RU2698827C1 - Способ получения сверхтвердого материала и сверхтвердый материал на основе пентаборида вольфрама - Google Patents

Способ получения сверхтвердого материала и сверхтвердый материал на основе пентаборида вольфрама Download PDF

Info

Publication number
RU2698827C1
RU2698827C1 RU2018128234A RU2018128234A RU2698827C1 RU 2698827 C1 RU2698827 C1 RU 2698827C1 RU 2018128234 A RU2018128234 A RU 2018128234A RU 2018128234 A RU2018128234 A RU 2018128234A RU 2698827 C1 RU2698827 C1 RU 2698827C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
tungsten
superhard material
synthesis
boron
sintering
Prior art date
Application number
RU2018128234A
Other languages
English (en)
Inventor
Вадим Вениаминович Бражкин
Василий Иванович Бугаков
Игорь Петрович Зибров
Владимир Павлович Филоненко
Артем Ромаевич Оганов
Александр Геннадьевич Квашнин
Артем Яудатович Закиров
Андрей Александрович Осипцов
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Газпромнефть Научно-Технический Центр" (ООО "Газпромнефть НТЦ")
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 Общество с ограниченной ответственностью "Газпромнефть Научно-Технический Центр" (ООО "Газпромнефть НТЦ") filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Газпромнефть Научно-Технический Центр" (ООО "Газпромнефть НТЦ")
Priority to RU2018128234A priority Critical patent/RU2698827C1/ru
Priority to PCT/RU2018/000777 priority patent/WO2020027688A1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2698827C1 publication Critical patent/RU2698827C1/ru

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B35/00—Boron; Compounds thereof
    • C01B35/02—Boron; Borides
    • C01B35/04—Metal borides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01G—COMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G41/00—Compounds of tungsten
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/58—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/58—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides
    • C04B35/5805—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on borides
    • C04B35/58064—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on borides based on refractory borides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/64—Burning or sintering processes
    • C04B35/645—Pressure sintering
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C1/05—Mixtures of metal powder with non-metallic powder
    • C22C1/051—Making hard metals based on borides, carbides, nitrides, oxides or silicides; Preparation of the powder mixture used as the starting material therefor
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C1/05—Mixtures of metal powder with non-metallic powder
    • C22C1/051—Making hard metals based on borides, carbides, nitrides, oxides or silicides; Preparation of the powder mixture used as the starting material therefor
    • C22C1/053—Making hard metals based on borides, carbides, nitrides, oxides or silicides; Preparation of the powder mixture used as the starting material therefor with in situ formation of hard compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C29/00—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides
    • C22C29/14—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on borides
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F5/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product
    • B22F2005/001—Cutting tools, earth boring or grinding tool other than table ware
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2999/00—Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/60—Particles characterised by their size
    • C01P2004/61—Micrometer sized, i.e. from 1-100 micrometer
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/60—Particles characterised by their size
    • C01P2004/62—Submicrometer sized, i.e. from 0.1-1 micrometer
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/40—Metallic constituents or additives not added as binding phase
    • C04B2235/404—Refractory metals
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/42—Non metallic elements added as constituents or additives, e.g. sulfur, phosphor, selenium or tellurium
    • C04B2235/421—Boron
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/50—Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/54—Particle size related information
    • C04B2235/5418—Particle size related information expressed by the size of the particles or aggregates thereof
    • C04B2235/5436—Particle size related information expressed by the size of the particles or aggregates thereof micrometer sized, i.e. from 1 to 100 micron
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/50—Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/54—Particle size related information
    • C04B2235/5418—Particle size related information expressed by the size of the particles or aggregates thereof
    • C04B2235/5445—Particle size related information expressed by the size of the particles or aggregates thereof submicron sized, i.e. from 0,1 to 1 micron
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/656—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes characterised by specific heating conditions during heat treatment
    • C04B2235/6567—Treatment time
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/80—Phases present in the sintered or melt-cast ceramic products other than the main phase
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/96—Properties of ceramic products, e.g. mechanical properties such as strength, toughness, wear resistance

