Композиционный материал
COMPOSITE MATERIAL

Изобретение относится к получению новых композиционных материалов, а точнее к композитам на основе алмазного порошка, которые могут быть использованы в конструкциях различного назначения, узлов трения, сопел пескоструйного аппарата, деталей двигателя и др., там, где необходимо сочетание или преобладание одного, или нескольких из перечисленных свойств: высокого модуля упругости, малой плотности, высокой твердости и других физико-механических свойств. Изобретение может найти применение в различных отраслях промышленности, в том числе в станкостроении, машиностроении, двигателестроении и др.
Известен композиционный материал (патент SU №1729086, опубл. 27.11.1995), состоящий из частиц алмаза и карбида кремния, который получают с помощью формирования трехслойной системы из слоя алмазного порошка, пластины кремния и промежуточного слоя между ними, в качестве которого используют порошок или пористую пластину из карбида элемента группы, включающей бор, кремний или переходные металлы IV-VI групп, или смеси карбидов, или твердого сплава карбида вольфрама и кобальта.
Недостатками данного композиционного материала являются высокая пористость алмазосодержащего слоя, низкая прочность композита и повышенная плотность, из-за использования промежуточного слоя, включающего высокоплотные карбидные соединения.
Близким к предыдущему патенту является композиционный материал (патент RU №2347744, опубл. 27.02.2009), содержащий алмазные порошки, а также фазу связующего вещества, в качестве которой может выступать кобальт и, по меньшей мере, один из следующих элементов-Ti, Zr, Hf, V, Nb, Та, Cr, Mo. Спекание осуществляется под высоким давлением 5,7-7,5 ГПа при температуре 1400-1900°С, что является экономически менее выгодным.
Известны технические решения охраняемые патентами (RU №2036779, опубл. 09.06.1995, RU №2131805, опубл. 20.06.1999 и RU №2147982, опубл. 27.04.2000), где в качестве матрицы используется алмазный порошок марки АСМ 3/2 (RU №2036779, опубл. 09.06.1995), марки ACM 10/7 (RU №2131805, опубл. 20.06.1999) и марки ACM 28/20 (RU №2147982, опубл. 27.04.2000).
Применение в композитах алмазного порошка одной фракции приводит к низкой плотности заготовок, что, несомненно, уменьшает уровень механических свойств готовых изделий. Использование алмазных порошков малых размеров приводит к непременному сгоранию части порошков (до 50% от исходного количества алмазных порошков), что негативно сказывается на уровне механических свойств спеченных материалов.
Известен конструкционный материал (патент RU 2151126), состоящий из 20-60 об. % алмазных частиц, размещенных в матрице, содержащей 3-70% карбида кремния и 1-40 об. % кремния, материал характеризуется модулем упругости Е=500-700ГПа. Недостатком известного материала является недостаточный уровень механических свойств, а именно модуль упругости не выше 700 ГПа, низкая твердость, из-за большого содержания кремния в материале.
Известно изобретение, охраняемое патентом RU 2270821. Материал содержит: 58-81 об. % алмазных частиц, 3-39 об. % карбида кремния и 41 об. % кремния. Алмазные частицы состоят из двух фракций, причем, по меньшей мере, 50 мас. % частиц имеют размер 80 мкм и более. Недостатком известного материала является использование алмазных частиц малых размеров, что приводит к непременному сгоранию части порошков, введение в состав материала частиц карбида кремния, что снижает уровень механических свойств, а также высокое содержание кремния, значительно повышающее хрупкость готовых изделий.
Известен материал (патент RU 2206502), принимаемый за прототип. Материал содержит, зерна алмаза 50-85 об. %, кремний 2-49 об. %, карбид кремния 1-48 об. %. Недостатком известного материала является, введение в состав материала частиц карбида кремния, что снижает уровень механических свойств, а также значительно повышает хрупкость готовых изделий.
