СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СВЕРХТВЕРДОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 1995 года по МПК C04B35/56 C01B31/06 

Изобретение относится к получению сверхтвердых материалов, в частности полученных спеканием алмазных порошков с различными добавками при высоких давлениях и температурах, предназначенных для оснащения бурового, камнеобрабатывающего, волочильного, правящего и другого инструмента.

Известен способ получения сверхтвердого материала [1], согласно которому в спекаемые алмазные порошки добавляют B, Si, Be в количестве не более 3 мас. %. При этом порошки B, Si, Be можно вводить как по отдельности, так и в смеси между собой.

Однако этот способ достаточно опасен для здоровья людей из-за токсичности применяемого Be и требует применения относительно высоких давлений и температур для образования каркаса непосредственно из алмазных частиц ввиду малого количества вводимых добавок.

Наиболее близким к предлагаемому является способ получения сверхтвердых материалов [2] , включающий пропитку алмазных порошков с размером частиц 1-60 мкм при высоких давлениях и температурах сплавом эвтектического состава на основе кремния со следующими металлами: Zr, Re, Ti, Fe, Co и/или Mn. B частности, сплав Ti-Si используют с составом, соответствующим точке двойной эвтектики на диаграмме состояния: 86 ат. % Si + 14 ат. % Ti или 78 мас. % Si + 22 мас. % Ti. При этом количество эвтектического сплава составляет 25-80 ат. % от объема алмазной фазы.

Однако при получении сверхтвердых материалов спеканием алмазных порошков, сопровождающимся пропиткой эвтектическим сплавом Si - Ti, происходит взаимодействие сплава с алмазом, в результате чего сплав обедняется кремнием из-за его большей легкоплавкости и реакционной способности по сравнению с титаном. Это приводит к образованию в сверхтвердом материале повышенного количества хрупких интерметаллидов, таких как FeSi₂, ReSi₂, TiSi₂ и др. Интерметаллиды снижают прочность сверхтвердого материала, приводят к трещинообразованию, что снижает ударную вязкость материала. Кроме того, введение эвтектического сплава Ti - Si в относительно больших количествах, например 25 - 80% от объема алмазных порошков, уменьшает долю высокопрочных связей непосредственно между алмазными частицами типа алмаз-алмаз, что также понижает прочность сверхтвердого материала.

В основу изобретения положена задача разработать сверхтвердый материал, обладающий высокими эксплуатационными свойствами, а именно высокими прочностью и ударной вязкостью.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения сверхтвердого материала, включающем спекание при высоких температурах и давлении алмазных порошков со сплавом, содержащим титан и кремний, в данный сплав дополнительно вводят бор при следующем соотношении компонентов, мас. %: титан 5-12; бор 5-20; кремний остальное, при общем содержании сплава 2-18% от массы алмазных порошков.

Сплав Ti-B-Si вводят как путем предварительного замешивания с порошками алмаза, так и путем пропитки алмазных порошков в процессе спекания при размещении сплава в виде слоев по торцам алмазной насыпки.

Введение бора в сплав Ti-Si в количестве 5-20 мас. % повышает прочность и ударную вязкость сверхтвердого материала за счет образования высокопрочных карбидов бора, титана и кремния из неалмазного углерода, образующегося на неконтактной поверхности алмазных частиц при их спекании. При этом снижается температура получения сверхтвердого материала из-за образования тройной эвтектики Ti-B-Si, имеющей меньшую температуру плавления, чем двойная эвтектика Ti-Si.

При содержании бора в сплаве менее 5 мас. % требуется повышение температуры спекания сверхтвердого материала, падает его ударная вязкость. При превышении содержания бора в сплаве свыше 20 мас. % происходит увеличение неоднородности сверхтвердого материала по объему, повышаются параметры по давлению и температуре, необходимые для получения сверхтвердого материала.

Верхний предел содержания сплава Ti-B-Si 18% от массы алмазных порошков обусловлен тем, что при превышении этого количества происходит разъединение алмазных частиц друг от друга вводимым сплавом и образующимися карбидами бора, титана и кремния, уменьшается доля наиболее прочных связей алмаз-алмаз в структуре сверхтвердого материала и падает прочность сверхтвердого материала в целом. При содержании сплава Ti-B-Si в количестве менее 2 мас. % образуется мало высокопрочных карбидов титана, бора и кремния, в результате остается непрореагировавшим неалмазный углерод на поверхности алмазных частиц, образующийся в процессе спекания алмазных порошков. Это приводит к уменьшению прочности и ударной вязкости полученного сверхтвердого материала.