Abstract

Изобретение относится к области синтеза новых материалов и может быть использовано в деятельности, связанной с добычей полезных ископаемых, с обрабатывающими производствами, с медицинской промышленностью, для элементов конструкций и механизмов, требующих высокой износостойкости поверхностей. Способ получения сверхтвердого материала на основе пентаборида вольфрама включает спекание порошка вольфрама и бора при повышенных температурах и давлениях. В качестве исходных материалов для синтеза используют вольфрам с размерами частиц 1-10 мкм, субмикронный бор с размерами частиц 0,1-0,5 мкм или соединение бора – М-карборан. Синтез осуществляют при давлениях 1,5-8 ГПа и температурах 1000-1500°С, при времени выдержки 1-10 минут, при этом количество вольфрама в смеси составляет 50-90 масс.%. Процесс спекания проводят в аппаратах типа Тороид или поршень-цилиндр. Обеспечивается получение нового сверхтвердого материала, сочетающего высокую твердость и термическую устойчивость с высокой вязкостью разрушения. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл., 3 пр.

Description

Изобретение относится к области синтеза новых материалов и может быть использовано в деятельности, связанной с:
- добычей полезной ископаемых, для резцов породоразрушающего инструмента (буровых долот) и других элементов конструкций и механизмов требующих высокой износостойкости поверхностей.
- обрабатывающими производствами (машиностроение и металлообработка): машины, орудия, инструменты (режущие, скалывающие, шлифовальные и т.д.), приборы, предметы потребления, продукция оборонного назначения, создание износостойких и сверхтвердых поверхностей (уплотнения, подшипники и др.) различными методами нанесения.
- медицинской промышленностью: режущие инструменты (скальпель, ножницы, долота).
Разработанный материал с улучшенными свойствами и более дешевой технологией производства позволяет обеспечить замену традиционных материалов (включая сверхтвердые материалы и твердые сплавы) применяемых для резания, дробления, скалывания, истирания, создания износостойких и сверхтвердых поверхностей различными методами нанесения.
В настоящее время резцы для породоразрушающего и режущего инструмента в основном изготавливают из двух типов сверхтвердых материалов: синтетического поликристаллического алмаза (PCD), поликристаллического кубического нитрида бора (PCBN) или их комбинации (патент RU 2484888). Алмаз является наиболее прочным материалом (твердость по Виккерсу до 100 ГПа). Но, для синтеза алмаза и производства PCD требуются высокие давления и температуры, создаваемые в специальных аппаратах. Наиболее широко используемый в производстве диапазон давлений 5-6 ГПа, то есть десятки тысяч атмосфер, ограничивает размеры изделий и повышает их стоимость.
Подавляющее большинство патентов, в которых предлагаются варианты синтеза алмазных композитов, относятся к созданию рабочего слоя на основе алмазного микропорошка, который располагается на твердосплавной (WC-Co) основе (патент US 20160289078 А1). Такой ансамбль подвергается термобарической обработке в камере высокого давления. В рабочем слое конечного продукта частицы алмаза образуют каркас, в порах которого будет находиться связующая фаза на основе кобальта. Основным недостатком таких композитов является их термическая деструкция. При температурах выше 700°С в присутствии металлического связующего облегчается превращение алмаза в неалмазный углерод (образование карбидов металлов за счет алмаза), что приводит к разрушению композита в процессе работы.
Один из способов решения проблемы термодеструкции заключается в удалении металлической связки выщелачиванием кислотами или электрохимическими способами (патенты US 4224380, US 6544308). Эта процедура увеличивает термическую устойчивость композита, но может по-разному влиять на улучшение или ухудшение его свойств. Другой способ решения проблемы термодеструкции раскрыт в патенте US 5011514. Предлагается способ, при котором поверхность алмазного порошка сначала взаимодействует с карбидообразующим элементом, например вольфрамом, а затем поры между частицами алмаза заполняются эвтектическими композициями металла.
Термически устойчивыми являются композиты алмаза с карбидом кремния, которые получают инфильтрацией в алмазный слой жидкого кремния или спеканием гомогенной смеси порошков (патенты US 8168115, RU 2036779). Более поздние идеи использования интерметаллических соединений для обеспечения термостойкости в сочетании с высокой прочностью рассмотрены в патенте US 7473287 B2. В предлагаемом способе после срастания алмаза кобальт образует интерметаллид, который делает его инертным для активации обратного перехода алмаза в графит.
