Поликристаллический сверхтвердый материал

 

Изобретение относится к неорганической химии, а именно к технологии получения сверхтвердых материалов, и может быть использовано при изготовлении режущих элементов правящего, бурового, а также лезвийного инструмента для работы в условиях абразивного износа, ударных нагрузок и значительных усилий резания. Сущность изобретения: для повышения эксплуатационных свойств материала поликристаллический сверхтвердый материал на основе плотных модификаций нитрида бора дополнительно содержит метастабильный гексагональный нитрид бора ГНБ-М с параметром кристаллической решетки при следующем содержании компонентов, мас.%: плотные модификации нитрида бора 95 - 99,5; метастабильный гексагональный нитрид бора 0,5 - 5,0, при этом в качестве плотных модификаций он содержит кубический нитрид бора или вюрцитный нитрид бора, или их смесь: кубический нитрид бора 95 - 5 мас.%, вюрцитный нитрид бора 95 - 5 мас.%. 2 з. п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к неорганической химии, а именно к технологии получения сверхтвердых материалов, и может быть использовано при изготовлении режущих элементов правящего, а также лезвийного инструмента для работы в условиях абразивного износа, ударных нагрузок и значительных усилий резания.

Наиболее близким техническим решением является поликристаллический материал на основе модификаций нитрида бора, получаемый прямым преобразованием пиролитического нитрида бора (ПНБ) при воздействии на него высокого давления и температуры.

Пиролитический нитрид бора представляет собой монолитные пластины белого цвета с турбостратной структурой плотность 1,9-2,2 г/см³ высокой чистоты 99,98% Получаемые прямым преобразованием ПНБ поликристаллы кубического нитрида бора отличаются высокой микротвердостью и мелкозернистой структурой. В зависимости от температуры получения материала микротвердость поликристаллов изменяется от 4000 до 8000 кг/мм², причем с ростом температуры микротвердость падает, что связано с ростом зерен в поликристалле.

Недостатком материала, принятого за прототип является высокая хрупкость его поликристаллов, что снижает эксплуатационные свойства инструмента, изготовленного из этого материала при работе в условиях воздействия ударных нагрузок, например, при прерывистом точении закаленных сталей, а также в условиях абразивного износа и больших усилий резания, например, при точении вольфрамо-кобальтовых твердых сплавов.

Цель изобретения повышение эксплуатационных свойств материала при работе в условиях ударных нагрузок, а также в условиях абразивного износа и высоких усилий резания.

Цель достигается тем, что поликристаллический сверхтвердый материал, содержащий 95,0-99,5 мас. нитрида бора плотных модификаций и 0,5-5,0 мас. гексагонального нитрида бора, дополнительно содержит метастабильный гексагональный нитрид бора ГНБ-М с параметром кристаллической решетки (6,1-6,35) , (2,49-2,5) , при этом в качестве нитрида бора плотных модификаций он содержит кубический нитрид бора или вюрцитный нитрид бора (ВНБ), или их смесь при следующем соотношении: кубический нитрид бора 95,0-5,0 мас. вюрцитный нитрид бора 95,0-5,0 мас.

Сущность изобретения заключается в том, что поликристаллический сверхтвердый материал содержит плотные модификации нитрида бора и метастабильный гексагональный нитрид бора с параметром кристаллической решетки (6,1-6,35) , (2,49-2,5) .

Наличие в поликристалле метастабильного гексагонального нитрида бора создает в нем микронапряжение, которые повышают микротвердость, трещиностойкость и стойкость материала к ударным нагрузкам. Получение таких поликристаллов осуществляется путем прямого фазового прекращения гексагонального нитрида бора в плотные модификации при воздействии высокого давления и высокой температуры в области стабильности плотных модификаций. Фазовый состав поликристаллов обеспечивается за счет выбора режимов (давление, температура, время) получения материала, а также за счет использования графитоподобного нитрида бора с заданной структурой. Проведенные исследования показали, что метастабильный ГНБ-М, присутствующий в поликристаллах представляет собой сильно сжатый гексагональный нитрид бора.

На фиг. 1 приведен фрагмент рентгенограммы поликристалла, содержащего, мас. КНБ 98; ГНБ-М 2; на фиг.2 фрагмент рентгенограммы поликристалла, содержащего, мас. КНБ 60; ВНБ 37; ГНБ 3.

