Способ получения композиционного материала высокой твердости

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51) 5 В 24 О 3/06

ГОСУДАРСТВЕН.ЮЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 2741715/26 (22) 15.03.79 (46) 15.06.93. Бюл. М 22 (71) Институт физики высоких давлений АН

СССР (72) А.Я. Преображенский, Н.С, Каличкина и

В.С. Вобликов (56) Патент ФPГ ЬЬ 2100188, кл. С 01 В 31/06 от 15.12.77.

Патент Великобритании М 1307713, кл.

В 24 D 3/04, 21.02.73. (54)(57) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА ВЫСОКОЙ

ТВЕРДОСТИ при высоких температурах и давлениях из неалмазного порошкообразИзобретение относится к производству материалов высокой твердости, а именно к п роиз водству компоэиционн ых материалов, содержащих алмаз, кубический нитрид бора, бор и их смеси, и может быть применено в приборах и инструментах с направленным механическим воздействием, отводом тепла и др.

Целью изобретения является повышение анизотропии свойств композиционного материала и улучшение его механических свойств.

Поставленная цель достигается тем, что материал со структурой алмаза используют в виде поликристаллов цилиндрической, призматической, пластинчатой форм и размещают их равномерно в порошке неалмазного материала слоями с одинаковой ориентацией каждого поликристалла в слое.

Поликристаллическое строение материала со структурой алмаза обеспечивает более flhA4HOA и жестка (чем г llhMtlll1LIA

„„!Ы,,уб81,1б А1

2 ного материала, имеющего твердость более

1000 кг/мм или приобретающего твердость более 1000 кг/мм под действием высоких температур и давлений, и материала со структурой алмаза, объем которого больше объема неалмазного порошкообразного материала, отличающийся тем, что, с целью повышения анизотропии свойств и улучшения механических свойств, материал со структурой алмаза исйольэуют в виде поликристаллов цилиндрической, призматической, пластинчатой форм и размещают их равномерно в порошке неэлмазного материала слоями, с одинаковой ориентацией каждого поликристалла в слое. связующих веществ) сцепление (срастанием, прорастанием) частиц упомянутого материала друг с другом. Применение поликристаллов со структурой алмаза вместо алмазного порошка в композиционном материале позволяет многократно сократить объем и протяженность прослоек связующего. сделать определяющими связи алмаз — алмазного типа и, как следствие, повысить механические свойства композиционного материала. Регулярная внешняя геометрия поликристаллов со структурой алмаза позволяет получать как наиболее жесткие во всех направлениях композиционные материалы, состоящие на 907. из поликристаллов со структурой алмаза, так и композиционные материалы с анизотропией.свойств в одном избранном направлении, слое и др.

Пример 1. Исходную смесь объемом в 0,1 сиз готовят из четырех обьечов порошtlhAvslt79 i 10huuotntts nvnnh 1 aavu u

768116 шести объемов поликристаллического алмаза в форме цилиндров (поперечником 1 мм, длиной 2 — 3 мм), которые размещают линейно друг за друге, торец в торец направленными вдоль оси сжатия в 12 рядов с помощью вспомогательного кольца с отверстиями на расстояниях 1,5 и 2,5 мм от центра камеры сжатия. Загрузку смеси в камеру сжатия производят в следующем порядке: сначала загружают порошкообразную компоненту слоем толщиной приблизительно равным половине длины алмазного цилиндрика. Затем на поверхность загруженного порошка накладывают кольцо с отверстиями и через отверстия делают в порошке гнезда для алмазных цилиндриков. Далее убирают кольцо, в гнезда устанавливают алмазные цилиндры и производят досыпку порошка; вновь устанавливают вспомогательное кольцо и производят установку торец в торец с первым второго этажа алмазных цилиндров. Заполненную таким образом камеру подвергают действию давления 60 кбар и температуры 1800 С в течение 10 с. Полученный в результате процесса сг1екания композицйонный материал харак-. теризуется анизотропией теплопроводности (1 кал/см-с.град — в направлении рядов и 0,1 кал/см с град — поперек рядов), жесткости (по качественной оценке) и прочности на сжатие (100 кгс/мм — в направлении

2 рядов и 25 кгс/мм — поперек рядов) при одноосном сжатии.

Пример 2. Исходную смесь объемом в 0,1 см готовят из половины объема порошкообразного гексагонального нитрида бора, половины объема твердосплавного порошка марки Т15К6 с зернистостью 3 — 5 мкм и девяти объемов поликристаллического алмаза в ви е поиэматических тел (с основанием 2 мм, высотой .1,5 мм). Загрузку смеси в камеру производят в следующем порядке: сначала загружают порошкообраэную компоненту слоем толщиной 0,5 мм.

Затем на поверхность загруженного порошка устанавливают монтажную звездочку, между лучами которой размещают алмазные призмы. Далее звездочку убирают, а зазоры(0,1 мм} между алмазными призмами заполняют порошкообразной компонент. ной смеси. Заполненную таким образом камеру подвергают действию давления 70 кбар и температуры 2000 С в течение 5 с.

Полученный в результате фазового превращения гексагонального нитрида бора и спекания компонентов смеси композиционный материал характеризуется высокой жестко10

20 с гью, а также и рочностью на сжатие до 1000 кгс/мм (в условиях всесторонней поддержки) и абразивной стойкостью 250 мг/см (превосходящими средние значения соответствующих характеристик для природных алмазов на 5 — 10 и менее насыщенных алмазной компонентой композиционных ма териалов).

Пример 3. Исходную смесь объемом в 0,1 смэ готовят иэ трех объемов порошка бора и семи объемов поликристаллического кубического нитрида бора в форме пластин (площадью 10 мм, толщиной 1 мм). Загрузку смеси в камеру производят в следующем порядке: сначала загружают порошкообразную компоненту слоем толщиной 0,5 мм, поверх укладывают сплошным слоем секторные пластины из кубического нитрида бора, на которые насыпают слой порошкообразной составляющей толщиной 0,2 мм, затем укладывают следующий слой пластин из кубического нитрида бора и следующий слой порошкообразной компоненты смеси.

Снаряженную таким образом камеру подвергают действию давления 60 кбар и температуры 1500 С в течение 10 секунд.

Полученный, в результате процесса спекания, композиционный материал имеет форму пластины, характеризуется . пикнометрической плотностью 3,30 r/cM,, з эффективно эксплуатируется в подшипниках скольжения, в подпятнике в паре с алмазной пятой при нагрузках до 40 кгс/мм, в широком диапазоне условий.

Использование предлагаемого способа получения композиционного материала обеспечивает воэможность получения композиционных материалов высокой твердости с высокой величиной и заданной

40 направленностью анизотропии свойств (теплопроводности, прочности, износостойкости), что особенно важно при использова-. нии материала в приборах и инструментах с направленным механическим воздействи45 ем, отводом тепла и др. (правящие инструменты, устройства высокого давления и т,п.); возможность получения композиционных материалов насыщенных до 90ф и более высокотвердыми веществами со

50 структурой алмаза, с более высокими механическими свойствами (абразивной стойкостью 250 Mr см, прочностью на сжатие до з

1000 кгс/мм (в условиях всесторонней поддержки) чем материалов по прототипу, имеF з ющих абразивную стойкость 50 мг/см и прочность на сжатие (в условиях всесторонней поддержки) до 300 кгс/мм .