Рассмотренные методы получения PCD материалов для режущего и бурового инструмента показывают, что они имеют очень высокую стоимость из-за дорогого исходного сырья и обязательности синтеза в условиях давлений не ниже 5 ГПа. Основной недостаток PCD с кобальтом - низкая температурная устойчивость, а с кремнием - высокая хрупкость.
В патентах, описывающих способы получения керамик на основе боридов, основным методом является горячее прессование в графитовых пресс-формах (US 4292081, US 5571759, CN 106011586). Для части композиций предлагается использовать метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Например, в патенте RU 2622276 описан способ получения боридной керамики 90 мас. % (Ti0,9Cr0,1)B2 и 10 мас. % CrB. Но, при небольшой остаточной пористости около 1,5% твердость керамики по Виккерсу не превышает 26 ГПа, что существенно ниже условного порога сверхтвердости, которым принято считать 40 ГПа.
Наиболее близким к предлагаемому является способ получения тетраборида вольфрама со стехиометрией WB4 (патент CN 106116593), включающий следующие этапы: 1) порошок вольфрама и порошок бора смешивают;
2) смешанный порошок помещают в графитовую пресс-форму, нагревают в вакуумной печи до 1200-1600°С и выдерживают при этих температурах и давлениях 10-100 МПа в течение 30-180 минут.
В результате синтеза получают мягкий компакт, который измельчают для получения WB4 в виде порошка. То есть предложенный способ позволяет получить только порошковый тетраборид вольфрама, для которого необходимо разрабатывать способы консолидации, т.е. дополнительной высокотемпературной обработки при высоком давлении (1-2 ГПа) для получения сверхтвердого материала.
Технической проблемой является обеспечение замены традиционных сверхтвердых материалов для резцов породоразрушающего инструмента (буровых долот) с улучшенными свойствами.
Техническим результатом является получение нового сверхтвердого материала на основе предсказанного и синтезированного нами борида вольфрама WB5, сочетающего высокую твердость и термическую устойчивость с высокой вязкостью разрушения.
Этот материал может быть конкурентным в сравнении с композитами на основе алмаза или алмазоподобного нитрида бора, а также являться более качественной и доступной заменой твердого сплава на основе карбида вольфрама (WC).
Теоретические расчеты и исследования механических характеристик показали, что по твердости пентаборид вольфрама может быть отнесен к сверхтвердым материалам.
В качестве исходных компонентов для синтеза использовали порошковые смеси вольфрама с размерами частиц 1-10 мкм и с субмикронным бором 0.1-0.5 мкм или соединением бора (М-карборан) с общей формулой В10Н16С4О2, в молекуле которого два атома углерода занимают позиции бора в икосаэдре.
Процесс спекания смесей осуществляли при давлениях от 1.5-8 ГПа, и температурах 1000-1500°С при временах выдержки от 1 до 10 минут.
Спекание 1-10 мкм вольфрама с М-карбораном проводилось в аппаратах с камерой типа Тороид с диаметром центральной лунки 15 мм при давлениях до 8 ГПа. Камера типа Тороид представляет собой две соосные твердосплавные наковальни со специальным профилем, скрепленные стальными кольцами. Между наковальнями помещается и сжимается ячейка из литографского камня. Нагрев рабочего объема проводится пропусканием тока через графитовый нагреватель, находящийся внутри ячейки.
Процесс спекания 1-10 мкм вольфрама с М-карбораном также был проведен в аппаратах с камерой высокого давления поршень-цилиндр при давлении 1.5 ГПа. Технология спекания с использованием аппаратов с камерой типа поршень-цилиндр реализована на базе гидравлической установки для горячего прессования усилием 2000 Тс. Создание высокого давления производится нагружением одного подвижного и второго неподвижного поршней. Применение тепло- и электроизолирующей оболочки из прессованного кальцита создает надежное уплотнение и электроизоляцию подвижного поршня при ширине зазора до 0,5 мм.
В аппаратах с камерой Тороид и поршень-цилиндр также спекались смеси субмикронных и микронных порошков вольфрама и субмикронного бора.
Исходные смеси для спекания сверхтвердого материала на основе пентаборида вольфрама включают порошок вольфрама с размерами частиц 1-10 мкм, а также М-карборан (1,7- ди(оксиметил)-М-карборан) или субмикронный бор 0.1-0.5 мкм при следующем соотношении ингредиентов, масс%:
