ПАТЕНТНЫЙ ПОИСК В РФ
НОВЫЕ ПАТЕНТЫ, ЗАЯВКИ НА ПАТЕНТ
БИБЛИОТЕКА ПАТЕНТОВ НА ИЗОБРЕТЕНИЯ

способ получения поликристаллического кубического нитрида бора

Классы МПК:C01B21/064 с бором
C04B35/5831 на основе кубического нитрида бора
B82B3/00 Изготовление или обработка наноструктур
C30B28/00 Получение гомогенного поликристаллического материала с определенной структурой
B01J3/06 способы, использующие сверхвысокое давление, например для образования алмазов; устройства для этой цели, например матрицы
C30B29/38 нитриды
Автор(ы):, ,
Патентообладатель(и):Открытое акционерное общество "Центральный научно-исследовательский технологический институт" (ОАО "ЦНИТИ") (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2009-07-16
публикация патента:

Изобретение относится к области получения синтетических сверхтвердых материалов, в частности поликристаллического кубического нитрида бора, в условиях высоких давлений и температур для использования в химической, инструментальной, электронной и ряде других отраслей промышленности. Способ заключается в том, что готовят смесь вюрцитоподобной и кубической модификаций в соотношении от 1:4 до 2:1 соответственно, обрабатывают ее в планетарной мельнице для механоактивации и измельчения частиц до размеров, не превышающих 1 мкм, формуют и спекают смесь при температуре 1400-1800°С и давлении 7,0-9,0 ГПа, выдерживая при температуре спекания в течение времени, определяемого условиями перехода вюрцитоподобной модификации нитрида бора в кубическую без рекристаллизации, равного 5-30 с. Точное время выдержки смеси при заданных температуре и давлении определяют из условия сохранения от 5 до 15% вюрцитоподобного нитрида бора от его количества в исходной смеси. Изобретение позволяет снизить значения параметров синтеза (температуры, давления и продолжительности) и повысить комплекс физико-механических и эксплуатационных характеристик за счет получения из плотных форм нитрида бора сверхтвердых наноструктурированных компактов с субмикронной матрицей. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Область техники

Изобретение относится к области получения синтетических сверхтвердых материалов, в частности поликристаллического кубического нитрида бора, в условиях высоких давлений и температур для использования в химической, инструментальной и ряде других отраслей промышленности.

2. Уровень техники

Известен способ получения поликристаллического компакта из кубического нитрида бора путем бескатализаторного превращения пиролитического нитрида бора в области стабильности алмазоподобных фаз. Различные варианты этого способа запатентованы, например, в США (4,188,194, класс B01J 3/06, приоритет 1980 г.) и России (RU № 2058966, кл. С04В 35/583, 1988 г.).

Недостатками этого способа являются очень высокие параметры проведения процесса (давление до 10 ГПа и температура до 2000°С), дороговизна исходного материала и сложность настройки параметров синтеза в массовом производстве из-за сильных различий в структуре пиролитического нитрида бора в различных партиях сырья.

Известен способ получения вюрцитоподобного нитрида бора (RU № 2026810, класс С01В 21/064, 1990 г.), включающий приготовление смеси из графитоподобного нитрида бора и неорганической добавки, загрузку смеси в ампулу сохранения, размещение ампулы в объеме твердого взрывчатого вещества и воздействие на указанную смесь ударными волнами, генерируемыми детонацией взрывчатого вещества, где в качестве неорганической добавки используют кристаллогидраты галогенидов металлов, включающих марганец, щелочноземельные металлы в количестве 10-30 мас.%, а в качестве взрывчатого вещества используют, мас.%: коллоксилин - 54,4-59; нитроглицерин - 25,0-36,0; динитротолуол - 1,5-9,1; инертную добавку - 6,4-9,9.

Недостатком известного способа является низкий выход целевого продукта из-за недостаточной сохраняемости ампул.

Наиболее близким аналогом заявленного предложения, принятым в качестве прототипа, является способ получения поликристаллического кубического нитрида бора (авт. свид. СССР 411721, кл. С01В 21/06, приоритет 1971 г.). Способ заключается в воздействии высоких давлений (9-12 ГПа) и температур (1700-1800°С) на вюрцитоподобный нитрид бора (ВНБ) или его смесь 1:1 с кубическим нитридом бора (КНБ).

Недостатками прототипа являются очень высокие параметры спекания по давлению и температуре, а также малые размеры частиц конечного продукта. Такие параметры необходимы, поскольку после синтеза в ударных волнах частицы ВНБ имеют форму пластин толщиной до одного микрометра и размерами до десятков микрометров. Из-за такой формы частиц затрудняются процессы их уплотнения при спекании под давлением. Поэтому для получения беспористого компакта требуются значительные времена выдержки, а конечный продукт имеет микронные размеры частиц.

