Способ получения сверхтвердого поликристаллического материала

Изобретение может быть использовано для изготовления деталей и режущего инструмента для обработки износостойких материалов, в частности кремнийсодержащих алюминиевых сплавов. Слои алмазного порошка и материала пропитки, находящиеся в контакте, располагают послойно на шихте. Слой алмазного порошка разделяют на два слоя. В одном из слоев, который контактирует с материалом пропитки, используют алмазный порошок с размерами частиц от 20/14 до 2/1 мкм. Дополнительно в него вводят детонационный алмазный порошок с размерами частиц в диапазоне от 1 до 100 нанометров в количестве от 1 до 30 процентов от объема алмазного порошка этого слоя. Во втором слое, контактирующим с первым, используют алмазный порошок с размерами частиц в диапазоне от 40/28 до 28/20 мкм, причем высота этого слоя по отношению к первому составляет от 2:1 до 3:1. В качестве материала пропитки используют кремний или материалы его содержащие, например смесь порошков кремния, чешуйчатого графита и детонационного алмаза. На полученную таким образом заготовку воздействуют высоким давлением - от 3 до 8 ГПа и температурой 1200-2000°С, в течение 40-120 с. Перед воздействием высокого давления и температуры заготовке можно придать круглую, квадратную, ромбическую, треугольную, шестиугольную и другие формы. Получают сверхтвердый компакт с высокими режущей способностью и выходом годной продукции. Изобретение позволяет обеспечить высокую чистоту поверхности обрабатываемых материалов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к способам получения сверхтвердых поликристаллических материалов на основе плотных модификаций углерода и может быть использовано для изготовления различных деталей и режущего инструмента для обработки различного рода износостойких материалов, в частности кремнийсодержащих алюминиевых сплавов.

Известен способ получения сверхтвердых материалов (компактов), включающий воздействие высокого давления и температуры на смесь алмазного порошка и металлического связующего (Патент США №3141746, кл. 51-307, 21.07.64).

Недостатками этого способа являются нарушение контактов алмазных зерен, скрытая микропористость, а следовательно, и низкая прочность получаемых компактов.

Известен способ получения алмазных компактов (Авт. свид. СССР №411724, класс С01В 31/06, от 10.07.69), включающий воздействие высокого давления и температуры на алмазный порошок и связующее, расположенное отдельными слоями. Создание под давлением плотного алмазного каркаса и удаление газов путем направленной пропитки позволяет получать компакты с повышенными механическими свойствами.

Недостатком способа является незначительный размер по высоте получаемых компактов, определяемый пропитывающей способностью связующего и размером зерна исходного алмазного порошка. При зернистости алмазного порошка 5/3 мкм и материала пропитки (55 вес.% Ti и 45 вес.% Cu) высота компакта не превышает 5 мм. При более мелком размере алмазного порошка (2/1 мкм и субмикронных размеров) высота пропитки и того меньше, не превышает десятых долей мм.

Известна двухслойная режущая пластина (Авт.свид. СССР №795734, публикация 15.01.81, класс В23В 27/20), содержащая режущий слой из алмазного композиционного материала, контактирующего с металлической прокладкой, при этом поверхность режущего слоя, обращенная к подкладке, выполнена с выступами в виде шипов, пронизывающих прокладку, а сопряженные поверхности режущего слоя и прокладки выполнены рельефными и находятся в зацеплении. Подкладка выполнена из пластичного материала. Недостатками такой режущей пластины являются сложность изготовления и ограниченность ее использования.

Известен способ изготовления алмазного инструмента (Авт. свид. СССР №1192955, публикация 23.11.85, класс В24D 17/00), при котором готовят массу смешиванием поликристаллических алмазов с размерами зерен 315 -2000 мкм, монокристаллических алмазов с размером 60-250 мкм в количестве 10-50 мас.% от массы поликристаллических алмазов и связки, причем 40-80 мас.% связки предварительно накатывают на поликристаллические алмазы, а оставшуюся часть связки смешивают с монокристаллами алмаза и продолжают накатку поликристаллических алмазов. Затем заготовку подвергают холодному прессованию и спекают под давлением 8-12 кбар и температуре 950-1050°С.