порошок вольфрама с размерами частиц 1-10 мкм 50-90 масс%
порошок бора или М-карборана 10-50 масс%
Прочные компакты из WB5 были получены при умеренных температурах реакционного спекания и без использования высоких давлений, которые необходимы для синтеза алмаза и кубического нитрида бора. Это значительно удешевляет материал, упрощает масштабирование и наработку рабочих элементов буровых долот для использования на некоторых операциях вместо PCD.
Полученные материалы на основе борида вольфрама WB5 характеризуются высокой дисперсностью структуры. Кристаллы пентаборида вольфрама имеют размеры менее 1 мкм и равносную форму, на Фиг 1 представлена микроструктура скола компакта из WB5.
Фазовый анализ полученных спеканием образцов показал, что при использовании М-карборана материал состоит из смеси боридов WB5 и WB2, причем количество WB2 составляет 20-30%. Получить компакты, не содержащие WB2, удается из смесей субмикронных порошков вольфрама и бора. На Фиг. 2 представлена дифрактограмма спеченных материалов, где 1 - спекание субмикронных порошков вольфрама и бора (1.5 ГПа, 1200°С, 10 мин), 2 - спекание микронного порошка вольфрама с М-карбораном (4.0 ГПа, 1300°С, 1.5 мин.).
Проведенные измерения твердости по методу Роквелла показали, что для твердого сплава марки ВК6 она составила 86-88 HRA, что соответствует стандартным образцам. Твердость материала (компакта) из пентаборида вольфрама составила 93-95 HRA. Если сравнивать средние площади отпечатков, полученных от вдавливания алмазного конуса, то у испытуемого образца она составила 0.91 мм2, а для твердого сплава - 1.52 мм2. То есть площадь отпечатка на компакте из пентаборида вольфрама почти в 1.7 раза меньше, что свидетельствует о его очень высокой твердости.
Пример 1
В качестве исходного материала для синтеза использован вольфрам с размерами частиц 1-10 мкм и М-карборан. Количество вольфрама в смеси 50 масс %, количество М-карборана - 50 масс %.
Спекание вольфрама с М-карбораном проводилось в камере типа Тороид при 7 ГПа и температуре 1500°С при времени выдержки 1.0 минута.
Кристаллиты борида вольфрама WB5 имеют размеры около 1 мкм и равноосную форму. В образцах присутствует около 20% борида WB2.
Твердость, определенная по методу Роквелла, составила 88-90 HRA, а площадь пятна износа - 1,45 мм2.
Термическая устойчивость материала гарантируется тем, что синтез ведется при температуре 1500°С, т.е. материал в инертной среде будет работать как минимум до такой температуры.
По степени износа синтезированный состав на основе WB5 имеют более низкую степень износа по сравнению с промышленным образцом на основе твердого сплава.
Пример 2
В качестве исходных материалов для синтеза использованы субмикронные порошки вольфрама и бора.
Количество вольфрама 1-10 мкм в смеси 70 масс %, количество субмикронного бора 0.1-0.5 мкм - 30 масс %
Спекание вольфрама с бором проводилось в камере поршень-цилиндр при давлении 1.5 ГПа, температуре 1200°С и времени выдержки - 10 минут.
Твердость определяли по методу Роквелла, износостойкость по площади пятна износа при точении абразива.
Твердость составила 93-95 HRA, площадь пятна износа - 0.91 мм
Высокая термическая устойчивость гарантируется отсутствием в материале компонентов с низкой температурой плавления.
Пример 3
В качестве исходных материалов для синтеза использованы субмикронные порошки вольфрама и бора.
Количество вольфрама 1-10 мкм мкм в смеси 90 масс %, количество субмикронного бора 0.1-0.5 мкм - 10 масс %
Спекание вольфрама с бором проводилось в камере Тороид при давлении 4.5 ГПа, температуре 1000°С и времени выдержки - 5 минут.
Фазовый состав образца после спекания 90% WB5 - 10% WB2
Теоретические расчеты показывают, что пентаборид вольфрама является сверхтвердым и сохраняет выдающиеся механические свойства до температур порядка 1700°С.
В таблице 1 приведены свойства образцов на основе пентаборида вольфрама
Figure 00000001
Полученные материалы на основе пентаборида вольфрама могут быть использованы для изготовления:
- инструментов, используемых в условиях, требующих высокой твердости и коррозионной стойкости, а также для износостойкой наплавки деталей, работающих в условиях интенсивного абразивного изнашивания с умеренными ударными нагрузками;
- различных резцов, абразивных и шлифовальных инструментов или материалов, сверл, фрез, долот для бурения и другого режущего инструмента;
- торцевых уплотнений валов механизмов, работающих в высокоабразивных или высоковязких средах.