3. Раскрытие изобретения

Задачей предлагаемого технического решения является преодоление указанных недостатков, а именно - снижение параметров синтеза (температуры, давления и продолжительности), повышение комплекса физико-механических и эксплуатационных характеристик за счет получения из плотных форм нитрида бора сверхтвердых наноструктурированных компактов с субмикронной матрицей.

Решение указанной задачи обеспечивается тем, что в способе получения поликристаллического кубического нитрида бора смеси вюрцитоподобной и кубической модификаций предварительно подвергают обработке в планетарных мельницах для механоактивации и дробления частиц до размеров, соответствующих наноструктуре материала с высокой износостойкостью и лезвийностью. Затем смеси формуют и спекают, выдерживая в условиях высоких давлений и температур заданное время, определяемое условиями перехода вюрцитоподобной формы нитрида бора в кубическую без рекристаллизации.

Смеси вюрцитоподобной и кубической модификаций готовят в соотношении от 1:4 до 2:1 соответственно.

Смеси вюрцитоподобной и кубической модификаций измельчают до размеров частиц, не превышающих 1 мкм.

Параметры давления смеси выбирают из диапазона 7,0-9,0 ГПа.

Температуру спекания смеси выбирают из диапазона 1400-1800°С.

Время выдержки при температуре спекания выбирают из диапазона 5-30 секунд. Точное время выдержки смеси при заданных температуре и давлении определяют из условия сохранения в компакте от 5 до 15% вюрцитоподобной фазы от ее количества в смеси.

4. Осуществление изобретения

Заявляемый способ получения поликристаллического кубического нитрида бора из смеси вюрцитоподобной и кубической модификаций обеспечивают с помощью следующих основных операций:

- дробят частицы вюрцитоподобной и кубической модификаций нитрида бора в планетарных мельницах для механоактивации до размеров, соответствующих наноструктурному состоянию конечного материала с высокой износостойкостью и лезвийностью. При этом смеси вюрцитоподобной и кубической модификаций готовят в соотношении от 1:4 до 2:1 соответственно, измельчая их до размеров частиц, не превышающих 1 мкм;

- смеси формуют и спекают в условиях высоких давлений и температур, выдерживая заданное время, определяемое условиями частичного перехода вюрцитоподобной формы нитрида бора в кубическую без рекристаллизации.

Термобарические параметры спекания смеси выбирают из диапазонов по давлению от 7,0 до 9,0 ГПа, по температуре от 1400 до 1800°С.

Время выдержки при температуре спекания выбирают в зависимости от конкретных параметров смеси из диапазона 5-30 секунд для сохранения от 5 до 25% вюрцитоподобной фазы от ее количества в исходной смеси. Совокупность выбранных термобарических параметров спекания и времени выдержки обеспечивает получение полноплотного материала без рекристаллизации частиц нитрида бора.

Предлагаемые границы по составу смесей определяются тем, что вюрцитоподобная фаза активирует процесс уплотнения и спекания, а кубическая фаза играет роль упрочнителя. При содержании в смеси менее 25% вюрцитоподобной фазы уплотнение при спекании идет неоднородно, образуется закрытая пористость, снижающая прочность компактов. При содержании в смеси менее 30% кубической фазы снижается эффект упрочнения компакта и облегчается собирательная рекристаллизация вюрцитоподобной фазы.

Использование для получения компактов давлений выше 9,0 ГПа нецелесообразно экономически, поскольку это ведет к быстрому разрушению твердосплавной оснастки, а при давлениях ниже 7,0 ГПа получается материал с низкими эксплуатационными характеристиками, вследствие частичного перехода плотных форм нитрида бора в гексагональную фазу.

При температурах ниже 1400°С невозможно получение беспористого материала, а при температурах выше 1800°С уровень свойств компактов также снижается из-за частичного перехода плотных форм нитрида бора в гексагональную фазу.

Максимальные размеры частиц кубической фазы в исходном порошке не должны превышать пять микрометров. При использовании более крупных фракций требуются интенсивные режимы и большое время энергоемкого размола в планетарных мельницах, что приводит к увеличению затрат при изготовлении смесей, значимому повышению количества металлических примесей в смесях и снижению комплекса физико-механических свойств компактов.

Для анализа физико-механических характеристик синтезированные компакты из поликристаллического кубического нитрида бора шлифовали по торцам и образующей цилиндра. Одну торцевую поверхность полировали для измерения твердости. Плотность компактов определяли методом гидростатического взвешивания, твердость - методом Виккерса при нагрузке 100 Н. Модуль Юнга рассчитывали на основе результатов измерения скорости распространения ультразвуковых волн в образцах.