Полученный алмазный инструмент может быть использован в качестве буровых коронок, шлифовальных кругов, долот. Однако изготовленные инструменты по предлагаемому способу имеют ограниченное применение.

Известен способ изготовления режущего элемента (Авт. свид. СССР №1218564, приоритет 22.12.83., публикация 1998 г., класс B22F 3/14, В24D 3/06), согласно которому воздействуют высоким давлением и температурой на расположенные в контакте друг с другом слои металлического связующего, порошка сверхтвердого материала и материала подложки. В качестве подложки используют смесь алмаза, кубического нитрида бора или их смесь с 35-65% компонентов металлического связующего с температурой плавления на 5-15% выше, чем температура плавления металлического связующего, и размером частиц 50-600 мкм. При этом нагрев осуществляют до температуры плавления металлического связующего со скоростью 150-350°С/с, а затем понижают давление до атмосферного в течение 1-3 с.

В качестве металлического связующего используют сплавы титан-медь-кобальт и медь-титан с различным содержанием компонентов. Получают режущие элементы марки «Ниборит», для скоростной обработки резанием сталей твердостью 38-58 HRC (v=150 м/мин и более) и режущие элементы марки «Алмет», для токарной и фрезерной обработки «стеклопластиковых материалов».

Недостатком такого способа является недостаточно высокая чистота обрабатываемого материала.

Известен способ изготовления абразивного элемента (Патент РФ №1380109, с приоритетом от 19.08.85 г., класс В24D 3/10), включающий воздействие высокого давления и температуры на послойно расположенные слои порошка сверхтвердого материала, металлического связующего и металлокерамической подложки, причем между металлокерамической подложкой и сверхтвердым материалом размещают слои из сплава переходных металлов с температурой плавления 1000-1300°С, процесс ведут при давлении 20-35 кбар и температуре 1000-1300°С.

В качестве сверхтвердого материала используют порошок кубического нитрида бора и/или порошок алмаза с карбидо-, боридо- или нитрообразующими добавками, взятыми в качестве 1-30% от объема сверхтвердого материала. В качестве металлического связующего берут сплав никель-титан (40-60 мас.%), цирконий-медь (70-30 мас.%).

Получаемый режущий слой композиционного материала представляет собой плотный поликристаллический спеченный слой из кубического нитрида бора, надежно соединенного с подложкой из твердого сплава, и характеризуется высокой абразивной стойкостью. Недостатком является недостаточно высокая чистота обрабатываемых материалов при точении.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ получения сверхтвердых компактов (Патент РФ №597159, с приоритетом от 04.07.74 г., класс С01В 31/06, В24D 3/06), включающий воздействие высокого давления температуры на сверхтвердый, в частности, алмазный порошок и слой металлического связующего, находящиеся в контакте друг с другом, причем сверхтвердый порошок укладывают слоями с плотностью, уменьшающейся от поверхности контакта сверхтвердого порошка с металлическим связующим.

В контейнере размещают нагреватель. На дно укладывают слой металлического связующего (сплав Ti-Cu или сплав Ni-Ti-Cr), поверх него укладывают слой из алмазных порошков с размерами частиц 3/5 и 10/14 мкм в соотношении 1:5 и слой из алмазного порошка с размерами частиц 10/14. От стенок нагревателя шихта изолируется слоем слюды, от дна - слоем нитрида бора. Сверху шихта закрывается крышкой из графита. На такую сборку воздействуют давлением 45-50 кбар и температурой 1200-1250°С.

Полученные компакты использовали в качестве деталей аппарата высокого давления.

Однако и в этом способе возникают трудности, связанные с тем, что очень мелкий алмазный порошок (субмикронных размеров) практически не пропитывается, а прочность и другие физико-механические свойства и связанные с ними режущая способность и чистота обрабатываемых деталей, величина выхода годного продукта напрямую зависят от зернистости алмазного порошка, а именно увеличиваются с уменьшением зерна.