Claims (4)

1. Способ получения сверхтвердого материала на основе пентаборида вольфрама, включающий спекание порошка вольфрама и бора при повышенных температурах и давлениях, отличающийся тем, что в качестве исходных материалов для синтеза используют вольфрам с размерами частиц 1-10 мкм, субмикронный бор 0,1-0,5 мкм или соединение бора - М-карборан, синтез осуществляют при давлениях 1,5-8 ГПа и температурах 1000-1500°С, при времени выдержки 1-10 минут, при этом количество вольфрама в смеси составляет 50-90 масс.%.
2. Способ получения сверхтвердого материала по п. 1, отличающийся тем, что процесс спекания проводят в аппаратах с камерой типа Тороид или поршень-цилиндр.
3. Сверхтвердый материал на основе пентаборида вольфрама, полученный спеканием порошка вольфрама с размерами частиц 1-10 мкм и соединения бора, отличающийся тем, что в качестве соединения бора используют 1,7-ди(оксиметил)-М-карборан (М-карборан) при следующем соотношении ингредиентов, масс.%:
порошок вольфрама с размерами частиц 1-10 мкм 50-90 М-карборан 10-50
RU2018128234A 2018-08-01 2018-08-01 Способ получения сверхтвердого материала и сверхтвердый материал на основе пентаборида вольфрама RU2698827C1 (ru)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018128234A RU2698827C1 (ru) 2018-08-01 2018-08-01 Способ получения сверхтвердого материала и сверхтвердый материал на основе пентаборида вольфрама
PCT/RU2018/000777 WO2020027688A1 (en) 2018-08-01 2018-12-03 A method of production of a superhard material and superhard material based on tungsten pentaboride

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018128234A RU2698827C1 (ru) 2018-08-01 2018-08-01 Способ получения сверхтвердого материала и сверхтвердый материал на основе пентаборида вольфрама

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2698827C1 true RU2698827C1 (ru) 2019-08-30

Family

ID=67851422

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018128234A RU2698827C1 (ru) 2018-08-01 2018-08-01 Способ получения сверхтвердого материала и сверхтвердый материал на основе пентаборида вольфрама

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2698827C1 (ru)
WO (1) WO2020027688A1 (ru)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11351609B2 (en) 2020-07-15 2022-06-07 Millennitek Llc Synthesis of tungsten tetraboride