Сравнительные испытания для определения режущих свойств компактов проводили при непрерывном и прерывистом точении стали ХВГ с твердостью 62 HRC. В качестве критерия износа принимали ширину фаски износа по задней поверхности 0,2 мм. Режущие элементы имели одинаковые геометрические параметры с радиусом при вершине 0,7 мм. Обрабатывались цилиндрические образцы стали диаметром 80 мм и длиной 300 мм (для прерывистого точения с одним прямоугольным пазом шириной 5 мм) при глубине резания 0,2 мм и продольной подаче 0,03 мм/об. Величину износа режущих элементов определяли с помощью инструментального микроскопа после каждого прохода.

Средние значения результатов испытаний компактов из поликристаллического кубического нитрида бора по трем образцам сопоставлены с образцами прототипа и аналога и приведены в таблице.

Реализация заявленного предложения иллюстрируется примерами.

5. Примеры реализации способа

Пример 1

Навески порошков вюрцитоподобного (15 г) и кубического (5 г) нитрида бора зернистостью 3/2 мкм предварительно перемешиваются и обрабатываются в планетарной мельнице в течение 30 минут. Полученная механоактивированная смесь гранулируется и формуется в металлической пресс-форме в виде таблетки диаметром 5 мм и высотой 4 мм. Таблетка укладывается в графитовый стакан с крышкой, который помещается в контейнер из литографского камня и подвергается термобарической обработке в камере высокого давления при 7,5 ГПа и 1650°С с выдержкой при этой температуре в течение 10 секунд. Фазовый состав спеченных компактов составляет: ВНБ - 25-30%, КНБ - 70-75%, а максимальный размер частиц - 0,7-0,9 мкм.

Пример 2

Навески порошков вюрцитоподобного (10 г) и кубического (10 г) нитрида бора зернистостью 2/0 мкм предварительно перемешиваются и обрабатываются в планетарной мельнице в течение 15 минут. Полученная механоактивированная смесь гранулируется и формуется в металлической пресс-форме в виде таблетки диаметром 5 мм и высотой 4 мм. Таблетка помещается в графитовый стакан с крышкой, который подвергается термобарической обработке при давлении 8,5 ГПа и температуре 1750°С с выдержкой при этой температуре в течение 7 секунд. Фазовый состав спеченного компакта составляет: ВНБ - 7-9%, КНБ - 91-93% при максимальных размерах частиц кубического нитрида бора 0,4-0,6 мкм.

Пример 3

Навески порошков вюрцитоподобного (8 г) и кубического (12 г) нитрида бора зернистостью 1/0 мкм предварительно перемешиваются и обрабатываются в планетарной мельнице в течение 10 минут. Полученная механоактивированная смесь гранулируется и формуется в металлической пресс-форме в виде таблетки диаметром 5 мм и высотой 4 мм. Таблетка помещается в графитовый стакан с крышкой, который подвергается термобарической обработке при давлении 7,0 ГПа и температуре 1500°С с выдержкой при этой температуре в течение 25 секунд. Фазовый состав спеченного компакта составляет: ВНБ - 3-5%, КНБ - 95-97%, а максимальных размер частиц в нем - 0,5-0,7 мкм.

Пример 4

Навески порошков вюрцитоподобного (4 г) и кубического (18 г) нитрида бора зернистостью 1/0 мкм предварительно перемешиваются и обрабатываются в планетарной мельнице в течение 15 минут. Полученная смесь гранулируется и формуется в металлической пресс-форме в виде таблетки диаметром 5 мм и высотой 4 мм. Таблетка помещается в графитовый стакан с крышкой, который подвергается термобарической обработке при давлении 8,0 ГПа и температуре 1800°С с выдержкой при этой температуре в течение 40 секунд. Фазовый состав спеченного компакта составляет: КНБ - 100%. В образце наблюдалась остаточная пористость при максимальных размерах однородно рекристаллизованных частиц от 1,5 до 1,8 мкм.

Пример 5

Навеска порошка вюрцитоподобного (20 г) нитрида бора обрабатывается в планетарной мельнице в течение 10 минут. После механоактивации порошок гранулируется и формуется в металлической пресс-форме в виде таблетки диаметром 5 мм и высотой 4 мм. Таблетка помещается в графитовый стакан с крышкой, который подвергается термобарической обработке при давлении 7,5 ГПа и температуре 1700°С с выдержкой при этой температуре в течение 15 секунд. Фазовый состав спеченного компакта составляет: ВНБ - 16-21%, КНБ - 79-84%, максимальный размер частиц в зонах локальной рекристаллизации 2,5-2,9 мкм.