Задачей предлагаемого способа является устранение выше перечисленных недостатков, а также увеличение режущей способности, чистоты поверхности обрабатываемых материалов, увеличение выхода годной продукции и уменьшение стоимости окончательной обработки полученного материала.

Поставленная задача получения сверхтвердого поликристаллического материала решается путем воздействия высокого давления и температуры на шихту с послойно расположенными и находящимися в контакте слоями алмазного порошка и материала пропитки.

Алмазный порошок разделяют на два слоя, в одном, который контактирует с материалом пропитки, используют алмазный порошок с размерами частиц в диапазоне от 20/14 до 2/1 мкм и дополнительно в него вводят детонационный алмазный порошок с размерами частиц от 1 до 100 нанометров и в количестве от 1 до 30 процентов от общего объема алмазного порошка этого слоя. Нанодисперсный, в дальнейшем детонационный алмаз, получают в результате воздействия детонации (взрыва) на сажу и мелкодисперсный графит (Физика импульсной обработки материалов, под ред. проф. В.В.Соболева - Д., АРТ-ПРЕСС, 2003, с.45-82). Распределение по фракциям осуществляют после очистки продуктов детонации и последующей седиментации. Во втором алмазном слое, контактирующем с первым, используют алмазный порошок с размерами частиц в диапазоне от 40/28 до 28/20 мкм, причем высота этого слоя по отношению к первому составляет от 2:1 до 3:1. В качестве материала пропитки используют кремний или материал, содержащий кремний, например кремния 50 вес.%, чешуйчатого графита 30 вес.% и детонационного алмаза 20 вес.% (Шульженко А.А., Гаргин В.Г., Шишкин В.А., Бочечка А.А Поликристаллические материалы на основе алмаза. - Киев, Наук. думка, 1989. - 192 стр.).

Заготовке перед воздействием высокого давления и температуры придают круглую, квадратную, ромбическую, треугольную, шестигранную и другие формы сечения.

На фиг.1 показана схема контейнера, осуществление предлагаемого способа.

Способ осуществляют следующим образом.

В контейнер из катлинита 1 с расположенным в нем цилиндрическим графитовым нагревателем укладывают слой материала пропитки 6. В качестве материала пропитки алмазного порошка используют кремний или материал, его содержащий, например состоящий из 50 вес.% кремния, 30 вес.% чешуйчатого графита, 20 вес.% детонационного алмаза. Добавка к кремнию графита и детонационного алмаза позволяет почти полностью предотвратить в готовых деталях наличие в порах алмазного порошка, помимо связующего карбида кремния, чистого кремния. Жидкий кремний при затвердевании увеличивается в объеме, что приводит к появлению в спеченном компакте различных дефектов, например трещин, пустот и других, ухудшающих его физико-механических свойств. Поверх материала пропитки 6 располагают слои алмазного порошка 4 и 5 с различной зернистостью, причем зернистость слоя 4 меньше зернистости слоя 5, и в слой 4, находящийся в непосредственном контакте с материалом пропитки, добавляют от одного до тридцати объемных процентов детонационного алмаза с размерами частиц от 1 до 100 нанометров, которые частично заполняют поры между зернами более крупного алмазного порошка, имеющего размеры частиц от 20/14 до 2/1 мкм. Наличие детонационного алмазного порошка в порах более крупного, вследствие его высокоразвитой поверхности и вследствие этого более высокой реакционноспособности, позволяет получать во время пропитки высокопрочный компакт с высокими режущими свойствами, с малой шероховатостью обрабатываемой поверхности, с высоким выходом годной продукции без трещин и других дефектов. Наличие свободного кремния в режущем слое полностью исключено.

