СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА
METHOD OF PRODUCING COMPOSITE MATERIALS FROM CUBIC BORON NITRIDE

Изобретение относится к области инструментального производства и, в частности, к получению спеченного композиционного материала, изготовленного из порошков кубического нитрида бора и связующего вещества. Такие материалы известны как компакты, композиты, спеки. Они находят широкое применение в производстве различных видов металлообрабатывающих инструментов: резцов, фрез, притиров. Известно, что композиционный материал с высоким объемным содержанием зерен сверхтвердых материалов можно получить методом пропитки под давлением жидким металлом предварительно спрессованных зерен сверхтвердого материала. В качестве пропиточного материала - связующего предпочтительно используется кремний, имеющий относительно низкую температуру плавления и позволяющий получать материал с высокой термостойкостью, твердостью, износостойкостью. Однако введение кремния в поры прессовки, содержащей в качестве сверхтвердого материала порошки кубического нитрида бора, не удается, т.к. кремний практически не смачивает кубический нитрид бора.
Проблема введения кремния в поры прессовки из кубического нитрида бора в патенте US №4220455, С04В 35/56, 1982 г., решается обработкой зерен кубического нитрида бора углеродным материалом; в патенте RU №2266268, С04В 35/5835, 2005 г. - введением углерода в поры прессовки до ее пропитки кремнием путем ее термообработки в среде углеводорода. Наличие в прессовке углеродного материала в виде пленки на зернах кубического нитрида бора или на стенках пор прессовки дает возможность пропитывать прессовку из кубического нитрида бора кремнием. Пропитку проводят при низких давлениях без использования аппаратов высокого давления, лимитирующих габаритные размеры заготовки. Недостатком таких технологий является их трудоемкость и энергоемкость, связанные с очень большой длительностью процесса получения углеродной пленки и необходимостью специального оборудования.
По патенту ЕР №0181258, С04В 35/5831, 1986 г. пропитке кремнием подвергают прессовку, содержащую смесь порошков кубического нитрида бора и углеродного материала. Введение порошков из углеродного материала улучшает проникновение кремния в поры прессовки, однако для того, чтобы пропитать прессовку на большую глубину, она должна иметь высокое объемное содержание углеродного порошка. При ведении углеродных порошков в небольшом количестве пропитку необходимо проводить при достаточно высоких давлениях, порядка 45-65 кбар.
По патенту US №4353714, В24В 1/00, 1981 г. предлагается на порошки кубического нитрида бора предварительно наносить покрытие из молибдена или вольфрама. Покрытые порошки затем формуют в заготовку и пропитывают кремнием. Покрытие порошков молибденом или вольфрамом дает возможность проводить пропитку кремнием при достаточно низких давлениях на прессах горячего прессования. Это позволяет получать изделия больших размеров и разнообразной формы. Недостаток способа заключается в том, что образующиеся в процессе пропитки в связующей фазе силициды вольфрама или молибдена делают материал твердым, износостойким, но значительно его охрупчивают, что существенно сокращает области применения материала. Кроме того, нанесение покрытия на порошки усложняют технологию изготовления материала и делает процесс энергоемким.
Наиболее близким является техническое решение по патенту US №4647546, С04В 35/583, 1987 г. Для получения композиционного материала прессовку из порошков кубического нитрида бора пропитывают связующим из кремния и алюминия. Пропитку проводят при давлениях 45-65 кбар при температуре 1200-1600°С. В результате получают теплопроводный, износостойкий, ударопрочный, термостойкий материал. Недостатком способа является необходимость применения для изготовления материала достаточно высоких давлений, что существенно ограничивает возможность изготовления заготовок больших размеров. Другим недостатком способа является то, что полученный материал не имеет электропроводимости, необходимой для получения из него изделий требуемых размеров и форм простыми способами, например с помощью электроэрозионной обработки.
Технической задачей является упрощение способа получения высокопрочного, износостойкого композиционного материала из кубического нитрида бора со связующим материалом на основе кремния, который способен проникать в поры прессовки на всю глубину пропитки при достаточно низких давлениях и температурах. Другой технической задачей является получение электропроводного композиционного материала, из которого для изготовления инструментов можно получать заготовки требуемых размеров и форм простыми способами, такими как электроэрозионная или электроискровая обработка.
Техническая задача решается тем, что в способе получения композиционного материала из кубического нитрида бора, включающем получение прессовки из порошков кубического нитрида бора и пропитку ее связующим в виде расплава кремния при давлении и температуре, лежащих в области стабильности кубического нитрида бора диаграммы состояния, в качестве расплава для пропитки прессовки берут расплав кремния с никелем.
Пропитку проводят при давлении 20-40 кбар, при температуре 1200-1400°C, лежащих в области стабильности кубического нитрида бора диаграммы состояния.
Количество пропиточного материала-связующего составляет 10,0-25,0% масс.
Количество никеля в сплаве с кремнием составляло 50-75% масс.
Сущность изобретения состоит в следующем. Было обнаружено, что расплав кремний-никель приобретает способность смачивать порошки кубического нитрида, и при температуре 1200-1400°C имеет жидкотекучесть, которая позволяет при относительно невысоких давлениях пропитывать прессовки больших размеров на полную глубину. Кроме того, при пропитке порошков кубического нитрида бора кремний-никелевым связующим удалось повысить электропроводность материала до величины, при которой его можно было обрабатывать менее трудоемким и энергоемким способом, таким как электроэрозионная обработка, для получения изделий с необходимыми геометрическими параметрами и требуемой формы.