6. Технические результаты

Полученные сверхтвердые наноструктурированные компакты из алмазоподобных форм нитрида бора имеют микротвердость до 50 ГПа и модуль упругости около 750 ГПа, что превышает уровень большинства известных промышленных алмазных композитов. В то же время из сверхтвердых материалов только компакты из нитрида бора могут использоваться при обработке закаленных сталей и сплавов на основе железа, а за счет своей ультрамелкой структуры они окажутся вне конкуренции по уровню эксплуатационных характеристик (лезвийность инструмента, чистота обрабатываемой поверхности и т.д.). Их использование в промышленном производстве и замена твердого сплава позволят:

- повысить производительность обработки труднообрабатываемых (высокопрочных, жаропрочных, тугоплавких, коррозионно-стойких и др.) сталей и сплавов более чем в 10 раз;

- увеличить износостойкость нового инструмента при обработке высокопрочных материалов в 6-8 раз;

- повысить точность обработки до 0,5 мкм и чистоты поверхности до Ra 0,1 мкм без последующих шлифовально-доводочных операций;

- провести импортозамещение дорогостоящего инструмента для современного высокоскоростного и высокопроизводительного оборудования при техническом перевооружении предприятий.

способ получения поликристаллического кубического нитрида бора, патент № 2412111

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ получения поликристаллического кубического нитрида бора, заключающийся в том, что готовят смесь вюрцитоподобной и кубической модификаций в соотношении от 1:4 до 2:1, соответственно, обрабатывают ее в планетарной мельнице для механоактивации и измельчения частиц до размеров, не превышающих 1 мкм, формуют и спекают смесь при температуре 1400-1800°С и давлении 7,0-9,0 ГПа, выдерживая при температуре спекания в течение времени, определяемом условиями перехода вюрцитоподобной модификации нитрида бора в кубическую без рекристаллизации, равного 5-30 с.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что точное время выдержки смеси при заданных температуре и давлении определяют из условия сохранения от 5 до 15% вюрцитоподобного нитрида бора от его количества в исходной смеси.


Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2412111

patent-2412111.pdf
Патентный поиск по классам МПК-8:

Класс C01B21/064 с бором

Патенты РФ в классе C01B21/064:
способ получения нанодисперсных порошков нитрида бора и диборида титана -  патент 2523471 (20.07.2014)
способ получения растворимого гексагонального нитрида бора -  патент 2478077 (27.03.2013)
обладающие покрытием абразивные материалы и способ их изготовления -  патент 2409605 (20.01.2011)
способ получения кубического нитрида бора, обладающего световой эмиссией -  патент 2394757 (20.07.2010)
способ получения кубического нитрида бора -  патент 2288889 (10.12.2006)
способ получения нитрида бора графитоподобной гексагональной структуры -  патент 2266865 (27.12.2005)
способ изготовления поликристаллического сверхтвердого материала -  патент 2258101 (10.08.2005)
способ получения кубического нитрида бора -  патент 2241661 (10.12.2004)
способ получения композиционного материала -  патент 2238240 (20.10.2004)
способ получения кубического нитрида бора повышенной прочности -  патент 2229434 (27.05.2004)

Класс C04B35/5831 на основе кубического нитрида бора

Патенты РФ в классе C04B35/5831:
способ получения композиционных материалов из кубического нитрида бора -  патент 2493135 (20.09.2013)
способ получения поликристаллического материала на основе кубического нитрида бора, содержащего алмазы -  патент 2484888 (20.06.2013)
способ изготовления поликристаллического кубического нитрида бора с мелкозернистой структурой -  патент 2450855 (20.05.2012)
способ получения поликристаллического материала на основе кубического нитрида бора -  патент 2449831 (10.05.2012)
способ получения композиционного материала на основе порошков алмаза и/или кубического нитрида бора -  патент 2393135 (27.06.2010)
способ получения композиционных материалов на основе сверхтвердых частиц для изготовления режущих элементов -  патент 2296727 (10.04.2007)
способ изготовления керамического материала -  патент 2223929 (20.02.2004)
спеченная заготовка из нитрида бора с кубической решеткой (варианты) -  патент 2220929 (10.01.2004)
способ получения сверхтвердого композиционного материала на основе кубического нитрида бора для режущих инструментов -  патент 2185930 (27.07.2002)
способ получения сверхтвердого композиционного материала на основе кубического нитрида бора для режущих инструментов и композиционный материал -  патент 2147972 (27.04.2000)