В слое 5, являющемся подложкой для режущего слоя, после спекания наблюдали лишь следы свободного кремния. Сверху на слой из алмазного порошка 5 засыпают порошок карбида бора 8, имеющего зернистость не менее 60/40 мкм, который поглощает газы и загрязнения, возникающие во время направленной пропитки. Сверху и снизу сборку закрывают крышками из графита 9 и 10. От нижней крышки 10 шихту изолируют тонким слоем тепло- и электроизолирующим материалом, например гексагональным нитридом бора 7, а от стенок графитового нагревателя 2 - слюдой 3.

Реакционную ячейку с шихтой помещают в аппарат высокого давления и температуры, создают давление в интервале 3-8 ГПа и температуру в интервале 1200-2000°С, спекание проводят в интервале времени 40-180 с. Спеченную заготовку извлекают из аппарата высокого давления, после чего элементу придают с помощью шлифования и полировки форму по ГОСТу. Для уменьшения высоких энергетических затрат при обработке, например изготовление сверхтвердых элементов из образцов круглого сечения квадратными, заготовкам придают заданную форму и спекают. Таким образом, готовому элементу придают форму в поперечном сечении - квадрат, ромб, треугольник, шестигранник и др. По мере уменьшения размеров частиц алмазного порошка в слое 4 от 20/14 до 2/1 в различных примерах увеличивают размеры частиц алмазного порошка в слое 5 от 28/20 до 40/28 мкм, а также увеличивается высота слоя 5 по отношению к слою 4 от 2:1 до 3:1 и таким образом общая высота двух слоев алмазного порошка остается постоянной. Это необходимо, для того чтобы после спекания заготовка превышала как в осевом, так и радиальном направлении всего на 0,2-0,4 мм размеры режущих элементов по ГОСТу, которые получают с помощью шлифовки и полировки с минимальными материальными и энергетическими затратами. Например, размеры режущих элементов квадратного сечения, имеющих по ГОСТу размеры: сторона квадрата 9,52 мм, толщина 3,18 мм; или сторона квадрата 12,7 мм, толщина 4,76 мм.

Примеры конкретного исполнения.

Пример 1. В контейнер 1 (фиг.1) помещают графитовый нагреватель 2, имеющий внутренний диаметр 16 мм, внешний 19 мм, высоту 8 мм. На дно укладывают слой пропитки 6, представляющий смесь кремния 50 вес.%, чешуйчатого графита 30 вес.% и детонационных алмазов 20 вес.% высотой 1,5 мм. Поверх него укладывают слой 4, представляющий собой смесь алмазных порошков с размерами частиц 20/14 мкм и нанопорошка детонационного алмаза с размерами частиц 50-100 нанометров при содержании последнего 20% от объема всего этого слоя, высотой 2 мм и слой 5 алмазного порошка с размерами частиц 28/20 мкм высотой 4 мм. От стенок нагревателя шихту изолируют слоем слюды 3, а от дна - слоем 7 гексагонального нитрида бора толщиной 0,5 мм. Сверху на шихту засыпают слой 8 карбида бора толщиной 1,5 мм, а также сверху и снизу закрывают крышками 9 и 10 из графита толщиной 1 мм. Собранную реакционную ячейку помещают в аппарат высокого давления «двойной тороид 35», создают давление 8 ГПа и температуру 1600°С в течение 120 с. Полученный компакт после снятия температуры и давления извлекают из аппарата, придают ему путем шлифовки и полировки форму режущего элемента, например квадратную в сечении с размерами по ГОСТу - стороной квадрата 9,52 мм, высотой 3,18 мм. После этого изучают рентгенографический состав, оптически и электронографически микроструктуру и микротвердость с обеих сторон, с помощью ультразвука измеряют модули упругости, испытывают на предел прочности на сжатие и другие физико-механические свойства, а затем испытывают на режущую износостойкость и чистоту обработки при точении твердого сплава ВК - 15, полученного по ГОСТу 3882-74, твердостью 89-92 ед. HRA по стандартной методике:

- радиус при вершине резца из композита должен быть не более 0,05 мм.

