Композиционный материал
Владельцы патента RU 2731703:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей" имени И.В. Горынина Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт" - ЦНИИ КМ "Прометей") (RU)
Изобретение относится к химической промышленности, станко-, машино- и двигателестроению и может быть использовано при изготовлении узлов трения, сопел пескоструйных аппаратов, деталей двигателей. Композиционный материал содержит, об %: 85-90 частиц алмаза и 10-15 фазы кристаллического карбида кремния. Частицы алмаза состоят по меньшей мере из двух фракций, одна из которых содержит частицы диаметром 200 мкм и более, в количестве по меньшей мере 60 об. %, при соотношении размеров малых и больших частиц (1:6)-(1:10). Плотноупакованные частицы алмаза образуют высокопрочный каркас - «скелетон», при пропитке которого расплавом кремния между частицами алмаза образуются слои кристаллического карбида кремния, полученного в результате взаимодействия расплавленного кремния с углеродом по механизму реакции типа Тьюринга. Полученный композиционный материал имеет плотность р=3,30-3,35 г/см3; модуль упругости Е=740-750 ГПа; твердость по Виккерсу HV=64-65 ГПа. 2 з.п. ф-лы, 4 ил., 2 табл., 2 пр.
Изобретение относится к получению новых композиционных материалов, а точнее к композитам на основе алмазного порошка, которые могут быть использованы в конструкциях различного назначения, узлов трения, сопел пескоструйного аппарата, деталей двигателя и др., там, где необходимо сочетание или преобладание одного, или нескольких из перечисленных свойств: высокого модуля упругости, малой плотности, высокой твердости и других физико-механических свойств. Изобретение может найти применение в различных отраслях промышленности, в том числе в станкостроении, машиностроении, двигателестроении и др.
Известен композиционный материал (патент SU №1729086, опубл. 27.11.1995), состоящий из частиц алмаза и карбида кремния, который получают с помощью формирования трехслойной системы из слоя алмазного порошка, пластины кремния и промежуточного слоя между ними, в качестве которого используют порошок или пористую пластину из карбида элемента группы, включающей бор, кремний или переходные металлы IV-VI групп, или смеси карбидов, или твердого сплава карбида вольфрама и кобальта.
Недостатками данного композиционного материала являются высокая пористость алмазосодержащего слоя, низкая прочность композита и повышенная плотность, из-за использования промежуточного слоя, включающего высокоплотные карбидные соединения.
Близким к предыдущему патенту является композиционный материал (патент RU №2347744, опубл. 27.02.2009), содержащий алмазные порошки, а также фазу связующего вещества, в качестве которой может выступать кобальт и, по меньшей мере, один из следующих элементов-Ti, Zr, Hf, V, Nb, Та, Cr, Mo. Спекание осуществляется под высоким давлением 5,7-7,5 ГПа при температуре 1400-1900°С, что является экономически менее выгодным.
Известны технические решения охраняемые патентами (RU №2036779, опубл. 09.06.1995, RU №2131805, опубл. 20.06.1999 и RU №2147982, опубл. 27.04.2000), где в качестве матрицы используется алмазный порошок марки АСМ 3/2 (RU №2036779, опубл. 09.06.1995), марки ACM 10/7 (RU №2131805, опубл. 20.06.1999) и марки ACM 28/20 (RU №2147982, опубл. 27.04.2000).
Применение в композитах алмазного порошка одной фракции приводит к низкой плотности заготовок, что, несомненно, уменьшает уровень механических свойств готовых изделий. Использование алмазных порошков малых размеров приводит к непременному сгоранию части порошков (до 50% от исходного количества алмазных порошков), что негативно сказывается на уровне механических свойств спеченных материалов.
Известен конструкционный материал (патент RU 2151126), состоящий из 20-60 об. % алмазных частиц, размещенных в матрице, содержащей 3-70% карбида кремния и 1-40 об. % кремния, материал характеризуется модулем упругости Е=500-700ГПа. Недостатком известного материала является недостаточный уровень механических свойств, а именно модуль упругости не выше 700 ГПа, низкая твердость, из-за большого содержания кремния в материале.
Известно изобретение, охраняемое патентом RU 2270821. Материал содержит: 58-81 об. % алмазных частиц, 3-39 об. % карбида кремния и 41 об. % кремния. Алмазные частицы состоят из двух фракций, причем, по меньшей мере, 50 мас. % частиц имеют размер 80 мкм и более. Недостатком известного материала является использование алмазных частиц малых размеров, что приводит к непременному сгоранию части порошков, введение в состав материала частиц карбида кремния, что снижает уровень механических свойств, а также высокое содержание кремния, значительно повышающее хрупкость готовых изделий.
Известен материал (патент RU 2206502), принимаемый за прототип. Материал содержит, зерна алмаза 50-85 об. %, кремний 2-49 об. %, карбид кремния 1-48 об. %. Недостатком известного материала является, введение в состав материала частиц карбида кремния, что снижает уровень механических свойств, а также значительно повышает хрупкость готовых изделий.
