Способ получения алмазного композиционного материала

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ.

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 С 01 В 1/06

f --=-1

1 .

F k

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ,.

К А ВТСРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

° и ии

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) (21 ) 341 2921/26 (22) 26,03,82 (46) 30,06,93. Бюл. 1 24 (71) Всесоюзный научно-исследователь-. ский и проектный институт тугоплавких металлов и твердых сплавов (72) В.И.Вепринцев, Н.М,Кирилин, А.B.Êîë÷èí, Б,В,Продувалов и E.Â,ôóíтиков (54)(57) 1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АЛМАЗНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА, включающий размещение алмазного микропорошка с 0,5-5 мас,Ф бора и/или тугоплавких металлов между слоями кремния и последующее воздействие высокого давления при температуре в области стабильности алмаза, о т л и ч а ю

Изобретение относится к области производства сверхтвердых материалов на основе алмаза и может быть использовано при производстве бурового иня струмента.

Известен способ получения алмазно" го ксмпозиционного материала, включающий смешение алмазного порошка с

«20 мас,3 порошка алмазного композиционного материала дисперсностью на один порядок меньше, чем дисперсность алмазного порошка, с последующей пропиткой металлами или сплавами при воздействии давления до 70 кбар при температуре в области стабильности алмаза.

Недостатком способа является невысокая эксплуатационная стойкость ма" териала при бурении из-за низкой. ЯЛ 1053447 Al шийся тем, что, с целью повышения эксплуатационной стойкости мате" риала при бурении, предварительно алмазный микропорошок смешивают с 2070 мас.3 порошка алмазного поликристаллического материала зольностью

0,5-20 мас.б и дисперсностью 10500 мкм.

2, Способ по и. 1, о т л и ч а юшийся тем, что используют алмазный микропорошок дисперсностью 360 мкм.

3. Способ по и. 1, отличаюшийся тем, что бор и/или туго» плавкие металлы предварительно смеши- . вают с порошком алмазного поликрис-, таллического материала. плотности материала и наличия примесей металлов и графита.

Наиболее близким к предлагаемому

° раей является способ получения алмазного композиционного материала, включающий смешение алмазного микропорошка дисперсностью 1-14 мкм с 0,5-5 мас.Ф 4ь бора и/или тугоплавких металлов (хро- фь ма, титана, вольфрама или циркония), ф размещение смеси между слоями кремния и последующее воздействие давления 70-120 Idiap при 1400-1700РC (т.е. рбласть стабильности алмаза).

Недостатком способа является недостаточно высокая эксплуатационная стойкость материала при бурении горных пород, в частности скорость бу" рения, связанная с эаполировкой режущих кромок композиционного материала из-за однородности его структуры.

3 1053447 4

Оелью изобретения является повыше ние эксплуатационной стойкости материала при бурении, Поставленная цель достигается тем что предварительно алмазный микропорошок смешивают с 20-70 мас.4 порош-. ка алмазного поликристаллического ма. териала зольностью 0,5-20 мас.4 и дисперсностью 10-500 мкм, Используют 1п алмазный микропорошок дисперностью

3-60 мкм и бор и/или тугоплавкие металлы смешивают с порошком алмазного поликристаллического материала, Смешивание алмазного микропорошка с указанным количеством порошка алмазного поликристаллического материала при последующем спекании в условиях высоких давлений и температур обеспечивает разнообразную структуру 20 получаемого материала и самозатачивание режущей кромки при бурении горных пород, Предварительное смешение порошка алмазного поликристаллического материала с бором и/или тугоплав- 25 кими металлами способствует равномерному распределению кремния по всему объему получаемого спека.

При содержании в получаемом материале порошка алмазного поликристал- ДО лического материала менее 20 мас.0 его эксплуатационные свойства не улучшаются, а при содержании более

70 мас.4 и зольности более 20 мас.3 увеличивается пористость и уменьшается прочность спека, что снижает

его эксплуатационные свойства.

При дисперсности порошка алмазного поликристаллического материала менее 10 мкм повышается заполировка ре- 40 жущих кромок поликристаллического материала, а при дисперсности выше

500 мкм снижается прочность материала из-за повышенной разнородности частиц, что снижает эксплуатационные свойства материала, При содержании бора и/или тугоплавких металлов в порошке алмазного поликристаллического материала менее

0,5 мас.4 ухудшается равномерность распределения кремния в материале в процессе спекания, а при содержании

16олее 5 мас.4 снижается теплостойкость материала.