Режим испытаний:

скорость резания, м/мин	10
продольная подача, мм/об	0,04
глубина резания, мм	0,1
время испытания на режущую способность, мин	10
радиальный износ не должен превышать, мм	0,15

Пример 2. То же самое, что и в примере 1, только графитовый нагреватель 2 (фиг.2а) имеет снаружи цилиндрическую поверхность, а внутри - полость квадратного сечения со стороной квадрата 11,5 мм, соосную с реакционной ячейкой, а слой 4 (фиг.1) состоит из алмазного порошка зернистостью 14/10 мкм и детонационного алмаза с размерами 50-100 нанометров при содержании последнего 20% от объема всего этого слоя, высота слоя 4 -2 мм, слоя 5 - 4 мм.

Пример 3. То же самое, что и в примере 1, только графитовый нагреватель 2 (фиг.2б) имеет внутри полость ромбического сечения с углами 80 и 100°, диагоналями 17 и 14,3 мм, а слой 4 (фиг.1) состоит из алмазного порошка зернистостью 10/7 мкм и детонационного алмаза с размерами частиц 30-50 нанометров при содержании последнего 15% от объема всего этого слоя, толщина слоя 4 - 1,8 мм, слоя 5 - 4,2 мм, а спекание ведется при температуре 1800°С.

Пример 4. То же самое, что и в примере 1, только графитовый нагреватель 2 (фиг.2г) имеет внутри полость шестиугольного сечения со стороной 8,5 мм, а слой 4 (фиг.1) состоит из алмазного порошка зернистостью 5/3 мкм и детонационного алмаза с размерами частиц 20-30 нанометров при содержании последнего 10% от объема всего этого слоя, толщина слоя 4 - 1,6 мм, слоя 5 - 4,4 мм, а спекание ведется при температуре 1900°С.

Пример 5. То же самое, что и в примере 1, только графитовый нагреватель 2 (фиг.2в) имеет внутри полость треугольного сечения со стороной 14,1 мм и углами 60°, а слой 4 (фиг.1) состоит из алмазного порошка зернистостью 2/1 мкм и детонационного алмаза с размерами частиц 1-10 нанометров при содержании последнего 1% от объема всего этого слоя, толщина слоя 4 - 1,5 мм, слоя 5 - 4,5 мм, а спекание ведется при температуре 2000°С в течение 180 с.

Пример 6. То же самое, что и в примере 1, только графитовый нагреватель 2 (фиг.2а) имеет снаружи цилиндрическую поверхность диаметром 25 мм, а внутри - квадратное отверстие со стороной 15 мм и высотой реакционной ячейки 12,3 мм. Размеры компонентов шихты (фиг.1). Режущий слой 4, состоящий из алмазного порошка зернистостью 20/14 мкм, к которому добавляют детонационный алмаз с размерами частиц 50-100 нанометров при содержании последнего 30% от объема всего этого слоя, имеет толщину 2,25 мм. Алмазный порошок подложки 5 зернистостью 28/20 мкм имеет толщину 4,5 мм. Материал пропитки 8-2 мм. Толщина гексагонального нитрида бора 7 - 0,5 мм. Толщина карбида бора 8 - 1,8 мм. Толщина графитовых крышек 9 и 10 - 1 мм. Спекание вели на аппарате высокого давления и температуры «двойной тороид 50», который является геометрическим подобием аппарата «двойной тороид 35»' с соотношением диаметра рабочих камер 50:35, при давлении 3 ГПа и температуре 1200°С в течение 40 с. Спеченные образцы обрабатывали со всех сторон до получения элемента по ГОСТу со стороной квадрата 12,7 мм, высотой 4,78 мм, затем исследовали их физико-механические свойства и режущую способность.

В примерах 1, 2, 6 слой алмазного порошка 5 (подложки) выполнен с размерами частиц 28/20, а в примерах 3, 4, 5 слой алмазного порошка 5 выполнен с размерами частиц 40/28.

