СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА С МЕЛКОЗЕРНИСТОЙ СТРУКТУРОЙ
METHOD OF PRODUCING POLYCRYSTALLINE CUBIC BORON NITRIDE WITH FINE-GRAIN STRUCTURE

Изобретение относится к производству поликристаллического кубического нитрида (поликристалла), имеющего мелкозернистую структуру, благодаря которой поликристалл имеет стабильные физико-механические свойства: твердость, прочность, кромкостойкость и т.п. Поликристалл может быть использован преимущественно в качестве режущих элементов для изготовления лезвийного инструмента, а также может быть использован в качестве износостойких конструкционных элементов.
Для точения деталей с высокой точностью, с высоким классом чистоты обработанной поверхности и с меньшими силами резания режущий элемент должен иметь гладкую без шероховатостей режущую острозаточенную кромку. Такую кромку можно получить на режущем элементе, изготовленном из материала с равномерной мелкозернистой структурой, с размерами зерен, величина которых не должна превышать 1 мкм.
При изготовлении поликристаллов кубического нитрида бора, а также других материалов с мелкозернистой структурой большую трудоемкость имеет процесс получения гомогенной шихты, состоящей, по меньшей мере, из двух компонентов, один из которых имеет размер зерен от 1 мкм и мельче, вплоть до 10 нм. Одним из путей решения этой проблемы является нанесение мелкозернистой составляющей шихты, имеющей размер в нанометровом диапазоне, на зерна более крупной фракции.
2
Из патента US №2009313907, кл, C09K 3/14, 2009 г. известен способ получения сверхтвердого поликристалла, при котором на поверхность частиц сверхтвердого материала, такого как алмаз, кубический нитрид бора размером 1-2 мкм наносят покрытие из связующего материала, покрытые частицы подвергают спеканию при режимах в области термодинамической стабильности кубического нитрида бора. Связующий материал на частицы наносят методом золь-гель, при этом получают частицу с покрытием, имеющим наноразмерную структуру с размером зерен в диапазоне 10-40 нм. В качестве связующего покрытия берут материалы, выбранные из группы: CrN, CrN, TiN, TaN, NbN, VN, ZrN, HfN, TiC, TaC, NbC, VC, ZRC, HfC. Предпочтительным связующим является TiN. Получаемая комплексная частица позволяет получить материал с равномерной мелкозернистой структурой путем спекания комплексных частиц. Однако полученный композит не имеет достаточной прочности, так как частицы сверхтвердого материала, и в частности кубического нитрида бора, связаны друг с другом прослойкой связующего материала, от свойств которого в большой степени зависят свойства композита.
Наиболее близким способом изготовления поликристаллического материала является способ, заключающийся в воздействии высокими давлениями и высокими температурами на гексагональный нитрид бора в отсутствие катализатора, при этом частицы гексагонального нитрида бора предварительно «легируют» атомами или «кластерами» материала, не являющегося нитридом бора. Такими материалами могут быть: цирконий, углерод, титан, кремний, алюминий, магний, нитрид лития, нитрид магния, борид алюминия, борид магния, борид никеля, нитрид титана, карбид титана и др. Легирование частиц гексагонального нитрида бора осуществляют любым известным методом: химическим осаждением паров, методом золь-гель, методом пиролиза, методом синтеза (ЕР №0512762, кл. B01J 3/06, 1992 г.). Легирование частиц гексагонального нитрида бора позволяет получать материал при значительно более низких давлениях и температурах. В соответствии с изобретением предложенная техника легирования частиц гексагонального нитрида бора обеспечивает обволакивание частиц гексагонального нитрида бора материалами вторичной или барьерной фазой для изолирования их друг от друга. Известное техническое решение направлено на возможность снижения режимов синтеза и не касалось свойств полученного материала. Предложенные в изобретении вторичные фазы не позволяют получить материал, имеющий требуемую износостойкость и кромкостойкость при обработке высоколегированных стальных и жаропрочных никелевых сплавов.
Технической задачей является повышение износостойкости и кромкостойкости поликристаллического материала при обработке высоколегированных стальных и жаропрочных никелевых сплавов.
Техническое решение задачи заключается в том, что в способе получения поликристаллического материала на основе кубического нитрида бора, включающем воздействие высоким давлением и температурой на шихту, содержащую композиционный порошок из гексагонального нитрида бора и вторичной фазы, в качестве вторичной фазы композиционный порошок содержит нитрид алюминия при соотношении гексагонального нитрида бора и нитрида алюминия (4-6):1, при этом композиционный порошок получают в режиме СВС-технологии из бор-алюминий-азотсодержащих соединений.
Композиционный порошок берут зернистостью 4-100 нм.
