способ получения алмазосодержащего материала

Формула изобретения

Способ получения алмазосодержащего материала, включающий изготовление заготовки, содержащей алмазные зерна, ее термообработку и пропитку расплавом неметаллического материала при высоких температурах, отличающийся тем, что для пропитки используют расплав, содержащий кремний и бор.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области получения сверхтвердых материалов, а более конкретно к алмазосодержащим композитам, и может найти применение при изготовлении абразивного инструмента.

В современных условиях ужесточаются требования к абразивным материалам, в частности к глубине и скорости обработки, а также требования к обработке поверхностей, имеющих впадины и проточки, труднодоступные для механической обработки.

Отмеченное приводит к необходимости создания абразивного инструмента высокой износостойкости и сложной формы. Повышение износостойкости алмазного абразивного материала может быть достигнуто повышением износостойкости матрицы (связки), удерживающей алмазные зерна в рабочем (поверхностном) слое материала. Весьма перспективным для этого оказывается использование карбидокремниевых матриц, обладающих высокой твердостью и износостойкостью.

Алмазный инструмент с карбидокремниевой матрицей, например, может быть получен прессованием дисперсий, состоящих из сажи и кристаллов алмаза различной концентрации с последующей пропиткой кремнием в условиях стабильности алмаза (давление более 30 тыс.атм) [1]. К недостаткам известной технологии можно отнести сложность, энергоемкость, необходимость применения специального оборудования. Условия проведения известного процесса позволяют получить материал, содержащий кристаллы алмаза в матрице из карбида кремния и кремния, относительно небольших размеров и простых форм: как правило, цилиндрических. Известная технология не позволяет получить изделия заданной формы и больших размеров и оказывается очень дорогой.

Более прост и экономичен в реализации способ, включающий формование заготовки из алмазного порошка, ее термообработку и последующую пропитку жидким кремнием при давлении ниже 1000 мм рт.ст. Известный способ позволяет получить абразивные изделия, заданных размеров и разнообразных форм, имеющие высокую прочность и требующие минимальной механической обработки [2]. Изделие, полученное известным способом, представляет собою практически беспористый композит, состоящий из зерен алмаза и матрицы из карбида кремния и кремния, равномерно распределенных в объеме изделия.

Полученный материал имеет хорошие механические и абразивные свойства, которые, однако, целесообразно улучшать в направлении повышения твердости, износостойкости, устойчивости при высоких температурах.

Задачей настоящего изобретения является получение материала с более высокими твердостью, износостойкостью и другими механическими свойствами.

Технический результат достигается тем, что в способе, включающем формование заготовки из алмазосодержащей шихты, ее термообработку для образования полуфабриката, содержащего алмаз и углерод, и пропитку полученного полуфабриката, используют расплав, содержащий кремний и бор.

Способ получения алмазосодержащего материала реализуют в несколько стадий следующим образом.

1. Формование заготовки.

Первой стадией способа является изготовление заготовки, содержащей алмазные зерна. В качестве исходной шихты для формования заготовки могут быть использованы:

- алмазные порошки (синтетические или природные) с зернистостью от 1 до 2000 мкм как широкой, так и узкой классификации по ГОСТ 9206-80;

- смеси алмазных порошков различных марок по качеству и классов по размеру, например, такие смеси, в которых соотношение среднего размера более крупного зерна к среднему размеру более мелкого зерна больше 2. Такие же соотношения и в случае использования смеси из нескольких классов. При использовании смеси с одной стороны достигается большая компактность формовки, а с другой - наличие в конечном материале крупных и мелких алмазов, обеспечивающее сочетание высоких абразивных свойств с высокой стойкостью к износу;

- смеси алмазных порошков ее порошками ковалентных и металлоподобных карбидов, например карбидом кремния и др. (при этом уменьшается объемное содержание алмазных частиц в материале, что целесообразно для ряда применений материала и уменьшает его стоимость). Для приготовления смеси могут быть использованы порошки алмаза и карбидов одинаковых или различных размеров, используя такие же соотношения, как и в случае смеси различных алмазных порошков;

- смеси алмазных порошков с порошками углеродных графитоподобных материалов, таких как сажи, коксы, углеродные волокна. При этом целесообразно использовать смеси с содержанием углеродных графитоподобных материалов менее 20 мас.%, более предпочтительно - менее 10 мас.%.

- смеси алмазных порошков и порошков карбидов с углеродными графитоподобными материалами, используя соотношения, аналогичные для смесей с алмазом, указанные выше.