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU206350A1 (ru) * Г. В. Самсонов, А. Я. Артамонов, А. Л. Бурыкина, А. И. Безыкорнов, О. В. Евтушенко , В. В. Стасовска Абразивный материал
CN105692641A (zh) * 2015-12-25 2016-06-22 洛阳金鹭硬质合金工具有限公司 一种硼化钨的制备方法及应用
CN106116593A (zh) * 2016-06-28 2016-11-16 东北大学 一种四硼化钨陶瓷粉体的制备方法
CN107473237A (zh) * 2017-08-24 2017-12-15 广东工业大学 一种二元钨硼化物超硬材料的制备方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU206350A1 (ru) * Г. В. Самсонов, А. Я. Артамонов, А. Л. Бурыкина, А. И. Безыкорнов, О. В. Евтушенко , В. В. Стасовска Абразивный материал
CN105692641A (zh) * 2015-12-25 2016-06-22 洛阳金鹭硬质合金工具有限公司 一种硼化钨的制备方法及应用
CN106116593A (zh) * 2016-06-28 2016-11-16 东北大学 一种四硼化钨陶瓷粉体的制备方法
CN107473237A (zh) * 2017-08-24 2017-12-15 广东工业大学 一种二元钨硼化物超硬材料的制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
WO2020027688A1 (en) 2020-02-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0308440B1 (en) Diamond compacts
US8506881B2 (en) Intermetallic bonded diamond composite composition and methods of forming articles from same
US20200071583A1 (en) Sintered polycrystalline cubic boron nitride material
Wang et al. Effects of sintering processes on mechanical properties and microstructure of Ti (C, N)–TiB2–Ni composite ceramic cutting tool material
Slipchenko et al. Superhard pcBN materials with chromium compounds as a binder
Gurgel et al. Niobium as a new binder for polycrystalline diamond (PCD) sintered via High Pressure-High Temperature (HPHT)
Jiang et al. Performance evaluation of cBN-Ti3AlC2–Al composites fabricated by HTHP method
RU2698827C1 (ru) Способ получения сверхтвердого материала и сверхтвердый материал на основе пентаборида вольфрама
Jaworska Diamond composites with TiC, SiC and Ti 3 SiC 2 bonding phase
US10252946B2 (en) Composite ceramic composition and method of forming same
Zhao et al. Influence of applied pressure on the microstructure and properties of Ti (C, N)–TiB2–Co cermets prepared in situ by reactive hot-pressing
Wang et al. Regulating the binder phase of polycrystalline diamond compact by adding tantalum to enhance the mechanical properties
RU2396232C1 (ru) Керамический материал на основе карбида бора и способ его получения
WO2022025800A1 (ru) Материалы на основе тетраборида хрома и способы их получения
AU601561B2 (en) Diamond compacts
US20230037181A1 (en) Polycrystalline cubic boron nitride material
Xueqi et al. Novel high-performance polycrystalline diamond compact enhanced using vanadium additives
Shul’zhenko et al. Diamond polycrystalline composite material and its properties
Kasonde et al. Near net shape sintering diamond enhanced tungsten carbide DEC inserts for mining, road planning and drilling applications using pulse plasma technology
Tillmann et al. PM Tool Materials: Special Diamond Tools for Dry Drilling of Mineral Materials
Gu Development of a high-temperature high-pressure process for the manufacture of Diamond-Tungsten-Metal composites for oil and gas drilling
PL244507B1 (pl) Osnowa do narzędzi metaliczno-diamentowych przeznaczonych do szlifowania powierzchni betonowych i kamiennych oraz sposób wytwarzania osnowy
PL224205B1 (pl) Kompozyt na osnowie diamentu z ceramiczną fazą wiążącą i sposób jego wytwarzania
KR860002131B1 (ko) 공구용 고경도 소결체와 그의 제법
Bobrovinitchii et al. Hard metal matrix composites reinforced with cubic boron nitride