Техническим результатом настоящего изобретения является получение высокопрочного плотного композиционного материала на основе алмазных порошков с улучшенным комплексом физико-механических свойств: плотность р=3,30-3,35 г/см3; модуль упругости Еупр=740-750 ГПа; твердость по Виккерсу HV=64-65 ГПа.
Технический результат достигается тем, что конечный состав композиционного материала включает частицы алмаза - 85-90 об. % и фазу кристаллического карбида кремния - 10-15 об. %. Алмазные частицы состоят из двух фракций, по меньшей мере, 60 об. % частиц имеют диаметр 200 мкм и более.
Для достижения максимальной упаковки частиц при формовании алмазных порошков использовали двухфракционную смесь порошков, при условии применения модели гранецентрированной кубической (ГЦК) упаковки, что позволяет достигнуть коэффициента заполнения пространства - 79,4%. Для плотной упаковки соотношение размеров малых и больших частиц должно быть 1:6-1:10. Выбранная ГЦК структура состоит из 8 крупных частиц порошка, образующих куб, на гранях которого между четырьмя крупными частицами, располагаются малые частицы. Для плотной упаковки крупные частицы по размеру должны быть в 6-10 раз больше малых частиц.
Под бесструктурным слоем и в его толще располагаются кристаллы алмаза (Фиг. 1 и 2). Кристаллы лежат на плотном слое дисперсных частиц, покрывающих грань кристалла алмаза. Размеры этих частиц лежат в диапазоне от 20 до 70 нм (Фиг. 3). В полученных композиционных материалах количество вторичного карбида кремния минимально, за счет чего полученные композиционные материалы характеризуются повышенным уровнем механических свойств.
Для получения композиционного материала использовали фракции алмазных порошков размером 200-250 мкм и 20-28 мкм, что позволяет получить высокопрочный каркас («скелетон» [1]), при пропитке которого расплавом кремния между исходными алмазными частицами образуются слои кристаллического карбида кремния, полученного в результате взаимодействия расплавленного кремния с углеродом, по механизму реакции типа Тьюринга, до заполнения всего межчастичного пространства и получения плотного монолита. На Фиг. 4 представлены изображения межфазных границ карбид кремния - алмаз.
В отличие от известных технических решений предлагаемый композиционный материал содержит высокое количество алмазов, не содержит фазы кремния и обладает наибольшим уровнем механических свойств (модулем упругости и твердостью), что является основными показателями для износостойких, термостойких, броневых и других материалов.
Пример 1. Из алмазных порошков марки АСМ 28/20 (ГОСТ 9206-80) и марки АСМ 250/200 (ГОСТ 9206-80) в соотношении 30/70 готовили шихтовую смесь, которую формовали в виде образцов размером 50×50×8 мм, сушили и пропитывали жидким кремнием при температуре 1500°С. В результате получены спеченные образцы в виде плиток размером 50×50×8 мм, в которых частицы алмаза связаны кристаллическими частицами карбида кремния. Состав полученного композиционного материала приведен в таблице 1 (состав 1). Физико-механические свойства композиционного материала приведены в таблице 2 (состав 1).
Пример 2. Для получения образцов композиционных материалов использовали алмазные порошки марки АСМ 28/20 (ГОСТ 9206-80) и марки АСМ 250/200 (ГОСТ 9206-80) в соотношении 40/60 (состав 2, таблица 2). Технология получения образцов аналогична примеру 1. Состав полученного композиционного материала приведен в таблице 1 (состав 2). Физико-механические свойства композиционного материала приведены в таблице 2 (состав 2).
р - плотность, Еупр - модуль упругости, К1с - коэффициент трещиностойкости, HV - твердость по Виккерсу
Технико-экономический эффект от использования изобретения заключается в
увеличении срока службы деталей из заявленного композиционного материала.
[1] Knippenberg W.F. Growth phenomena in silicon carbide // Philips Research Report. - 1963. - V. 18. - P. 161-274.
1. Композиционный материал, содержащий частицы алмаза и фазу кристаллического карбида кремния, при этом алмазные частицы состоят по меньшей мере из двух фракций, одна из которых содержит частицы диаметром 200 мкм и более, отличающийся тем, что содержит указанные компоненты в следующем соотношении, об. %:
| частицы алмаза | 85-90 |
| кристаллический карбид кремния | 10-15 |
при этом по меньшей мере 60 об. % частиц алмаза имеют диаметр 200 мкм и более.
2. Композиционный материал по п. 1, отличающийся тем, что соотношение размеров малых и больших частиц составляет 1:6-1:10.
3. Композиционный материал по п. 1, отличающийся тем, что структура композиционного материала состоит из плотноупакованных частиц алмаза, образующих высокопрочный каркас («скелетон»), при пропитке которого расплавом кремния между исходными частицами алмаза образуются слои кристаллического карбида кремния, полученного в результате взаимодействия расплавленного кремния с углеродом по механизму реакции типа Тьюринга.
