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 PDFInfo
- 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
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
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
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
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.%:
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)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US11351609B2 (en) | 2020-07-15 | 2022-06-07 | Millennitek Llc | Synthesis of tungsten tetraboride |
Citations (4)
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 |
-
2018
- 2018-08-01 RU RU2018128234A patent/RU2698827C1/ru active
- 2018-12-03 WO PCT/RU2018/000777 patent/WO2020027688A1/en active Application Filing
Patent Citations (4)
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 | |
Jiang et al. | Performance evaluation of cBN-Ti3AlC2–Al composites fabricated by HTHP method | |
Gurgel et al. | Niobium as a new binder for polycrystalline diamond (PCD) sintered via High Pressure-High Temperature (HPHT) | |
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 | |
Wang et al. | Regulating the binder phase of polycrystalline diamond compact by adding tantalum to enhance the mechanical properties | |
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 | |
Xueqi et al. | Novel high-performance polycrystalline diamond compact enhanced using vanadium additives | |
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 | |
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 |