Алмазный поликристаллический материал в виде забракованных заготовок, а также их отходы, полученные при дроблении и изготовлении шлифпорошков, измельчают до 10-500 мкм и проводят магнитную сепарацию материала для удаления 8-12 мас ° l металлических примесей; После этого полученный порошок обрабатывают при нагревании в хлористоводородной или нитратной кислоте и промывают при многократном кипячении в дистиллярованной воде в течение 0,5-1,5 ч для удаления графита> содержащегося на поверхности поликристалла, контактирующего с графитовым нагревателем, Очищенный порошок алмазного поликристаллического материала высушивают и прокаливают на воздухе при 200-400 С в течение 2040 мин для удаления летучих органических примесей, Подготовленный таким образом порошок алмазного поликристаллического материала смешивают с 0,5-5 мас.> бора и/или тугоплавкого металла, а затем смешивают с алмазным микропорошком дисперсностью 1-60 мкм и размещают между слоями кремния, взятого в количестве 8"153 от массы смеси. Полученную заготовку помещают в графитовый нагреватель камеры высокого давления и воздействуют давлением при температуре в области стабильности алмаза.

Пример 1, 35 мг порошка алмазного поликристаллического материала марки АРС (ГОСТ 9206-80) дисперсностью 10-500 мкм, очищенный от примесей, с зольностью 2 мас,3 смешивают с порошком бора дисперсностью менее 0,1 мкм, взятого в количестве

0,5 мас.3. Затем полученную смесь смешивают с 75 мг алмазного микропорошка (ГОСТ 9206-80) дисперсностью

10-14 мкм и располагают между слоями кремния (8 мг) толщиной 0,7"0,8 мм, Полученную заготовку помещают в графитовый нагреватель камеры высоко" го давления и спекают при 100 кбар и

1600 С в течение 1,5 с. Получают алмазный композиционный материал в виде спека диаметром 3,8 мм, высотой

3,7 мм и массой 0,6 карата, В составе композиционного материала обнаружены, мас.3: кремний 0,5, кальций 1,5, карбид кремния 11, карбид железа 2 и карбид бора следы, Плотность материала 3,51 г/смз, прочность на сжатие

710 кг/ммз, Пример 2. 96 мг порошка алмазного поликристаллического материала марки APB дисперсностью 10-500 мкм с зольностью 20 мас.4 смешивают с

Примечание

У при- Наименование коммера понентов и их содержание, мас,4

Потеря, мас.4 в час

Количество бора или тугоплввких

Иэносостойкост материа-, ла, мг металлов, мас.4

1, АРС - 30 0,5 8 0,7

АСИ 14/10 мкм 70

3,2

2 АРВ - 70

АСИ 7/5 мкм — 30 5 С 0!9 5 6

АРВ и APK - 50

ACM 5/3 мкм - 50

APB u APK " 50

ACM 5/3 мкм - 50

11,8

0,8

5 АРВ и АРК вЂ” 50

ACM 5/3 мкм - 50

6 APB u APK - 50 1 смеси Ti-M

АСИ 5/3 мкм - 50 s соотн, 1:1

7 APB u APK " 50

АСИ 5/3 мкм " 50

64, 0 Порошок APC (10 мин) не подвергался кислотной обработке и кипячению в воде

8 АРС " 50

АСИ 5/3 мкм - 50

8.0

9 по АСИ 1/О мкм про- АСИ 7/5 мкм тотипу АСИ 14/10 мкм

73,5

11,7 (10 мин) 3 Gi

5 10

4,8 мг порошка хрома дисперсностью

<0,1 мкм, в смесь добавляют 24 мг алмазного микропорошка дисперностью 57 мкм при перемешивании и располагают между слоями кремния (10 мг) толщиной 0,9 мм, Полученную заготовку помещают в графитовый нагреватель камеры высокого давления и спекают при 120 кбар и

1700 С в течение 1 с, Получают алмазный композиционный материал в виде спека диаметром 3,2 мм, высотой . 3,6 мм и массой 0,66 карата, Плотность материала 3,53 г/смэ, прочность на сжатие 680 кг/мм2, В таблице приведены износостойкость и термостойкость получаемого композиционного материала по предло-. женному способу и по прототипу, Износостойкость определяли по методике ТУ 48-4202-18-78 при истира53447 6 нии образцов алмазного компоэицион" ного материала по блоку иэ 4 абразивных кругов из зеленого карбида кремния при следующих режимах испытаний: скорость вращения блока 190 об/мин, продольная подача 0,2 мм/об и давление в контакте "образец-абразив" 1,52, 0 кГс.

1() Износостойкость оценивали как потерю массы образца в мг за один цикл испытаний (5 проходов) .

Термостойкость образцов характеризовали потерей массы образцов в Ф

15 при нагреве при 800 С на воздухе в течение 60 мин, Как видно из таблицы, материал, полученный по предлагаемому способу, 20 по износостойкости при бурении в 1012 раэ превышает износостойкость ма» териала, полученного по прототипу.