in the form of a powder with a particle size of less than 10 microns.

8. The method according to claim 1, characterized in that as a dopant to increase heat resistance and prevent abrasive and chemical wear of the composite, carbides of refractory metals from 4-5-6 groups of elements are used, preferably titanium carbide.

9. The method according to claim 1, characterized in that the ingredients of the charge mass for the manufacture of a polycrystalline composite material are mixed together in the following proportions, wt. %:
catalyst no more than 1 aluminum 2-15 refractory metal carbide 10-30 cubic boron nitride (CBN) rest

9. The method according to claim 1, characterized in that the ingredients of the charge mass are mixed in a ball mill in a volatile liquid, for example toluene, for 24 hours.

10. The method according to claim 1, characterized in that at the first stage, preliminary grinding of the components of the primary mixture is carried out, consisting of hexagonal boron nitride powder, powder of one of the catalysts and an additional modifying additive, then these components are mixed until a homogeneous powder mass is obtained, which after preliminary compaction in the mold under pressure is placed in the chamber and subjected to sintering with thermobaric action on the compacted powder with a pressure of from 5.0 to 5.5 GPa at a temperature of from 1300 to 16 00 ° C for 1 to 15 seconds to obtain a sintered mass with dispersedly distributed particles of cubic boron nitride formed by crystallization of boron nitride particles in a melt of a modifying additive and one of the catalysts, then the resulting sintered mass is ground and particles of cubic boron nitride are separated from it by gas or liquid classification methods, forming a fine crystalline powder comprising at least 25% of nanoscale fractions of cubic boron nitride with times erom particles less than 100 nm.

11. The method according to claim 10, characterized in that before preparing the primary mixture, hexagonal boron nitride is pre-crushed to a particle size of less than 10 microns and dried at a temperature of about 110 ° C for about 90 minutes, the modifying additive is previously separately crushed to a particle size of less than 200 nm, and the catalyst before being introduced into the primary mixture is preliminarily separately crushed to a particle size of less than 100 μm.

12. The method according to claim 11, characterized in that the proportion of catalyst in the primary mixture is up to 10 wt. %, the proportion of modifying additives in the primary mixture is up to 4 wt. %, and the proportion of hexagonal boron nitride in the primary mixture is up to 86 wt. %

13. The method according to claim 11, characterized in that one or more oxides are used as a modifying additive.

14. The method according to p. 13, characterized in that CaO and / or MgO and / or Fe ₂ O ₃ and / or SiO ₂ and / or Al ₂ O ₃ are used as a modifying additive.

15. The method according to claim 11, characterized in that cubic boron nitride is used as a modifying additive in the form of a powder fraction with a size of 10-20 nm, taken in an amount of 0.1-0.5% by weight of the components of the primary mixture.

16. The method according to claim 11, characterized in that the modifying additive comprises cubic boron nitride in the form of a powder of nanosized fractions in an amount not exceeding 0.5% by weight of the components of the primary mixture.

17. The method according to claim 11, characterized in that the primary mixture is mixed in a mixing device such as an Eirich mixer or a V-shaped mixer, without the use of grinding media and additional grinding for about 90 minutes to a high degree of uniformity, preferably not less than 99.75 %, in a protective liquid or gas environment.

18. The method according to 17, characterized in that the gaseous medium is an inert gas, such as argon.

19. The method according to 17, characterized in that the liquid medium is a volatile liquid, such as gasoline or toluene.

20. The method according to claim 19, characterized in that the residual volatile liquid is removed by heating and drying the crushed mixture in the form of a powder in a vacuum oven for at least 2 hours at a temperature of at least 85 ° C.

21. The method according to claim 11, characterized in that the compacted powder is subjected to pressure from 5.0 to 5.5 GPa at a temperature of 1300 to 1600 ° C for 1 to 15 seconds and is carried out by placing the powder in graphite an electric heater, which is placed in a container with walls of stone material, lithographic stone, and the assembled container is installed in the central recess of the high-pressure chamber and is subjected to compression and heating to the specified exposure parameters during the mentioned period of time.

22. The method according to item 21, wherein the stone material is limestone, or pyrophyllite, or lithographic stone.

23. The method according to claim 11, characterized in that the sintered mass is ground in a jaw crusher, after which the resulting powder is placed in an acidic or alkaline liquid medium and cubic boron nitride powder with a particle size of the main fraction of less than 10 is extracted from it by gas or liquid classification methods μm, which includes at least 25% of the mass fraction of fractions with a particle size of less than 200 nm.

24. The method according to claim 11, characterized in that from the sintered mass is extracted cubic boron nitride to 50 wt. % of the initial mass of powder of hexagonal boron nitride.