П р и м е р 1. Сверхтвердый материал получали из шихты, составленной из алмазного порошка с размерами частиц 14-20 мкм и порошка сплава Ti-B-Si с размером частиц 1-5 мкм с различным составом и количеством, приведенными в таблице.

Шихту готовили перемешиванием порошков алмаза и сплава Ti-B-Si в стальном смесителе типа "пьяная бочка", внутренняя поверхность которого была шаржирована алмазным порошком такой же зернистости. Телами перемешивания являлись твердосплавные шары диаметром 6 мм в количестве 70 шт., объем смесителя составлял 150 см³. Масса загруженной шихты составляла 20 г. Частота вращения смесителя - 30 об./мин при амплитуде 0,3 м.

Получение сверхтвердого материала осуществляли при давлении 8,5 ГПа в течение 3 с в камере высокого давления типа тороид объемом 1,0 см³ на пресс-установке высокого давления ДО-137А. Были получены образцы сверхтвердого материала цилиндрической формы диаметром 6 мм и высотой 3,5 мм. Прочность сверхтвердого материала характеризовалась усилием разрушения изометричных зерен размером 500-630 мкм, определяемым на приборе ПА-3 при выборке в 50 зерен. Ударную вязкость характеризовали количеством разрушенных цилиндрических образцов из 30 шт. при падении на верхний торец каждого образца твердосплавного шара массой 80 г, диаметром 2 см и высотой 0,5 м.

Данные по количеству и составу сплава Ti-B-Si, вводимого в виде порошка путем перемешивания с исходным алмазным порошком, температура получения сверхтвердого материала, прочность зерен 630/500 и характеристика способности воспринимать ударную нагрузку приведены в таблице.

П р и м е р 2. Сверхтвердый материал получали методом пропитки алмазного порошка сплавом Ti-B-Si, применяя алмазный порошок с размером зерен 14-20 мкм. Алмазный порошок размещали между слоями сплава и помещали в графитовый нагреватель. Размер частиц сплава - 10-500 мкм.

Спекание алмазных порошков одновременно с пропиткой сплавом Ti-B-Si осуществляли в камере высокого давления типа тороид объемом 1,0 см³ при давлении 8,5 ГПа в течение 3 с на пресс-установке высокого давления ДО-137А. Образцы сверхтвердого материала были получены в виде цилиндров диаметром 6 и высотой 3 мм. Прочность и ударную вязкость сверхтвердого материала характеризовали так, как указано в таблице.

Состав и количество сплава Ti-B-Si, вводимого в сверхтвердый материал методом пропитки, а также характеристики материала приведены в таблице.

Из таблицы следует, что прочность и ударная вязкость сверхтвердого материала выше, а температура его получения по предлагаемому способу ниже по сравнению с известным способом.

Использование предлагаемого способа получения сверхтвердого материала дополнительно обеспечивает по сравнению с известными способами снижение расхода твердосплавной оснастки и возможность увеличения геометрических размеров образцов.

Использование: получение буровых, каменеобрабатывающих, волочильных и правящих инструментов. Сущность изобретения: алмазный порошок с размером частиц 14-20 мкм пропитывают или смешивают с 2-18 мас.% сплава, содержащего, мас. % ; Ti 5 - 12; В 5-20, Si остальное, с размером частиц 1-5 мкм. Спекают на пресс-установке высокого давления типа "тороид" при P 8,5 ГПа в течение 3 с. Температура - 1600-1900°С. Прочность зерен 630/500 спеченного материала 170-200 Н, количество разрушенных падающим шаром образцов из 30 2-14 шт. 1 табл.

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СВЕРХТВЕРДОГО МАТЕРИАЛА, включающий спекание при высоких температуре и давлении алмазного порошка со сплавом, содержащим титан и кремний, отличающийся тем, что указанный сплав дополнительно содержит бор при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Титан - 5 - 12
Бор - 5 - 20
Кремний - Остальное
при содержании сплава 2 - 18% от массы алмазного порошка.