Для сопоставления режущей способности полученных алмазных компактов и по прототипу были изготовлены образцы по способу-прототипу. Данные сравнительных испытаний сведены в таблицу. Они показали, что алмазные компакты по данному изобретению по режущей способности, выходу годной продукции и чистоте поверхности обрабатываемых материалов превосходят компакты по способу-прототипу. Последнее качество особенно важно, например, для изготовления ответственных деталей автомобильных двигателей, выполненных из кремнийсодержащих алюминиевых сплавов и других материалов», что существенно увеличивает продолжительность работы двигателей.

Таблица
Способ получения сверхтвердого материала	Состав исходной шихты режущего слоя*	Условия спекания	Размеры сверхтвердого материала после обработки	Состав режущего слоя	Радиальный износ, мм	Шероховатость обрабатываемой поверхности, мкм	Выход годной продукции, %
Давление	Температура, °С	Время спекания, с	Диаметр, мм	Сторона квадрата, мм	Большая диагональ ромба, мм	Сторона треугольника, мм	Сторона шестиугольника, мм	Толщина пластины, мм
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
По способу 1	Алмазный порошок 20/14 мкм и детонационный алмаз 50-100 нм при содержании последнего 20% от объема всего слоя	8	1600	120	14,5					3,18	Алмаз и карбид кремния			90
По способу 2	Алмазный порошок 14/10 мкм и детонационный алмаз 50-100 нм при содержании последнего 20% от объема всего слоя	8	1600	120		9,52				3,18	Алмаз и карбид кремния	0,10	0,85	95
По способу 3	Алмазный порошок 10/7 мкм и детонационный алмаз 30-50 нм при содержании последнего 15% от объема всего слоя	8	1800	120			14,5			3,18	Алмаз и карбид кремния	0,11	0,80	90
По способу 4	Алмазный порошок 5/3 мкм и детонационный алмаз 20-30 нм при содержании последнего 10% от объема всего слоя	8	1900	120					8	3,18	Алмаз и карбид кремния	0,12	0,75	95
По способу 5	Алмазный порошок 2/1 мкм и детонационный алмаз 1-10 нм при содержании последнего 1% от объема всего слоя	8	2000	180				11		3,18	Алмаз и карбид кремния	0,13	0,80	90
По способу 6	Алмазный порошок 20/14 мкм и детонационный алмаз 50-100 нм при содержании последнего 30% от объема всего слоя	3	1200	40		12,7				4,76	Алмаз и карбид кремния, следы свободного кремния	0,14	0,85	80
По прототипу	Алмазный порошок 14/10 мкм и 5/3 в соотношении 5:1	8	1600	120		9,52				3,18	Алмаз и карбид кремния, несколько % свободного кремния	0,15	0,88	75
* Подложки 5 выполнены из алмазного порошка с размерами частиц 40/28 мкм в примерах 3, 4, 5 и размерами частиц 28/20 мкм в примерах 1, 2, 6

1. Способ получения сверхтвердого поликристаллического материала, включающий воздействие высокого давления и температуры на шихту с послойно расположенными и находящимися в контакте слоями алмазного порошка и материала пропитки, отличающийся тем, что слой алмазного порошка разделяют на два слоя, в одном, который контактирует со слоем пропитки, используют алмазный порошок с размерами частиц в диапазоне от 20/14 до 2/1 мкм и дополнительно в него вводят детонационный алмазный порошок с размерами частиц в диапазоне от 1 до 100 нм в количестве от 1 до 30 процентов от объема алмазного порошка этого слоя, при этом во втором слое, контактирующем с первым, используют алмазный порошок с размерами частиц в диапазоне от 40/28 до 28/20 мкм, причем высота этого слоя по отношению к первому составляет от 2:1 до 3:1, а в качестве материала пропитки используют кремний или материалы, его содержащие, например смесь порошков кремния, чешуйчатого графита и детонационного алмаза.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что заготовке перед воздействием высокого давления и температуры придают круглую, квадратную, ромбическую, треугольную, шестиугольную и другие формы.