Класс B82B3/00 Изготовление или обработка наноструктур

Патенты РФ в классе B82B3/00:
способ комбинированной интенсивной пластической деформации заготовок -  патент 2529604 (27.09.2014)
многослойный композиционный материал для защиты от электромагнитного излучения -  патент 2529494 (27.09.2014)
способ функционализации углеродных наноматериалов -  патент 2529217 (27.09.2014)
нанокомпонентная энергетическая добавка и жидкое углеводородное топливо -  патент 2529035 (27.09.2014)
способ получения насыщенных карбоновых кислот -  патент 2529026 (27.09.2014)
способ получения катализатора для процесса метанирования -  патент 2528988 (20.09.2014)
способ модифицирования углеродных нанотрубок -  патент 2528985 (20.09.2014)
полимерный медьсодержащий композит и способ его получения -  патент 2528981 (20.09.2014)
композиции матриксных носителей, способы и применения -  патент 2528895 (20.09.2014)
полимерное электрохромное устройство -  патент 2528841 (20.09.2014)

Класс C30B28/00 Получение гомогенного поликристаллического материала с определенной структурой

Патенты РФ в классе C30B28/00:
способ синтеза поликристаллов полупроводникового соединения групп ii-vi -  патент 2526382 (20.08.2014)
поликристаллический алмаз -  патент 2522028 (10.07.2014)
способ получения оптических поликристаллических материалов на основе селенида цинка -  патент 2516557 (20.05.2014)
аппарат для получения и способ получения поликристаллического кремния -  патент 2495164 (10.10.2013)
способ получения поликристаллического оптического селенида цинка -  патент 2490376 (20.08.2013)
способ получения поликристаллического материала на основе кубического нитрида бора, содержащего алмазы -  патент 2484888 (20.06.2013)
лазерная фторидная нанокерамика и способ ее получения -  патент 2484187 (10.06.2013)
способы получения сложного гидросульфатфосфата цезия состава cs5(hso4)2(h2po4)3 -  патент 2481427 (10.05.2013)
способ получения поликристаллического кремния -  патент 2475570 (20.02.2013)
способ получения поликристаллического кремния -  патент 2475451 (20.02.2013)

Класс B01J3/06 способы, использующие сверхвысокое давление, например для образования алмазов; устройства для этой цели, например матрицы

Патенты РФ в классе B01J3/06:
поликристаллический алмаз -  патент 2522028 (10.07.2014)
способ получения сверхтвердого композиционного материала -  патент 2491987 (10.09.2013)
устройство высокого давления и высоких температур -  патент 2491986 (10.09.2013)
способ получения поликристаллического материала на основе кубического нитрида бора, содержащего алмазы -  патент 2484888 (20.06.2013)
способ синтеза алмазов, алмазных поликристаллов -  патент 2476376 (27.02.2013)
способ получения алмазов -  патент 2469952 (20.12.2012)
способ получения нитевидных алмазов -  патент 2469781 (20.12.2012)
устройство для очистки и модификации наноалмаза -  патент 2452686 (10.06.2012)
способ изготовления поликристаллического кубического нитрида бора с мелкозернистой структурой -  патент 2450855 (20.05.2012)
способ получения поликристаллического материала на основе кубического нитрида бора -  патент 2449831 (10.05.2012)

Класс C30B29/38 нитриды

Патенты РФ в классе C30B29/38:
монокристалл нитрида, способ его изготовления и используемая в нем подложка -  патент 2485221 (20.06.2013)
устройство для производства монокристаллического нитрида алюминия, способ производства монокристаллического нитрида алюминия и монокристаллический нитрид алюминия -  патент 2485219 (20.06.2013)
способ получения поликристаллического материала на основе кубического нитрида бора, содержащего алмазы -  патент 2484888 (20.06.2013)
способ выращивания монокристаллов нитрида галлия -  патент 2477766 (20.03.2013)
способ динамического синтеза ультрадисперсного кристаллического ковалентного нитрида углерода c3n4 и устройство для его осуществления -  патент 2475449 (20.02.2013)
способ выращивания монокристалла aln и устройство для его реализации -  патент 2468128 (27.11.2012)
способ получения кристаллов gan или algan -  патент 2446236 (27.03.2012)
способ получения микрокристаллов нитрида алюминия -  патент 2437968 (27.12.2011)
способ получения монокристалла нитрида тугоплавкого металла и изделия из него, получаемого этим способом -  патент 2431002 (10.10.2011)
способ выращивания слоя нитрида галлия и способ получения нитридного полупроводникового устройства -  патент 2414549 (20.03.2011)


Наверх