3
упр
Техническим результатом настоящего изобретения является получение высокопрочного плотного композиционного материала на основе алмазных порошков с улучшенным комплексом физико-механических свойств: плотность р=3,30-3,35 г/см; модуль упругости Е=740-750 ГПа; твердость по Виккерсу HV=64-65 ГПа.
Технический результат достигается тем, что конечный состав композиционного материала включает частицы алмаза - 85-90 об. % и фазу кристаллического карбида кремния - 10-15 об. %. Алмазные частицы состоят из двух фракций, по меньшей мере, 60 об. % частиц имеют диаметр 200 мкм и более.
Для достижения максимальной упаковки частиц при формовании алмазных порошков использовали двухфракционную смесь порошков, при условии применения модели гранецентрированной кубической (ГЦК) упаковки, что позволяет достигнуть коэффициента заполнения пространства - 79,4%. Для плотной упаковки соотношение размеров малых и больших частиц должно быть 1:6-1:10. Выбранная ГЦК структура состоит из 8 крупных частиц порошка, образующих куб, на гранях которого между четырьмя крупными частицами, располагаются малые частицы. Для плотной упаковки крупные частицы по размеру должны быть в 6-10 раз больше малых частиц.
Под бесструктурным слоем и в его толще располагаются кристаллы алмаза (Фиг. 1 и 2). Кристаллы лежат на плотном слое дисперсных частиц, покрывающих грань кристалла алмаза. Размеры этих частиц лежат в диапазоне от 20 до 70 нм (Фиг. 3). В полученных композиционных материалах количество вторичного карбида кремния минимально, за счет чего полученные композиционные материалы характеризуются повышенным уровнем механических свойств.
Для получения композиционного материала использовали фракции алмазных порошков размером 200-250 мкм и 20-28 мкм, что позволяет получить высокопрочный каркас («скелетон» [1]), при пропитке которого расплавом кремния между исходными алмазными частицами образуются слои кристаллического карбида кремния, полученного в результате взаимодействия расплавленного кремния с углеродом, по механизму реакции типа Тьюринга, до заполнения всего межчастичного пространства и получения плотного монолита. На Фиг. 4 представлены изображения межфазных границ карбид кремния - алмаз.
В отличие от известных технических решений предлагаемый композиционный материал содержит высокое количество алмазов, не содержит фазы кремния и обладает наибольшим уровнем механических свойств (модулем упругости и твердостью), что является основными показателями для износостойких, термостойких, броневых и других материалов.
Пример 1. Из алмазных порошков марки АСМ 28/20 (ГОСТ 9206-80) и марки АСМ 250/200 (ГОСТ 9206-80) в соотношении 30/70 готовили шихтовую смесь, которую формовали в виде образцов размером 50×50×8 мм, сушили и пропитывали жидким кремнием при температуре 1500°С. В результате получены спеченные образцы в виде плиток размером 50×50×8 мм, в которых частицы алмаза связаны кристаллическими частицами карбида кремния. Состав полученного композиционного материала приведен в таблице 1 (состав 1). Физико-механические свойства композиционного материала приведены в таблице 2 (состав 1).
Пример 2. Для получения образцов композиционных материалов использовали алмазные порошки марки АСМ 28/20 (ГОСТ 9206-80) и марки АСМ 250/200 (ГОСТ 9206-80) в соотношении 40/60 (состав 2, таблица 2). Технология получения образцов аналогична примеру 1. Состав полученного композиционного материала приведен в таблице 1 (состав 2). Физико-механические свойства композиционного материала приведены в таблице 2 (состав 2).
упр
1с
р - плотность, Е - модуль упругости, К - коэффициент трещиностойкости, HV - твердость по Виккерсу
Технико-экономический эффект от использования изобретения заключается в
увеличении срока службы деталей из заявленного композиционного материала.
[1] Knippenberg W.F. Growth phenomena in silicon carbide // Philips Research Report. - 1963. - V. 18. - P. 161-274.