Синтез ведут при давлениях 60-120 кбар и температурах 1700-2400°С в области термодинамической стабильности кубического нитрида бора в течение 15-60 с.
3
3
3
3
6
2
Существенным отличием способа является то, что в качестве вторичной фазы композиционный порошок содержит нитрид алюминия. Получают композиционный порошок BNг+AlN в режиме СВС-технологии из бор-алюминий-азотсодержащих соединений по уравнениям: 8B+3NaN+AlF=AlN-8BN или 8B+3NaN+NaAlF=AlN-8BN в присутствии горючего элемента и галогенида горючего элемента. (Космачев Н.В. «Самораспространяющийся высокотемпературный синтез волокон керамических нитридных композиций с использованием азида натрия и галоидных солей», ж. Цветные металлы. 2001 г. №11, с.77-80). СВС-технология обеспечивает получение частиц в виде конгломератов зернистостью 4-100 нм с химической связью между компонентами, в котором частицы гексагонального нитрида бора не изолированы друг от друга. В результате синтеза получается материал в виде плотного поликристаллического образования, состоящего из мелких сросшихся кристалликов. Удельная поверхность частиц композиционного порошка составляет 16-18 м/г.
Нитрид алюминия является для гексагонального нитрида бора катализатором, способствующим переходу гексагонального нитрида бора в кубическую форму за короткое время синтеза. Образующиеся в небольшом количестве в процессе синтеза алюминий-бор-нитридные соединения не окажут отрицательного влияния на прочностные характеристики поликристалла. Однако, являясь химически инертными по отношению к никельсодержащим сплавам, позволят эффективно обрабатывать высоколегированные стальные и жаропрочные никелевые сплавы.
Размер композиционного порошка BNг+AlN в диапазоне 4-100 нм определяется технологическими особенностями СВС-процесса получения композиционного порошка и обеспечивает получение мелкозернистой структуры материала. Композиционный порошок данной зернистости приводит к измельчению структуры поликристалла. Мелкозернистая структура поликристалла обеспечивает возможность получения на режущем элементе острую режущую кромку, характеризующуюся высокой прочностью и кромкостойкостью. Соотношение гексагонального нитрида бора и нитрида алюминия (4-6):1 в композиционном порошке обеспечивает полный переход BNг в нитрид бора кубической формы - NBкуб. Образующиеся при синтезе алюминий-бор-нитридные соединения находятся между зернами кубического нитрида бора. При уменьшении содержания нитрида алюминия в композиционном порошке в готовом материале останется некоторое количество достаточно мягкого BNг, а при увеличении содержания нитрида алюминия в композиционном порошке в поликристалле будет содержаться большое количество алюминий-бор-нитридных соединений, которые окажут отрицательное влияние на прочностные характеристики поликристалла.
Параметры синтеза поликристаллического материала определяются требованиями, предъявляемыми к материалу, и зависят от состава шихты. Температура и давление синтеза должны лежать в области термодинамической стабильности кубического нитрида бора. Для данной шихты давление должно находиться в диапазоне 60-120 кбар, температура - 1700°С-2400°С. Время синтеза - 15-60 с. При этих параметрах создаются условия для синтеза материала в виде плотного поликристаллического образования, состоящего из мелких сросшихся кристалликов.
Способ осуществляется следующим образом.
Композиционный порошок BNг+AlN зернистостью 4-100 нм помещают в графитовый нагреватель, установленный в контейнере, собранный контейнер устанавливают в аппарат высокого давления и сжимают его до достижения давления 60-120 кбар. Нагрев шихты до температуры 1700-2400°C осуществляют через графитовый нагреватель и выдерживают условия давления 60-120 кбар, температуры - 1700°C-2400°C в течение 15-60 сек. После завершения процесса синтеза отключают электрический ток, снимают давление и из аппарата извлекают готовый продукт- поликристалл, представляющий собой прочный спек. Для дальнейшего использования спек подвергают механической обработке, закрепляют в корпусе инструмента и при необходимости осуществляют заточку для получения режущей кромки. Резцы испытывали при точении цилиндрической заготовки из стали 32Х13Н6К3М2Б, имеющей твердость HRC=58-60 в течение 5 мин. Износ резцов по задней поверхности составил 0,15 мм, против 0,22 мм у стандартных резцов. На режущей кромке выкрашивания материала не наблюдалось
Таким образом, поликристаллический материал на основе кубического нитрида бора с мелкозернистой структурой, полученный из композиционного порошка BNг+AlN зернистостью 4-100 нм при режимах, лежащих в области термодинамической стабильности кубического нитрида бора, может эффективно обрабатывать высоколегированные стальные и жаропрочные никелевые сплавы. При этом на режущем элементе можно получить острую режущую кромку, характеризующуюся высокой кромкостойкостью.