Из рентгенограммы (фиг.1) видно, что линия (002) ГНБ наблюдается под углом 2Θ 29^о, в то время как в стабильном гексагональном нитриде бора эта линия наблюдается под углом 2Θ 26,76^о. Образование метастабильного ГНБ-М происходит в процессе синтеза, когда в микропорах образующейся плотной фазы происходит снижение давления и выход плотных модификаций из области устойчивости при сохранении исходного ГНБ в сжатом состоянии за счет удержания внутреннего давления, после снятия внешнего, жесткой матрицей КНБ. Следует отметить, что смещение линии (002) ГНБ с увеличением содержания гексагонального нитрида бора уменьшается, и при содержании ГНБ более 5 мас. наблюдаются два отражения стабильного ГНБ 2 Θ (002) 26,8^ои ГНБ-М 2Θ (002) 28^о.

Расчет среднеквадратичных микронапряжений показал, что микронапряжения в поликристаллах имеют максимальное значение при содержании ГНБ-М в пределах 1-3 мас. а при значениях менее 0,5 мас. и более 5 мас. микронапряжения снижаются.

П р и м е р 1. Поликристаллический сверхтвердый материал, содержащий, мас. КНБ 98; ГНБ-М 2.

Для получения материала в качестве исходного используют ПНБ с турбостратной структурой. Плотность ПНБ 1,9 г/см³, чистота 99,98% Из пластины ПНБ вырезают заготовки в виде диска диаметром 7,2 мм, высотой 4 мм. Заготовки помещают в камеру высокого давления и высокой температуры, а затем подвергают давлению 75 кбар и температуры, максимальное значение которое и время выдержки выбирались из расчета обеспечения фазового состава материала. Для предотвращения диффузии примесей в объем заготовки реакционный объем камеры был изолирован металлической фольгой.

Полученные в результате термобарической обработки поликристаллы шлифуют по плоскостям и образующей цилиндра и проводят исследования физических свойств. Фазовый состав определяют рентгеновским анализом на дифрактометре ДРОН-3 в CuKα -излучении.

Как видно из рентгенограммы (фиг.1), линия (002) ГНБ наблюдается под углом 2 Θ 29^о.

Исследования эксплуатационных свойств материала осуществляют при обработке деталей из высокообразных материалов: твердого сплава марки ВК6-ОМ и силицированного графита марки СГ-П, обработка которых лезвийным инструментом из известных сверхтвердых материалов на основе КНБ и алмаза ранее считалась неэффективной из-за низкой (5-10 мин) стойкости инструмента. Средняя стойкость инструмента, оснащенного новым сверхтвердым материалом, по критерию его радиального износа на величину 0,2 мм составляет 60 мин при обработке сплава ВК6-ОМ и 120 мин графита СГ-П при скоростях резания соответственно 12 м/мин и 50 м/мин.

П р и м е р 2. В отличие от материала в примере 1 поликристаллический сверхтвердый материал содержит, мас. КНБ 60; ВНБ 37; ГНБ-М 3. Для получения такого материала используют в качестве исходного материала высокотекстурированный трехмерноупорядоченный ПНБ, содержащий, мас. гексагональный нитрид бора 60; ромбоэдрический нитрид бора 40.

Как видно из рентгенограммы (фиг.2), образец содержит КНБ, ВНБ, ГНБ-М.

Результаты сравнительных испытаний стойкости материала (примеры 1-7) приведены в таблице из которой следует, что предлагаемый материал превосходит по эксплуатационным свойствам известные материалы.

Формула изобретения

1. ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ СВЕРХТВЕРДЫЙ МАТЕРИАЛ, содержащий 95 99,5 мас. натрида бора плотных модификаций и 0,5 5 мас. гексагонального нитрида бора, отличающийся тем, что он содержит метастабильный гексагональный нитрид бора с параметрами кристаллической решетки 2. Материал по п. 1, отличающийся тем, что в качестве нитрида бора плотных модификаций он содержит кубический нитрид бора.

3. Материал по п. 1, отличающийся тем, что в качестве нитрида бора плотных модификаций он содержит смесь кубического нитрида бора и вюрцитного нитрида бора при следующем соотношении, мас.

Кубический нитрид бора 5 95 Вюрцитный нитрид бора 5 95

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3