Использование связующего, состоящего из кремния и никеля для изготовления композиционного материала из порошков кубического нитрида бора, нам неизвестно. Известно применение кремний-никелевых связующих для изготовления композиционных материалов из алмаза. Однако, учитывая, что кремний сам по себе хорошо смачивает алмазы и хорошо проникает в поры алмазной прессовки (в отличие от порошков кубического нитрида бора), никель вводят в расплав кремния при изготовлении алмазных прессовок для других целей. В патенте US №4664705 никель вводят для снижения температуры плавления связующего и для ограничения быстрого формирования карбидов кремния за счет алмаза при пропитке прессовки, т.е. уменьшается содержание алмаза в прессовке. В патентах US №4798026, №4534773, EP №0116403 никель вводят в расплав кремния для получения материала с высокими физико-механическими характеристиками. Во всех случаях никель выбирают с учетом того, что он является активным катализатором при получении алмазов синтезом. Следует также иметь в виду, что в этих алмазных материалах не была обнаружена достаточная электропроводность, необходимая для применения электроэрозионной обработки алмазных изделий.
Способ осуществляется следующим образом.
В контейнер камеры высокого давления устанавливают графитовый нагреватель, в который помещают порошки кубического нитрида бора. Сверху на порошках размещают материал связующего. Сборку подвергают давлению 20-40 кбар и затем поднимают температуру до 1200-1400°C через графитовый нагреватель. Выдерживают прессовку при температуре и давлении в течение 60-180 с. Далее снижают давление до атмосферного и температуру до комнатной. Извлекают полученный материал и подвергают его обработке для получения режущего элемента необходимой формы и размеров.
В зависимости от вида и назначения инструмента для получения композиционного материала выбирают порошки кубического нитрида бора подходящей зернистости. Для получения материала с высоким объемным содержанием порошков кубического нитрида бора берут смесь порошков из двух или трех зернистостей.
Связующее может быть размещено на порошках кубического нитрида бора в виде слоя из смеси порошков кремния и никеля. Либо из порошков кремния и никеля предварительно можно изготовить сплав и разместить его на кубическом нитриде бора в виде порошка сплава либо в виде фольги.
Количество связующего составляет 10,0-25,0% масс. Как правило, его должно быть достаточно для полного заполнения пор прессовки, в то время как пористость прессовки зависит от зернистости используемого порошка кубического нитрида бора, величины уплотнения порошка. При высоком объемном содержании порошков кубического нитрида бора в материале они находятся в контакте друг с другом, создавая прочный скелет. Предлагаемое количество связующего является достаточным для получения плотного беспористого материала с плотноупакованными зернами кубического нитрида бора. Предпочтительно порошки кубического нитрида бора берут зернистостью от 10 до 40 мкм.
Кремний и никель берут в соотношении, при котором сплав имеет наиболее низкую температуру плавления, для того чтобы можно было проводить пропитку прессовки при достаточно низких температурах - 1200-1400°C и давлениях 20-40 кбар. Для получения сплава с низкой температурой плавления никель в кремний должен быть введен в количестве 50-75% масс. В то же время такое количество никеля в сплаве сообщает материалу необходимую электропроводность. При меньшем количестве никеля в сплаве температура его плавления будет выше и существенно снизится электропроводность материала. Повышение температуры плавления сплава требует значительного повышения давления, необходимого для пропитки прессовки. Давление 20-40 кбар обеспечивает уплотнение порошков кубического нитрида бора до необходимой плотности и обеспечивает полное проникновение связующего в поры прессовки. Меньшее давление не позволит полностью пропитать прессовку, большее давление не приведет к каким-либо дополнительным эффектам. Предлагаемые давления - 20÷40 кбар дают возможность изготавливать материал больших габаритных размеров.
Использование сплава кремния с никелем в качестве связующего позволяет проводить пропитку порошков кубического нитрида бора на большую глубину и получать композиционный материал с высокой термостойкостью, теплопроводностью, износостойкостью. Так как в условиях проведения процесса пропитки происходит некоторое химическое взаимодействие сплава по поверхности зерен кубического нитрида бора, имеет место надежное удержание зерен кубического нитрида бора в связующем. В результате получается прочный композиционный материал, который может быть использован при обработке деталей с ударами. Кроме того, композиционный материал из кубического нитрида бора на связующем кремний-никель имеет электропроводимость, достаточную для эффективной менее трудоемкой электроэрозионной обработки материала.
Были изготовлены спеки из порошков кубического нитрида бора зернистостью 40/28 мкм на различных связках, которые подвергали дроблению в твердосплавной ступке, выделяя фракцию 400/315 мкм. Прочность, измеренная по 50 зернам на установке ДА-2М, представлена в таблице.
№ п/п
Пропиточный материал
Средняя прочность зерен фракции 400/315, Р<sub>50</sub>, Н
1
Аl
16,78
2
Cu-Ti
25,75
3
Ni-Ti
27,12
4
Ni-Si с содержанием никеля 50-75% масс.
51,50
Как видно из таблицы, композиционный материал, содержащий в качестве связующей фазы кремний-никель, имеет прочность значительно более высокую, чем зерна с другими известными связующими.
Был также изготовлен материал из кубического нитрида бора КМ 40/28 и КМ 20/14 в форме цилиндра при следующих режимах синтеза: давление 20, 30, 40 кбар; температура пропитки: 1200, 1300, 1400°C. Количество пропиточного материала составляло 20% масс. Определяли глубину пропитки по шлифам и сколам полученных композитов. Было установлено, что пропитка прошла на всю глубину заготовки и составила 6,6-7 мм.
На электроэрозионном станке модели FANUC α0iD с помощью латунной проволоки из цилиндра вырезали шлифовальную головку конической формы с канавками для лучшего удержания абразивного порошка. Головки были испытаны при доводке топливных форсунок дизельных двигателей и показали хорошие результаты по стойкости.