Способ получения поликристаллического алмазсодержащего материала Советский патент 1993 года по МПК C01B31/06 

Изобретение относится к производству синтетических сверх-твердых материалов на основе алмаза, которые могут быть использованы для оснащения буровых коронок и других инструментов, работающих в тяжелых условиях абразивного износа.

Известен способ получения поликристаллического алмазосодержащего материала, включающий смешение алмазного порошка с одной или несколькими добавками, выбранными из группы: кремний, , титан, железо, никель, кобальт, бор и др., взятых в количестве 6-50 мас,% с последующим спеканием смеси при 140073400°С и давлении 30-100 кбар.

Недостатком способа является повышенное содержание металлических примесей, которые снижают износостойкость поликристаллического материала

при работе в условиях абразивного износа и нагрева, например при бурении горных пород.

О

Наиболее близким является способ

о получения поликристаллического a;waзосодержащего материала, включающий

...Jk

hO размещение прокаленного алмазного

со порошка между слоями порошка кремния и последующее спекание при давлении 35-55 кбар и температуре 1400-1700°С.

Недостатком указанного способа является невысокая износостойкость материала из-за частичной графитизации алмазных зерен при спекании в указанном интервале давлений.

Целью изобретения является повышение износостойкости поликристаллического алмазосодержащего материала.

Поставленная цель достигается тем, что смешивают прокаленный алмазный порошок с 0,5-5 мас. добавки из

группы: бор, хром, марганец, титан, металл группы железа или сплав на их основе, размещают между слоями порошка кремния и воздействуют при спе кании давлением 70-120 кбар при 14001700С,

При высоких давлениях кремний вызывает появление трещин на алмазных зернах, что снижает качество получае мого материала Введение указанных добавок предохраняет алмазные зерна от разрушающего действия кремния и тем самым повышает износостойкость материала.

При содержании добавок менее 0,5 масД снижается прочность материала, а при содержании добавок выше 5 мае,снижается его износостойкость . Спекание шихты на основе алмазного порошка при ЙОО-1700°С и давлениях ниже 70 кбар приводит к частичной графитизации алмазных частиц в материале, что обуславливает снижение износостойкости. При спекаНИИ шихты в области давлений выше 120 кбар износостойкость материала не увеличивается и процесс становится экономически невыгодным из-за повышенного расхода твердого сплава на спекание.

В связи :с различным объемом пор в алмазосодержащем материале в зависимости от гранулометрического состава алмазов количество исходного кремния 8 слоях заведомо берется с избытком (8-15% от массы шихты), чтобы гарантировать при спекании пропитку всей массы материала. При смешении с алмазами кремний, препятствует спеканию алмазных частиц.

Пример 1. Алмазные порошки с размером зерен 3-1 мкм прокаливают на воздухе при в течение 10 мин для удаления влаги, летучих органических примесей и активации поверхности. Прокаленные алмазные порош1 и смешивают с порошком хрома (зернистостью менее 1 мкм), взятого в количестве 0,5 мас. алмазов. Полученную шихту помещают между слоями порошка кремния в трубчатом нагревателе камеры высокого давления. Смесь спекают при и давлении 120 кбар в течение 3,5с,

Полученный спек отделяют от нагре вателя и избыточного количества кремния механическим методом. Поликристаллический алмазный материал представляет собой скелет из сросшихся алмазных зерен со связью алмаз-алмаз, пространство между которыми заполнено карбидом кремния, кремнием, карбидами и силицидами.хрома и других металлов, присутствующих в качестве примесей в алмазных порошках. Состав материала, мас.%: Кремний и карбид кремния 10 Металлы и их карби 1Ы и силициды1,6,:

АлмазОстальное

Прочность поликристаллического алмазосодержащего материала на сжатие, определенная по методике ГОСТ 9206-80 составляла 600 кг/мм, микротвердость - 9500 кг/мм2. При бурении горных пород инструментом, оснащенным полученным материалом пробурено 1,07 м, при норме по ГОСТ 9206-80 1 м.

Пример 2. Так же, как и в примере 1 приготавливают шихту с содержанием 5 мас.% хрома Смесь спекают при 1700С и 70 кбар за 1,5 с. Состав материала, мас.:

Кремний и карбид кремния 9 Металлы и их карбиды и силициды6,1

АлмазОстальное

Прочность материала на сжатие 950 кг/мм, микротвердость ВЗОО кг/мм Коронкой из полученного материала пробурено 1,6 м скважины.

Пример Зо Так же, как и в примере 1, приготавливают шихту с содержанием сплава СНГМ (хром 16-18, бор 2,5-3. железо до 2,5%, кремний 3,5-А%, углерод 0,7% и никель - остальное) в количестве 2% от массы алмазного порошка. Смесь спекают при 1550С и 90 кбар в течение 1 с. Буровой коронкой пробурено 2,23 м скважины..

Пример . По примеру 1 приготавливают шихту с 2,5% кобальта, размером частиц до 1 мкм. Смесь спекают при и 100 кбар за 3,5 с. Буровой коронкой пробурено 2 м скважины

Пример 5. По примеру 1 приготавливают смесь с содерканием 2,5 мас.% бора зернистостью 0,10,5 мкм. Смесь спекают при и 80 кбар за 2 с. Буровой коронкой пробурено 1,95м скважины.

Пример 6. По примеру 1 приготавливают смесь алмазов с 3 мас,% марганца. Шихту спекают при 80 кбар и за 2 Се Буровой коронкой пробурено 1,8 м скважины. Пример 7. По примеру 1 приготавливают смесь алмазов с мас.% титана. Шихту спекают при 90.кбар и в течение 1,5 с. Буровой коронкой пробурено 1,85 м скважины. В таблице приведены сравнительные испытания полученного композиционного материала по предложенному способу (пример 1) и по прототипу. Испытания проводились по методике ТУ 4819-22 -80 путем истирания образцов по блоку абразивных кругов из зеленого карбида кремния. 1 Режимы испытаний: Скорость вращения абразивного блока - 190 об/мин. Удельное давление на образец А,5-6,О КГ/СМ2. Величина продольной подачи за 1 оборот - 0,2 мм. Время испытания - 10 мин. Как следует из таблицы, материал, полученный по предлагаемому способу по износостойкости более, чем в 30 раз превосходит известный. Благодаря высокой износостойкости материала возможно его использовать при бурении абразивных и других крепких г.о род. Таблица

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО АЛМАЗСОДЕРЖАЩЕГО МАТЕРИАЛА, включающий размещение слоя прокаленного порошка алмаза между слоями порошка кремния и последующее спекание при 1400-1700°С и высоком давлении, отличающийся тем, что, с целью повышения износостойкости материала, предварительно порошок алмаза смешивают с 0,5 5 мас. добавки из группы; бор, хром, марганец, титан, металл группы железа или сплав на их основе и воздействуют при спекании давлением 70 120 кбаро

Предлагаемый

(пример 1) Р

90 кбар

Прототип

Из твердого сплава ВК6

0,3

1 37

11,0

824

55,0