При формовании целесообразно использовать временное связующее. Использование временного связующего при формовании упрощает процесс формовки. Временным связующим могут быть органические или неорганические жидкости, например вода, этиловый спирт, гептан и другие аналогичные жидкости. Такое временное связующее легко удаляется из заготовки после формования.

Более целесообразно в качестве временного связующего использовать неконцентрированные растворы смол и клеев, например фенолформальдегидной смолы, поливинилацетата, поливинилового спирта и другие аналогичные. Это могут быть спиртовые, водные растворы или растворы на основе других органических жидкостей. Количество вводимого в заготовку связующего (сухой смолы или клея), как правило, не превышает 5% от массы алмаза. Использование смол и клеев делают сформованную заготовку более прочной и упрощают дальнейшую работу с ней.

Кроме того, в качестве временного связующего могут быть использованы различные парафины или их растворы в органическом связующем. При использовании твердых парафинов формование осуществляют в горячем состоянии. При использовании смол или парафинов введенное временное связующее отверждают соответствующей термообработкой.

Для формования используют методы формования в пресс-форме с использованием прессового оборудования, методы гидростатического и инжекционного формования, а также методы шликерного литья или шликерного налива.

При формовании заготовок могут быть также использованы приемы, позволяющие получать заготовки с неравномерным распределением порошков по объему, т. е. создавать в заготовке градиент распределения частиц алмаза, карбида, графитоподобных материалов. Это относится также к размеру частиц. Получение заготовок с неравномерным распределением частиц различного размера, т.е. таких, у которых, например, частицы крупного размера сконцентрированы в большей степени у поверхности, целесообразно для изготовления градиентных алмазосодержащих материалов. Для создания градиента в заготовке могут быть использованы, например, методы послойного формования различных шихт, методы последовательного шликерного литья, методы расположения шихт различного состава в пресс-форме по выбранной схеме и последующего формования, размещение двух или нескольких предварительно сформованных частей заготовки различного состава друг над другом и любые другие методы, обеспечивающие указанные градиенты в конечной заготовке.

В большинстве случаев после собственно формовки заготовки термообрабатываются при повышенных температурах (100-200^oC) для отверждения связующего или удаления таких связующих, как парафин (например, 500^oC). Эта стадия является завершающей при получении заготовки.

В заключении следует отметить, что используемые и описанные методы формования обеспечивают получение пористых заготовок с относительно высокой пористостью (например, 20 - 65 об.%), при этом большинство пор являются открытыми.

2. Высокотемпературная термообработка заготовки - получение полуфабриката.

Перед осуществлением пропитки заготовки необходимо проведение ее термообработки при высоких температурах. Обработку осуществляют при 500-1700^oC. При этом используют два вида сред для проведения термообработки.

2.1 Термообработка в среде углеводородов.

В среде углеводородов термообработку осуществляют при температурах выше температур разложения углеводородов, например 500-1200^oC. При этом используют, например, такие углеводороды, как метан, этан, этилен, ацетилен, бензол и другие аналогичные. Могут быть использованы и смеси углеводородов, например природный газ. Следует отметить, что в указанных условиях термообработки происходит образование пироуглерода из углеводородов. Пироуглерод образуется послойно на внутренней поверхности пор заготовок.

Термообработку осуществляют до осаждения необходимого количества пироуглерода (например, менее 25% от исходной массы заготовки).

Таким образом, в результате термообработки заготовки в среде углеводородов она дополнительно содержит пироуглерод, синтезированный за счет разложения углеводородов.

2.2 Термообработка в среде инертного газа или в вакууме.

В инертной среде (инертные газы, вакуум) термообработку осуществляют при температурах более высоких, чем термообработку в среде углеводородов, например при 1200-1700^oC. В ходе такой термообработки протекает процесс частичной графитации алмаза. Условия термообработки выбирают таким образом, чтобы процесс графитации не привел к полному превращению всех, содержащихся в заготовке алмазов в графит, а затронул, например, менее 50% от объема всех алмазных частиц. Процесс графитации, который начинается с поверхности алмазной частицы и постепенно проникает в ее глубину, приводит тем самым к образованию углеродного слоя на поверхности алмазных частиц.

Следует заметить, что условия термообработки в инертной среде в ряде случаев близки к условиям осуществления пропитки, поэтому она может осуществляться на том же самом оборудовании, в том числе и непосредственно до начала процесса пропитки.

Кроме того, при необходимости может быть осуществлено последовательно две или несколько термообработок в различных средах.

3. Пропитка полуфабриката расплавом.

Для пропитки полуфабриката используют расплав, содержащий кремний и бор. При этом могут быть использованы как низкоконцентрированные по бору расплавы (с содержанием бора менее 5 мас.%), так и высококонцентрированные - с содержанием бора более 5 мас.%. В ряде случаев целесообразно использовать расплавы с содержанием бора менее 20 мас.%.

Пропитку расплавом осуществляют в инертной среде (вакуум, инертные газы). Пропитку осуществляют наиболее удобными методами, например расплавлением соответствующего сплава, содержащего кремний и бор, непосредственно на поверхности полуфабриката, например окунанием полуфабриката в соответствующий расплав или, например, наливом соответствующего расплава на поверхность полуфабриката.

Пропитку осуществляют при температурах, превышающих температуру плавления расплава, например при температурах выше 1450^oC.

Следует обратить внимание, что при реализации описанного способа не происходит заметного изменения формы, т.е. конечное изделие имеет практически такие же размеры и форму, как исходная заготовка. При необходимости получить более сложные формы может быть осуществлена дополнительная механическая обработка полуфабриката. Более удобно проводить такую обработку полуфабрикатов, которые термообрабатывались в среде углеводородов. Они обладают большей прочностью и могут быть обработаны, например, точением, сверлением, фрезерованием и др.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в следующем.

Полуфабрикат материала содержит в своем составе неалмазный углерод, осажденный в виде пироуглерода, полученный за счет графитации алмаза или внесенный на стадии формования заготовки. При пропитке полуфабриката расплавом, содержащим кремний и бор, протекает химическая реакция взаимодействия углерода с компонентами расплава. В результате происходит образование карбидов кремния и бора, а оставшиеся в материале поры заполняются избытком расплава.

При реализации способа выбирают такие соотношения между пористостью заготовки и количеством содержащегося в полуфабрикате графитоподобного углерода, а также такие условия процесса, чтобы весь графитоподобный углерод вступил в реакцию с расплавом. Тем самым получают практически беспористый материал, состоящий из алмаза, карбидов кремния и бора и закристаллизовавшегося сплава кремний - бор.

В отличие от известных технических решений, материал дополнительно содержит образовавшийся в ходе процесса карбид бора. Обладая высокой твердостью (выше твердости карбида кремния), этот компонент материала приводит к повышению твердости, износостойкости и других механических свойств материала.

Пример. Из алмазного микропорошка марки АСМ 28/20 (ГОСТ 9206-80) готовят шихту. Для этого к алмазному порошку добавляют связующее - 25%-ный спиртовый раствор фенолформальдегидной смолы марки СФ-010-А (ГОСТ 18094-80) в количестве 3 мас.% сухой смолы от массы алмазного порошка. Шихту тщательно перемешивают и дважды перетирают через сито с размером ячейки 0,25 мм.

Формование образца диаметром 20 мм и высотой 2 мм осуществляют прессованием навесок шихты с использованием металлической пресс-формы. Навеску размещают в пресс-форме и формуют при комнатной температуре с усилием 40 кН. Формовку выдерживают на воздухе при комнатной температуре в течение 10 ч с последующей сушкой вне формы при 70^oC в течение 1 ч и отверждением при 150^oC в течение 1 ч. Полученная таким образом заготовка содержит 97 мас.% алмаза и имеет пористость 47 об.%.

Термообработку заготовки проводят в вакууме (давление - 0,1 мм рт.ст.) при 1550^oC в течение 4 мин. Указанные условия термообработки позволяют графитизировать алмазные частицы на 14 мас.%.

Пропитку полуфабриката осуществляют сплавом кремний-бор, содержащим 12 мас.% бора. Пропитку выполняют расплавлением указанного сплава на поверхности полуфабриката при 1550^oC. В результате получают изделие в виде таблетки диаметром 20 мм и высотой 2 мм, в котором зерна алмаза связаны матрицей, содержащей карбиды кремния и бора и сплав кремний-бор.

Сравнительные испытания образцов на изнашивание обработкой их алмазным кругом АЧК-150х20х32 без СОЖ показали, что износостойкость полученных образцов на 15-20% выше износостойкости аналогично полученных образцов, но для пропитки которых использован чистый кремний.

Таким образом, реализация заявляемого способа позволяет получать алмазосодержащие материалы в виде деталей сложных форм и больших габаритов. При этом получаемые материалы обладают улучшенными механическими свойствами за счет введения в состав материала дополнительно карбидов бора, образованных химическим путем в процессе реализации способа.

Источники информации

1. Поляков В.П., Ножкина А.В., Чириков Н.В. Алмазы и сверхтвердые материалы. -М.: Металлургия, 1990, 327 с.

2. Патент РФ N 2036779, B 24 D 18/00, 1995.